1、微電子工藝學(xué)Microelectronic Processing第五章 薄膜淀積與外延技術(shù),張道禮 教授 Email: zhang- Voice: 87542894,超薄膜: 10nm 薄膜: 50nm10mm 典型薄膜: 50nm 1mm 厚膜: 10mm 100mm,單晶薄膜 多晶薄膜 無序薄膜,5.1 概述,采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材料)的基團以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。,薄膜分類,（1）物態(tài),（2）結(jié)晶態(tài)：,（3）化學(xué)角度,5.1 概述,（4）組成,（5）物性,厚度，決定薄膜性能、質(zhì)量 通常，膜厚 數(shù)十

2、um， 一般在1um 以下。,薄膜的一個重要參數(shù),5.1 概述,兩種常見的薄膜結(jié)構(gòu),單層膜 周期結(jié)構(gòu)多層膜,Substrate,A,B,A,B,5.1 概述,半導(dǎo)體薄膜：Si 介質(zhì)薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG， 金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti，,在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成,單晶薄膜：Si, SiGe（外延） 多晶薄膜：poly-Si,Deposition,5.1 概述,薄膜的應(yīng)用：半導(dǎo)體器件；電路連接；電極；光電子器件；半導(dǎo)體激光器；光學(xué)鍍膜,淀積是指在wafer上淀積一層膜的工藝，淀積薄膜的工藝有很多種，化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積、蒸發(fā)等很多。 化學(xué)氣相淀積（CV

3、D）是通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在wafer表面淀積一層固態(tài)薄膜的工藝。CVD法淀積薄膜可用以下幾個步驟解釋薄膜的生長過程：參加反應(yīng)的氣體傳輸?shù)絯afer表面；反應(yīng)物擴散至wafer表面并吸附在其上；wafer表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膜分子和副產(chǎn)物；膜分子沿wafer表面向膜生長區(qū)擴散并與晶格結(jié)合成膜；反應(yīng)副產(chǎn)物 隨氣流流動至排氣口，被排出淀積區(qū)。,5.1 概述,1）化學(xué)氣相淀積 Chemical Vapor Deposition (CVD) 一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD

4、 2）物理氣相淀積 Physical Vapor Deposition (PVD) 利用某種物理過程實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。 例如：蒸發(fā) evaporation，濺射sputtering,兩類主要的淀積方式,5.1 概述,除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:,5.1 概述,外延：在單晶襯底上生長一層新的單晶層，晶向取決于襯底,外延硅應(yīng)用舉例,5.1 概述,CMOS柵電極材料；多層金屬化電極的導(dǎo)電材料,多晶硅薄膜的應(yīng)用,5.1 概述,化學(xué)氣相沉積Chemical Vapor Deposition (CVD)：是通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上

5、淀積薄膜的工藝方法。,Polycrystalline,Single crystal (epitaxy),Courtesy Johan Pejnefors, 2001,5.2 化學(xué)氣相沉積,化學(xué)氣相沉積（CVD）是一種化學(xué)氣相生長法。 把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光以及激光等能源，借助氣相作用或在基板表面的化學(xué)反應(yīng)（熱分解或化學(xué)合成）生長要求的薄膜。 CVD裝置的主要部分：反應(yīng)氣體輸入部分、反應(yīng)激活能源供應(yīng)部分和氣體排出部分。 CVD可以制備單晶、多相或非晶態(tài)無機薄膜，近年來，已研制出金剛石薄膜、高Tc超導(dǎo)薄膜、透明導(dǎo)電薄膜以及某些敏感功能薄膜

6、。,5.2 化學(xué)氣相沉積,對薄膜的要求,組分正確，玷污少，電學(xué)和機械性能好 片內(nèi)及片間（每一硅片和硅片之間）均勻性好 3. 臺階覆蓋性好（conformal coverage 保角覆蓋） 填充性好 平整性好,5.2 化學(xué)氣相沉積,CVD法制備薄膜具有很多優(yōu)點，如薄膜組分任意控制、生長溫度低于組成物質(zhì)的熔點、膜層均勻性好、薄膜純度高、針孔少、結(jié)構(gòu)致密。 CVD分類：,按淀積溫度：低溫（200500）、中溫（500 1000）和高溫（1000 1300） 按反應(yīng)器內(nèi)的壓力：常壓和低壓 按反應(yīng)器壁的溫度：熱壁和冷壁 按反應(yīng)激活方式：熱激活和冷激活,5.2 化學(xué)氣相沉積,化學(xué)氣相淀積（CVD）的應(yīng)用及

7、分類,單晶 (外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜 半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬薄膜 常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD），低壓CVD (LPCVD)，等離子體增強淀積（PECVD）等,CVD反應(yīng)必須滿足三個揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn),在淀積溫度下,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓 除淀積物質(zhì)外,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的 淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓,5.2 化學(xué)氣相沉積,化學(xué)氣相沉積的基本原理,化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)在基片表面形成固態(tài)薄膜的一種成膜技術(shù)。 CVD反應(yīng)是指反應(yīng)物為氣體而生成物之一為固體的化學(xué)反應(yīng)。 CVD完全不同于物理氣相沉積（PVD）,5.2 化學(xué)氣相沉積,CVD基本原理包括：反應(yīng)化學(xué)、熱力學(xué)、動

8、力學(xué)、輸運過程、薄膜成核與生長、反應(yīng)器工程等學(xué)科領(lǐng)域。,CVD法實際上很早就有應(yīng)用，用于材料精制、裝飾涂層、耐氧化涂層、耐腐蝕涂層等。在電子學(xué)方面PVD法用于制作半導(dǎo)體電極等。 CVD法一開始用于硅、鍺精制上，隨后用于適合外延生長法制作的材料上。 表面保護膜一開始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了由、族元素構(gòu)成的新的氧化膜，最近還開發(fā)了金屬膜、硅化物膜等。 以上這些薄膜的CVD制備法為人們所注意。CVD法制各的多晶硅膜在器件上得到廣泛應(yīng)用，這是CVD法最有效的應(yīng)用場所。,5.2 化學(xué)氣相沉積,CVD的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué),按熱力學(xué)原理，化學(xué)反應(yīng)的自由能變化 可以用反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)自由能 來計算，

9、即,CVD熱力學(xué)分析的主要目的是預(yù)測某些特定條件下某些CVD反應(yīng)的可行性（化學(xué)反應(yīng)的方向和限度）。 在溫度、壓強和反應(yīng)物濃度給定的條件下，熱力學(xué)計算能從理論上給出沉積薄膜的量和所有氣體的分壓，但是不能給出沉積速率。 熱力學(xué)分析可作為確定CVD工藝參數(shù)的參考。,5.2 化學(xué)氣相沉積,與反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)平衡常數(shù) 有關(guān),例：熱分解反應(yīng),5.2 化學(xué)氣相沉積,反應(yīng)方向判據(jù)：,可以確定反應(yīng)溫度。,5.2 化學(xué)氣相沉積,平衡常數(shù) 的意義：,計算理論轉(zhuǎn)化率 計算總壓強、配料比對反應(yīng)的影響,通過平衡常數(shù)可以確定系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡問題。,5.2 化學(xué)氣相沉積,CVD的（化學(xué)反應(yīng)）動力學(xué),反應(yīng)動力學(xué)是一個把反應(yīng)熱力學(xué)

10、預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實，使反應(yīng)實際進行的問題；它是研究化學(xué)反應(yīng)的速度和各種因素對其影響的科學(xué)。 CVD反應(yīng)動力學(xué)分析的基本任務(wù)是：通過實驗研究薄膜的生長速率，確定過程速率的控制機制，以便進一步調(diào)整工藝參數(shù)，獲得高質(zhì)量、厚度均勻的薄膜。,反應(yīng)速率是指在反應(yīng)系統(tǒng)的單位體積中，物質(zhì)（反應(yīng)物或產(chǎn)物）隨時間的變化率。,5.2 化學(xué)氣相沉積,Vant Hoff規(guī)則：反應(yīng)溫度每升高10，反應(yīng)速率大約增加2-4倍。這是一個近似的經(jīng)驗規(guī)則。,溫度對反應(yīng)速率的影響：,式中， 為有效碰撞的頻率因子， 為活化能。,Arrhenius方程：,較低襯底溫度下， 隨溫度按指數(shù)規(guī)律變化。 較高襯底溫度下，反應(yīng)物及副產(chǎn)物的擴散速率為決定

11、反應(yīng)速率的主要因素。,5.2 化學(xué)氣相沉積,化學(xué)氣相淀積的基本過程,5.2 化學(xué)氣相沉積,CVD法制備薄膜過程描述（四個階段）,最常見的幾種CVD反應(yīng)類型有：熱分解反應(yīng)、化學(xué)合成反應(yīng)、化學(xué)輸運反應(yīng)等。分別介紹如下。,熱分解反應(yīng)（吸熱反應(yīng)）,通式：,主要問題是源物質(zhì)的選擇（固相產(chǎn)物與薄膜材料相同）和確定分解溫度。,該方法在簡單的單溫區(qū)爐中，在真空或惰性氣體保護下加熱基體至所需溫度后，導(dǎo)入反應(yīng)物氣體使之發(fā)生熱分解，最后在基體上沉積出固體圖層。,5.2 化學(xué)氣相沉積,（1）氫化物,H-H鍵能小，熱分解溫度低，產(chǎn)物無腐蝕性。,（2）金屬有機化合物,M-C鍵能小于C-C鍵，廣泛用于沉積金屬和氧化物薄膜。

12、 金屬有機化合物的分解溫度非常低，擴大了基片選擇范圍以及避免了基片變形問題。,5.2 化學(xué)氣相沉積,（3）氫化物和金屬有機化合物系統(tǒng),廣泛用于制備化合物半導(dǎo)體薄膜。,（4）其它氣態(tài)絡(luò)合物、復(fù)合物,羰基化合物：,單氨絡(luò)合物：,5.2 化學(xué)氣相沉積,化學(xué)合成反應(yīng),化學(xué)合成反應(yīng)是指兩種或兩種以上的氣態(tài)反應(yīng)物在熱基片上發(fā)生的相互反應(yīng)。,(1) 最常用的是氫氣還原鹵化物來制備各種金屬或半導(dǎo)體薄膜； (2) 選用合適的氫化物、鹵化物或金屬有機化合物來制備各種介質(zhì)薄膜。 化學(xué)合成反應(yīng)法比熱分解法的應(yīng)用范圍更加廣泛。 可以制備單晶、多晶和非晶薄膜。容易進行摻雜。,5.2 化學(xué)氣相沉積,5.2 化學(xué)氣相沉積,化

13、學(xué)輸運反應(yīng),將薄膜物質(zhì)作為源物質(zhì)（無揮發(fā)性物質(zhì)），借助適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)與之反應(yīng)而形成氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經(jīng)過化學(xué)遷移或物理輸運到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，在基片上再通過逆反應(yīng)使源物質(zhì)重新分解出來，這種反應(yīng)過程稱為化學(xué)輸運反應(yīng)。,設(shè)源為A，輸運劑為B，輸運反應(yīng)通式為：,源區(qū),沉積區(qū),5.2 化學(xué)氣相沉積,化學(xué)輸運反應(yīng)條件：,不能太大； 平衡常數(shù)KP接近于1。,化學(xué)輸運反應(yīng)判據(jù)：,根據(jù)熱力學(xué)分析可以指導(dǎo)選擇化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，估計輸運溫度。 首先確定 與溫度的關(guān)系，選擇 的反應(yīng)體系。 大于0的溫度T1； 小于0的溫度T2。 根據(jù)以上分析，確定合適的溫度梯度。,5.2 化學(xué)氣相沉積,源區(qū),沉積區(qū),源區(qū),

14、沉積區(qū),源區(qū),沉積區(qū),5.2 化學(xué)氣相沉積,F1是反應(yīng)劑分子的粒子流密度 F2代表在襯底表面化學(xué)反應(yīng)消耗的反應(yīng)劑分子流密度,生長動力學(xué) 從簡單的生長模型出發(fā)，用動力學(xué)方法研究化學(xué)氣相淀積推導(dǎo)出生長速率的表達(dá)式及其兩種極限情況,與熱氧化生長稍有 不同的是，沒有了 在SiO2中的擴散流,5.2 化學(xué)氣相沉積,hG 是質(zhì)量輸運系數(shù)（cm/sec）,ks 是表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)（cm/sec） 在穩(wěn)態(tài)，兩類粒子流密度應(yīng)相等。這樣得到,可得：,5.2 化學(xué)氣相沉積,設(shè),則生長速率,這里 Y 為在氣體中反應(yīng)劑分子的摩爾比值，CG為每cm3中反應(yīng)劑分子數(shù)，這里CT為在氣體中每cm3的所有分子總數(shù),PG 是反應(yīng)劑

15、分子的分壓，PG1， PG1 PG2 PG3.等是系統(tǒng)中其它氣體的分壓,N是形成薄膜的單位體積中的原子數(shù)。對硅外延N為51022 cm-3,5.2 化學(xué)氣相沉積,Y一定時，v 由hG和ks中較小者決定 如果hGks，則CsCG,這種情況為表面反應(yīng)控制過程 有 2、如果hGks，則CS0，這是質(zhì)量傳輸控制過程 有 質(zhì)量輸運控制，對溫度不敏感,5.2 化學(xué)氣相沉積,表面（反應(yīng)）控制，對溫度特別敏感,T對ks的影響較hG大許多，因此： hGks表面控制過程在較低溫度出現(xiàn),生長速率和溫度的關(guān)系,硅外延：Ea=1.6 eV,5.2 化學(xué)氣相沉積,以硅外延為例（1 atm，APCVD）,hG 常數(shù),Ea

16、值相同,硅淀積往往是在高溫下進行，以確保所有硅原子淀積時排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運控制過程。此時對溫度控制要求不是很高，但是對氣流要求高。 多晶硅生長是在低溫進行，是表面反應(yīng)控制，對溫度要求控制精度高。,5.2 化學(xué)氣相沉積,當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時反應(yīng)氣體通過邊界層的擴散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計和晶片如何放置顯得很重要。,記住關(guān)鍵兩點： ks 控制的淀積主要和溫度有關(guān) hG 控制的淀積主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān),5.2 化學(xué)氣相沉積,單晶硅淀積要采用圖中的臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜?,5.2 化學(xué)氣相沉積,這里界面層厚度s是x方向平板長度的函數(shù)。

17、,隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會下降 沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少, 同樣導(dǎo)致淀積速度會下降,為氣體粘度 為氣體密度 U為氣體速度,5.2 化學(xué)氣相沉積,因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小 原理：由于支座傾斜后，氣流的流過的截面積下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進而導(dǎo)致s(x)沿x減小和hG的增加。從而用加大hG的方法來補償沿支座長度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法淀積硅。,5.2 化學(xué)氣相沉積,化學(xué)氣相沉積的特點,優(yōu)點,即可制作金屬、非金屬薄膜，又可制作多組分合金薄膜； 成膜速率高于LPE和

18、MBE；（幾微米至幾百微米/min？） CVD反應(yīng)可在常壓或低真空進行，繞射性能好； 薄膜純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良好； 薄膜生長溫度低于材料的熔點； 薄膜表面平滑； 輻射損傷小。,5.2 化學(xué)氣相沉積,缺點,參與沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體易燃、易爆或有毒，需環(huán)保措施，有時還有防腐蝕要求； 反應(yīng)溫度還是太高，盡管低于物質(zhì)的熔點；溫度高于PVD技術(shù)，應(yīng)用中受到一定限制； 對基片進行局部表面鍍膜時很困難，不如PVD方便。,5.2 化學(xué)氣相沉積,CVD的分類及其在微電子技術(shù)中的應(yīng)用,5.2 化學(xué)氣相沉積,CVD方法簡介,CVD反應(yīng)體系必須具備三個條件,在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，

19、并能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室； 反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的； 沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，,5.2 化學(xué)氣相沉積,開口體系CVD,包括：氣體凈化系統(tǒng)、氣體測量和控制系統(tǒng)、反應(yīng)器、尾氣處理系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)等。,臥式：,5.2 化學(xué)氣相沉積,感應(yīng)加熱,5.2 化學(xué)氣相沉積,冷壁CVD：器壁和原料區(qū)都不加熱，僅基片被加熱，沉積區(qū)一般采用感應(yīng)加熱或光輻射加熱。缺點是有較大溫差，溫度均勻性問題需特別設(shè)計來克服。 適合反應(yīng)物在室溫下是氣體或具有較高蒸氣壓的液體。,熱壁CVD：器壁和原料區(qū)都是加熱的，反應(yīng)器壁加熱是為了防止反應(yīng)物冷凝。管壁有反應(yīng)物沉積，易剝落造成污染。,臥式

20、反應(yīng)器特點：常壓操作；裝、卸料方便。但是薄膜的均勻性差。,5.2 化學(xué)氣相沉積,開口體系CVD工藝的特點,能連續(xù)地供氣和排氣，物料的運輸一般是靠惰性氣體來實現(xiàn)的。反應(yīng)總處于非平衡狀態(tài)，而有利于形成薄膜沉積層（至少有一種反應(yīng)產(chǎn)物可連續(xù)地從反應(yīng)區(qū)排出）。 在大多數(shù)情況下，開口體系是在一個大氣壓或稍高于一個大氣壓下進行的。但也可在真空下連續(xù)地或脈沖地供氣及不斷地抽出副產(chǎn)物。 開口體系的沉積工藝容易控制，工藝重現(xiàn)性好，工件容易取放，同一裝置可反復(fù)多次使用。 有立式和臥式兩種形式。,5.2 化學(xué)氣相沉積,立式：,氣流垂直于基體，可使氣流以基板為中心均勻分布,5.2 化學(xué)氣相沉積,沉積區(qū)域為球形，基片受熱

21、均勻，反應(yīng)氣體均勻供給；產(chǎn)品的均勻性好，膜層厚度一致，質(zhì)地均勻。,特點？,5.2 化學(xué)氣相沉積,封閉式（閉管沉積系統(tǒng)）CVD,把一定量的反應(yīng)物和適當(dāng)?shù)幕w分別放在反應(yīng)器的兩端，抽空后充入一定的輸運氣體，然后密封，再將反應(yīng)器置于雙溫區(qū)爐內(nèi)，使反應(yīng)管內(nèi)形成溫度梯度。 溫度梯度造成的負(fù)自由能變化是傳輸反應(yīng)的推動力，所以物料從閉管的一端傳輸?shù)搅硪欢瞬⒊练e下來。在理想情況下，閉管反應(yīng)器中所進行的反應(yīng)其平衡常數(shù)值應(yīng)接近于1。,5.2 化學(xué)氣相沉積,溫度梯度2.5/cm,低溫區(qū)T1=T2-13.5,高溫區(qū)T2=850860,5.2 化學(xué)氣相沉積,閉管法的優(yōu)點：污染的機會少，不必連續(xù)抽氣保持反應(yīng)器內(nèi)的真空，可

22、以沉積蒸氣壓高的物質(zhì)。,閉管法的缺點：材料生長速率慢，不適合大批量生長，一次性反應(yīng)器，生長成本高；管內(nèi)壓力檢測困難等。,閉管法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：反應(yīng)器材料選擇、裝料壓力計算、溫度選擇和控制等。,5.2 化學(xué)氣相沉積, 低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）,LPCVD原理,早期CVD技術(shù)以開管系統(tǒng)為主，即Atmosphere Pressure CVD (APCVD)。 近年來，CVD技術(shù)令人注目的新發(fā)展是低壓CVD技術(shù)，即Low Pressure CVD（LPCVD）。 LPCVD原理于APCVD基本相同，主要差別是： 低壓下氣體擴散系數(shù)增大，使氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸速率加快，形成薄膜的反應(yīng)速率增加。

23、,5.2 化學(xué)氣相沉積,5.2 化學(xué)氣相沉積,LPCVD優(yōu)點,（1）低氣壓下氣態(tài)分子的平均自由程增大，反應(yīng)裝置內(nèi)可以快速達(dá)到濃度均一，消除了由氣相濃度梯度帶來的薄膜不均勻性。 （2）薄膜質(zhì)量高：薄膜臺階覆蓋良好；結(jié)構(gòu)完整性好；針孔較少。 （3）沉積速率高。沉積過程主要由表面反應(yīng)速率控制，對溫度變化極為敏感，所以，LPCVD技術(shù)主要控制溫度變量。LPCVD工藝重復(fù)性優(yōu)于APCVD。 （4）臥式LPCVD裝片密度高，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。,5.2 化學(xué)氣相沉積,LPCVD在微電子技術(shù)中的應(yīng)用,廣泛用于沉積摻雜或不摻雜的氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物薄膜，-族化合物薄膜以及鎢、鉬、鉭、鈦等難熔金屬

24、薄膜。,5.2 化學(xué)氣相沉積,等離子化學(xué)氣相沉積,在普通CVD技術(shù)中，產(chǎn)生沉積反應(yīng)所需要的能量是各種方式加熱襯底和反應(yīng)氣體，因此，薄膜沉積溫度一般較高（多數(shù)在9001000）。 容易引起基板變形和組織上的變化， 容易降低基板材料的機械性能； 基板材料與膜層材料在高溫下會相互擴散，形成某些脆性相，降低了兩者的結(jié)合力。,5.2 化學(xué)氣相沉積,如果能在反應(yīng)室內(nèi)形成低溫等離子體（如輝光放電），則可以利用在等離子狀態(tài)下粒子具有的較高能量，使沉積溫度降低。 這種等離子體參與的化學(xué)氣相沉積稱為等離子化學(xué)氣相沉積。用來制備化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超導(dǎo)薄膜等，特別是IC技術(shù)中的表面鈍化和多層布線。,等離

25、子化學(xué)氣相沉積：,Plasma CVD Plasma Associated CVD Plasma Enhanced CVD,這里稱PECVD,5.2 化學(xué)氣相沉積,PECVD是指利用輝光放電的物理作用來激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的CVD技術(shù)。它既包括了化學(xué)氣相沉積技術(shù)，又有輝光放電的增強作用。既有熱化學(xué)反應(yīng)，又有等離子體化學(xué)反應(yīng)。廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、太陽能利用等領(lǐng)域，,按照產(chǎn)生輝光放電等離子方式，可以分為許多類型。,直流輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（DC-PCVD） 射頻輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（RF-PCVD） 微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MW-PCVD） 電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相

26、沉積（ECR-PCVD）,5.2 化學(xué)氣相沉積,5.2 化學(xué)氣相沉積,5.2 化學(xué)氣相沉積,5.2 化學(xué)氣相沉積,等離子體在CVD中的作用：,將反應(yīng)物氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)溫度； 加速反應(yīng)物在表面的擴散作用，提高成膜速率； 對基片和薄膜具有濺射清洗作用，濺射掉結(jié)合不牢的粒子，提高了薄膜和基片的附著力； 由于原子、分子、離子和電子相互碰撞，使形成薄膜的厚度均勻。,5.2 化學(xué)氣相沉積,PECVD的優(yōu)點：,低溫成膜（300-350），對基片影響小，避免了高溫帶來的膜層晶粒粗大及膜層和基片間形成脆性相； 低壓下形成薄膜，膜厚及成分較均勻、針孔少、膜層致密、內(nèi)應(yīng)力小，不易產(chǎn)生裂紋； 擴大了C

27、VD應(yīng)用范圍，特別是在不同基片上制備金屬薄膜、非晶態(tài)無機薄膜、有機聚合物薄膜等； 薄膜的附著力大于普通CVD。,5.2 化學(xué)氣相沉積,PECVD的缺點：,化學(xué)反應(yīng)過程十分復(fù)雜，影響薄膜質(zhì)量的因素較多； 工作頻率、功率、壓力、基板溫度、反應(yīng)氣體分壓、反應(yīng)器的幾何形狀、電極空間、電極材料和抽速等相互影響。 參數(shù)難以控制； 反應(yīng)機理、反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)過程等還不十分清楚。,5.2 化學(xué)氣相沉積,其它化學(xué)氣相沉積方法,（1）MOCVD 是一種利用有機金屬化合物的熱分解反應(yīng)進行氣相外延生長薄膜的CVD技術(shù)。 作為含有化合物半導(dǎo)體元素的原料化合物必須滿足：,常溫下穩(wěn)定且容易處理 反應(yīng)的副產(chǎn)物不應(yīng)妨礙晶體生長

28、，不應(yīng)污染生長層； 室溫附近應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼魵鈮?5.2 化學(xué)氣相沉積,滿足此條件的原材料有：金屬的烷基或芳基衍生物、烴基衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物,MOCVD的優(yōu)點： 沉積溫度低。減少了自污染，提高了薄膜純度，有利于降低空位密度和解決自補償問題；對襯底取向要求低； 沉積過程不存在刻蝕反應(yīng)，沉積速率易于控制； 幾乎可以生長所有化合物和合金半導(dǎo)體； 反應(yīng)裝置容易設(shè)計，生長溫度范圍較寬，易于控制，可大批量生產(chǎn)； 可在藍(lán)寶石、尖晶石基片上實現(xiàn)外延生長,5.2 化學(xué)氣相沉積,MOCVD的主要缺點：, 許多金屬有機化合物有毒、易燃，給有機金屬化合物的制備、貯存、運輸和使用帶來困難，必須采取嚴(yán)格的

29、防護措施； 由于反應(yīng)溫度低，有些金屬有機化合物在氣相中就發(fā)生反應(yīng)，生成固態(tài)微粒再沉積在襯底表面，形成薄膜中的雜質(zhì)顆粒，破壞了膜的完整性。,5.2 化學(xué)氣相沉積,(2) 光CVD 是利用光能使氣體分解，增加反應(yīng)氣體的化學(xué)活性，促進氣體之間化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。 (3) 電子回旋共振（ECR）等離子體沉積 在反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)入微波能和磁場，使得電子的回旋運動和微波發(fā)生共振現(xiàn)象。電子和氣體碰撞，促進放電，從而可以在較高的真空度和較低的溫度下發(fā)生反應(yīng)，獲得高質(zhì)量的薄膜。 可在半導(dǎo)體基板上淀積導(dǎo)電薄膜，絕緣介質(zhì)薄膜，鈷鎳合金薄膜以及氧化物高Tc超導(dǎo)薄膜。,5.2 化學(xué)氣相沉積,“物理氣相沉積” 通常指滿

30、足下面三個步驟的一類薄膜生長技術(shù):,所生長的材料以物理的方式由固體轉(zhuǎn)化為氣體 生長材料的蒸汽經(jīng)過一個低壓區(qū)域到達(dá)襯底 蒸汽在襯底表面上凝結(jié)，形成薄膜,5.3 物理氣相沉積,成膜機理?真空蒸發(fā)所得到的薄膜，一般都是多晶膜或無定形膜，經(jīng)歷成核和成膜兩個過程。蒸發(fā)的原子（或分子）碰撞到基片時，或是永久附著在基片上，或是吸附后再蒸發(fā)而離開基片，其中有一部分直接從基片表面反射回去。粘附在基片表面的原子（或分子）由于熱運動可沿表面移動，如碰上其它原子便積聚成團。這種團最易于發(fā)生在基片表面應(yīng)力高的地方，或在晶體襯底的解理階梯上，因為這使吸附原子的自由能最小。這就是成核過程。進一步的原子（分子）淀積使上述島狀

31、的團（晶核）不斷擴大，直至展延成連續(xù)的薄膜。,5.3 物理氣相沉積,Natural World “Atomic-World”,Target/evaporated source Substrate surface Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity, Contamination Vacuum,Cloud Earth surface - ground Natural rain Snow Hail Thunder storm Dust, Pollution Environmental protection,Cloud,原子層的晶體生長“

32、世界”與自然世界的比擬,Substrate,Substrate,Substrate,Substrate,Substrate,原子團簇,島,薄膜,熱運動,5.3 物理氣相沉積,其它生長模式,Frank-van der Merve Mode Layer by Layer ( 2D ),襯底,襯底,襯底,Stranski-Krastanov Mode Layer Plus Island Growth ( 2D-3D ),Volmer-Weber Mode Island Growth ( 3D ),5.3 物理氣相沉積,PVD所需實驗條件,高真空 (HV) 高純材料 清潔和光滑的襯底表面 提供能量的電

33、源,5.3 物理氣相沉積,PVD的通用實驗配置,靶材,襯底,真空室,真空泵,厚度監(jiān)控儀,充氣管道,反應(yīng)氣體管道,Plume,5.3 物理氣相沉積,一、蒸發(fā)鍍膜,基本思想：將材料置于某種容器內(nèi),升高溫度，熔解并蒸發(fā)材料,5.3 物理氣相沉積,1、電阻式熱蒸發(fā),將用高熔點金屬(W, Mo, Ta, Nb)制成的加熱絲或舟通上直流電，利用歐姆熱加熱材料,加熱電阻絲、舟或坩堝,5.3 物理氣相沉積,常用蒸發(fā)源,加熱絲,加熱舟,坩堝,盒狀源（Knudsen Cell）,5.3 物理氣相沉積,將用絕緣材料(quartz, graphite, alumina, beryllia, zirconia)制成的坩

34、堝通上射頻交流電，利用電磁感應(yīng)加熱材料,2、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā),特點：加熱均勻,5.3 物理氣相沉積,3、電子束蒸發(fā) 電子束蒸發(fā)方法:用高能聚焦的電子束熔解并蒸發(fā)材料,電子束加熱原理:是基于電子在電場作用下,獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料,使蒸發(fā)材料加熱氣化,5.3 物理氣相沉積,電子束蒸發(fā)裝置組成: 電子束加熱槍： 燈絲+加速電極+偏轉(zhuǎn)磁場組成 蒸發(fā)坩堝：陶瓷坩堝或水冷銅坩堝,被蒸發(fā)的材料是放在水冷的坩堝中,因而可以避免容器材料的蒸發(fā),不與坩堝材料交叉污染，清潔。 只有小塊區(qū)域被電子束轟擊 - 坩堝內(nèi)部形成一個虛的“坩堝” - “skulling” 可以制備難熔金屬薄膜,如W,Mo,Ge等和氧

35、化物薄膜,如SiO2,Al2O3等.特別是制備高純度薄膜. 可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā) 可以比較精確地控制蒸發(fā)速率； 電離率比較低,電子束蒸發(fā)的特點,5.3 物理氣相沉積,E-Gun Crucible,Substrate fixture,5.3 物理氣相沉積,常用蒸發(fā)材料形態(tài),5.3 物理氣相沉積,4、脈沖激光沉積,用高能聚焦激光束轟擊靶材,5.3 物理氣相沉積,激光束的斑點很小,蒸發(fā)只發(fā)生在光斑周圍的局部區(qū)域, 可以避免坩堝材料對蒸發(fā)材料的污染,提高薄膜純度, 激光加熱源,功率密度高,可以蒸發(fā)任何高熔點的材料,沉積含有不同熔點材料的化合物薄膜可保證成分的比例,特別適合于蒸發(fā)那些成分比較復(fù)雜的

36、合金或化合物材料.蒸氣的成分與靶材料基本相同，沒有偏析現(xiàn)象 蒸發(fā)量可以由脈沖的數(shù)量定量控制；有利于薄膜厚度控制； 光束滲透深度小 100 A, 蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面 由于激光能量密度的限制，薄膜均勻性比較差； 不要求高真空，但激光器價格昂貴,脈沖激光蒸發(fā)的特點,5.3 物理氣相沉積,5.3 物理氣相沉積,5、多組分薄膜的蒸發(fā)方法,多源順序蒸發(fā),形成多層膜,再進行要退火,5.3 物理氣相沉積,臺階和犁溝的陰影效應(yīng): 蒸發(fā)分子流受到工件形狀的影響導(dǎo)致陰影效應(yīng)； 臺階的陰影效應(yīng)； 與臺階的高度和臺階與蒸發(fā)源的相對位置有關(guān)； 旋轉(zhuǎn)基片不能改善臺階的陰影效應(yīng) 犁溝的自封閉； 犁溝的自封閉與犁溝的深度和寬

37、度有關(guān)；,6、薄膜的均勻性,5.3 物理氣相沉積,蒸發(fā)源純度的影響：加熱器、坩堝、支撐材料等的污染； 殘余氣體的影響：殘留氣體在襯底上形成一單原子層所需時間,7、薄膜的純度,生長材料的分子,殘留氣體分子,Substrate,5.3 物理氣相沉積,提高薄膜純度的方法： 降低殘余氣體分壓,提高真空度； 提高基片溫度,提高沉積速率；,二、濺射鍍膜,濺射鍍膜是利用電場對輝光放電過程中產(chǎn)生出來的帶電離子進行加速，使其獲得一定的動能后，轟擊靶電極，將靶電極的原子濺射出來，沉積到襯底形成薄膜的方法。,5.3 物理氣相沉積,輝光放電,Al靶,Al膜,濺射沉積薄膜原理,陽,陰,避免金屬 原子氧化,真空,Ar氣,

38、Ar+,Al膜與硅片之間的結(jié)合力比蒸發(fā)法要好,Al靶,5.3 物理氣相沉積,濺射過程的物理模型,5.3 物理氣相沉積,濺射靶材,濺射特性參數(shù),（1）濺射閾值：使靶材料原子發(fā)生濺射所需的最小入射離子能量，低于該值不能發(fā)生濺射。大多數(shù)金屬該值為1020eV。,（2）濺射率：正離子轟擊靶陰極時平均每個正離子能從靶材中打擊出的粒子數(shù)，又稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù)，S。,S = Ns / Ni,Ni-入射到靶表面的粒子數(shù) Ns-從靶表面濺射出來的粒子數(shù),5.3 物理氣相沉積,影響因素, 入射離子能量,5.3 物理氣相沉積, 靶材種類, 入射離子種類,濺射率與靶材元素在周期表中的位置有關(guān)。,一般規(guī)律：濺射率隨靶

39、材元素的原子序數(shù)增大而增大 Cu、Ag、Au 較大 C、Si、Ti、V、Ta、W等 較小,濺射率依賴于入射離子的能量，相對原子質(zhì)量越大，濺射率越高。 濺射率隨原子序數(shù)發(fā)生周期性變化，每一周期電子殼層填滿的元素具有最大的濺射率。 惰性氣體的濺射率最高。,5.3 物理氣相沉積, 入射角,入射角是入射離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角, 濺射溫度,靶材,5.3 物理氣相沉積,（3）濺射出的粒子,從靶材上被濺射下來的物質(zhì)微粒，主要參數(shù)有：粒子狀態(tài)、粒子能量和速度。,濺射粒子的狀態(tài)與入射離子的能量有關(guān) 濺射粒子的能量與靶材、入射離子的種類和能量以及濺射粒子的方向性有關(guān)，其能量可比蒸發(fā)原子的能量大

40、12個數(shù)量級。,（4）濺射粒子的角分布,濺射原子的角度分布符合Knudsen的余弦定律。也與入射原子的方向性、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。,5.3 物理氣相沉積,設(shè)備簡單，操作方便，適合于濺射金屬薄膜 但直流濺射中靶材只接收正離子,如果靶材是絕緣材料,陰極表面聚集的大量正離子無法被電子中和使其電位不斷上升,陰陽兩極電勢減小,使濺射不能持續(xù)進行.,1、直流濺射,惰性氣體,5.3 物理氣相沉積,與直流濺射相比,濺射電壓低,可以濺射絕緣靶材，制備介質(zhì)薄膜,射頻濺射原理:交變電場使得靶材正半周接收電子,負(fù)半周接收正離子,相互中和,從而使陰陽兩極電位的大小保持穩(wěn)定,使濺射能夠持續(xù)進行.,2、射頻濺射,惰性氣體,5.

41、3 物理氣相沉積,3、反應(yīng)濺射,活性氣體+惰性氣體,可以制備化合物薄膜,5.3 物理氣相沉積,4、磁控濺射,磁控濺射：使電子的路徑不再是直線，而是螺旋線，增加了與氣體原子發(fā)生碰撞的幾率，在同樣的電壓和氣壓下可以提高氣體電離的效率，提高了沉積速率,5.3 物理氣相沉積,DC ( 導(dǎo)電材料 ) RF ( 絕緣介質(zhì)材料 ) 反應(yīng) (氧化物、氮化物) 或不反應(yīng) ( 金屬 ),5.3 物理氣相沉積,附加磁場的優(yōu)點,限制濺射離子的軌道 增加離子在氣體中停留的時間 增強等離子體和電離過程 減少濺射原子從靶材到襯底路程中的碰撞 高磁場附近的產(chǎn)值比較高,5.3 物理氣相沉積,磁控濺射中的重要參數(shù),濺射電流 (

42、生長速率 ) 壓強 ( 濺射粒子的最高能量 ) 靶材-襯底之間的距離 (多孔性、質(zhì)地、晶體性） 反應(yīng)氣體混合比 ( 化學(xué)配比 ) 襯底溫度 ( 晶體性、密度和均勻性 ) 襯底偏壓 ( 薄膜結(jié)構(gòu)和化學(xué)配比 ),5.3 物理氣相沉積,5. 離子束濺射,采用單獨的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子，原理見下圖。目前已有直徑10cm的寬束離子源用于濺射鍍膜。,優(yōu)點：轟擊離子的能量和束流密度獨立可控，基片不直接接觸等離子體，有利于控制膜層質(zhì)量。,缺點：速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難,5.3 物理氣相沉積,三、離子成膜,1. 離子鍍及其原理：,真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時，采用帶能離子轟

43、擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進行的鍍膜技術(shù)。即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。,5.3 物理氣相沉積, 真空度 放電氣體種類與壓強 蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大小 襯底負(fù)偏壓與離子電流 襯底溫度 襯底與蒸發(fā)源的相對距離。,主要影響因素：,5.3 物理氣相沉積,真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的沉積粒子所帶的能量不同。,真空蒸鍍：熱蒸鍍原子約0.2 eV 濺射：濺射原子約1-50 eV 離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千eV,離子鍍的目的：提高膜層

44、與基片之間的結(jié)合強度。離子轟擊可消除污染、還能形成共混過渡層、實現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。,5.3 物理氣相沉積,蒸鍍和濺射都可以發(fā)展為離子鍍。,例如，蒸鍍時在基片上加上負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，數(shù)百eV能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見下圖。,2 離子鍍的類型和特點,離子鍍設(shè)備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊過程，離子鍍設(shè)備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。,（1） 空心陰極離子鍍（HCD）,國內(nèi)外常見的設(shè)備類型如下,HCD法利用空心熱陰極的弧光放電產(chǎn)生等離子體（空心鉭管為陰極，輔助陽極） 鍍料是陽極 弧光放電時，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實現(xiàn)蒸鍍

45、蒸鍍時基片上加負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引Ar離子向基片轟擊，實現(xiàn)離子鍍,5.3 物理氣相沉積,5.3 物理氣相沉積,（2）多弧離子鍍,原 理：多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，裝置無需熔池，原理如圖所示。電弧的引燃依靠引弧陽極與陰極的觸發(fā)，弧光放電僅僅在靶材表面的一個或幾個密集的弧斑處進行。,5.3 物理氣相沉積,弧斑直徑小于100um；弧斑電流密度105-107A/cm2；溫度8000-40000K,弧斑噴出的物質(zhì)包括電子、離子、原子和液滴。大部分為離子。,特 點：直接從陰極產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，使夾具大為簡化。,（3）離子

46、束輔助沉積,低能的離子束1用于轟擊靶材，使靶材原子濺射并沉積在基底上； 離子束2起轟擊（注入）作用，同時，可在室溫或近似室溫下合成具有良好性能的 合金、化合物、特種膜層，以滿足對材料表面改性的需要。,5.3 物理氣相沉積,5.4 外延膜沉積技術(shù),外延是指沉積膜與基片之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系時，在基片上取向或單晶生長同一物質(zhì)的方法。 當(dāng)外延膜在同一種材料上生長時，稱為同質(zhì)外延，如果外延是在不同材料上生長則稱為異質(zhì)外延。外延用于生長元素、半導(dǎo)體化合物和合金薄結(jié)晶層。這一方法可以較好地控制膜的純度、膜的完整性以及摻雜級別。,外延特點：生成的晶體結(jié)構(gòu)良好；摻入的雜質(zhì)濃度易控制；可形成接近突變pn結(jié)的特點,5

47、.4 外延膜沉積技術(shù),外延分類：, 按工藝分類,A 氣相外延（VPE）：利用硅的氣態(tài)化合物或者液態(tài)化合物的蒸汽，在加熱的硅襯底表面和氫發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生分解還原出硅。,B 液相外延（LPE）：襯底在液相中，液相中析出的物質(zhì)并以單晶形式淀積在襯底表面的過程。 此法廣泛應(yīng)用于III-V族化合半導(dǎo)體的生長。原因是化合物在高溫下易分解，液相外延可以在較低的溫度下完成。,C 固相外延（SPE） D 分子束外延（MBE）：在超高真空條件下，利用薄膜組分元素受熱蒸發(fā)所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到襯底表面，并在其上形成外延層的技術(shù)。特點：生長時襯底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布可以實現(xiàn)原子

48、級的精確控制。,5.4 外延膜沉積技術(shù), 按導(dǎo)電類型分類,n型外延：n/n, n/p外延；p型外延：p/n, p/p外延, 按反應(yīng)室形式,臥式：產(chǎn)量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單；但是生成的外延層的厚度和電阻率的均勻性較差，外延生長時易出現(xiàn)滑移位錯及片子彎曲。 立式：維護容易，外延層的厚度和電阻率的均勻性及自摻雜效應(yīng)能得到較好的控制；但設(shè)備大型話，制造難度大。 桶式：較好的防止外延滑移位錯，外延層的厚度和電阻率的均勻性好； 但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護。, 按材料異同分類,同質(zhì)外延（autoepitaxy）：外延層和襯底為同種材料 例如硅上外延硅。 異質(zhì)外延（heteroepitaxy）：外延層和襯底為不同種材

49、料。例如SOI(絕緣體上硅)是一種特殊的硅片，其結(jié)構(gòu)的主要特點是在有源層和襯底層之間插入絕緣層 埋氧層來隔斷有源層和襯底之間的電氣連接 ),5.4 外延膜沉積技術(shù), 按電阻率高低分類,正外延：低阻襯底上外延高阻層n/n+ 反外延：高阻襯底上外延低阻層,硅的氣相外延,（1） 原理：在氣相外延生長過程中，有兩步：,質(zhì)量輸運過程反應(yīng)劑輸運到襯底表面,表面反應(yīng)過程在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出硅原子, 外延的過程,5.4 外延膜沉積技術(shù), 外延反應(yīng)劑,通常用的外延反應(yīng)劑：,SiCl4 (*)、SiH2Cl2、 SiH4 、SiHCl3, SiCl4外延反應(yīng),H2的作用：運載和稀釋氣體；還原劑,上述兩個反

50、應(yīng)的綜合結(jié)果外延生長的同時伴隨有襯底的腐蝕。,5.4 外延膜沉積技術(shù),原理圖：,5.4 外延膜沉積技術(shù),（2） 外延生長速率, 控制外延速率很關(guān)鍵,過快可能造成：多晶生長；外延層中有過多的堆跺層錯；夾渣,5.4 外延膜沉積技術(shù), 影響外延生長速率的因素,A 反應(yīng)劑的濃度,工業(yè)典型條件Y=0.005-0.01,5.4 外延膜沉積技術(shù), 影響外延生長速率的因素,B 外延的溫度,在實際生產(chǎn)中：外延溫度選擇在B區(qū)原因有二。 a） B區(qū)的溫度依賴型強； b） 淀積的硅原子也需要足夠的能量和遷移能力，高溫,5.4 外延膜沉積技術(shù), 影響外延生長速率的因素,C 氣體流速,由于1200高溫下到達(dá)襯底表面的不會

51、堆積：因此流速越大，外延層的生長速率越快。,5.4 外延膜沉積技術(shù), 系統(tǒng)要求,氣密性好； 溫度均勻； 氣流均勻； 反應(yīng)劑和摻雜劑的濃度和流量精確可控； 外延前能對襯底做氣相拋光；,5.4 外延膜沉積技術(shù),（3） 系統(tǒng)及工序,5.4 外延膜沉積技術(shù),分子束外延（MBE) 分子束外延是在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強度，并使其在加熱的基片上進行外延生長的一種技術(shù)。從本質(zhì)上講，分子束外延也屬于真空蒸發(fā)方法。,5.4 外延膜沉積技術(shù),1、分子束外延,（2）設(shè)備,第4章 外延工藝 三、其它外延,134,134,2、異質(zhì)外延 （1）概述,異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，如SO

52、S材料就是Si/Al2O3異質(zhì)外延材料，一些薄膜集成電路就是采用的SOS材料。,第4章 外延工藝 三、其它外延,分子束外延（MBE)特點 (1)由于系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體(如殘余氣體)不易進人薄膜，薄膜的純度高。 (2)外延生長一般可在低溫下進行。 (3)可嚴(yán)格控制薄膜成分以及摻雜濃度。 (4)對薄膜進行原位檢測分析，從而可以嚴(yán)格控制薄膜的生長及性質(zhì)。 當(dāng)然，分子束外延生長方法也存在著一些問題，如設(shè)備昂貴、維護費用高、生長時間過長、不易大規(guī)模生產(chǎn)等。,5.4 外延膜沉積技術(shù),分子束外延的基本裝置由超高真空室(背景氣壓1.3X10-9Pa),基片加熱塊、分子束盒、反應(yīng)氣體進入管、交換樣品的

53、過渡室組成。外，生長室包含許多其他分析設(shè)備用于原位監(jiān)視和檢測基片表面和膜，以便使連續(xù)制備高質(zhì)量外延生長膜的條件最優(yōu)化。除了具有使用高純元素。,5.4 外延膜沉積技術(shù),液相外延生長(LPE) 液相外延生長原則上講是從液相中生長膜，溶有待鍍材料的溶液是液相外延生長中必需的。當(dāng)冷卻時，待鍍材料從溶液中析出并在相關(guān)的基片上生長。對于液相外延生長制備薄膜，溶液和基片在系統(tǒng)中保持分離。在適當(dāng)?shù)纳L溫度下，溶液因含有待鍍材料而達(dá)到飽和狀態(tài)。然后將溶液與基片的表面接觸，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，一段時間后即可獲得所要的薄膜，而且，在膜中也很容易引人摻雜物。,5.4 外延膜沉積技術(shù),熱壁外延生長(HWE) 熱壁外延是

54、一種真空沉積技術(shù)，在這一技術(shù)中外延膜幾乎在接近熱平衡條件下生長，這一生長過程是通過加熱源材料與基片材料間的容器壁來實現(xiàn)的。 蒸發(fā)材料的損失保持在最小; 生長管中可以得到潔凈的環(huán)境; 管內(nèi)可以保待相對較高的氣壓; 源和基片間的溫差可以大幅度降低。,5.4 外延膜沉積技術(shù),異質(zhì)外延：異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3異質(zhì)外延材料，一些薄膜集成電路就是采用的SOS材料。,襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象 襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避免生長的外延層由生長溫度冷卻至室溫時，熱膨脹產(chǎn)生殘余應(yīng)力，截面位錯，甚至外延層破裂現(xiàn)

55、象發(fā)生 襯底與外延層晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象,5.4 外延膜沉積技術(shù),異質(zhì)外延的相容性,異質(zhì)外延的失配率,其中：a外延層參數(shù)； a襯底參數(shù)。 有熱膨脹系數(shù)失配率和晶格常數(shù)失配率,5.4 外延膜沉積技術(shù),異質(zhì)外延的反相疇,又叫反相混亂，例如非極性的Si上生長極性GaAs在生長的初期Si襯底上有的區(qū)域附著Ga，有的區(qū)域附著As，不能形成單相的GaAs層，這就叫反相疇。 因此常用MBE法外延GaAs。,5.4 外延膜沉積技術(shù),傳統(tǒng)同質(zhì)外延生長，單晶半導(dǎo)體層是生長在單晶的半導(dǎo)體襯底上此半導(dǎo)體層和襯底為相同的材料，

56、有相同的晶格常數(shù)因此同質(zhì)外延是名符其實的晶格匹配外延工藝同質(zhì)外延工藝提供了一種控制摻雜濃度分布的重要方法，使器件和電路表現(xiàn)可以最佳化例如，濃度相對低的n型硅層可以外延生長在n+硅襯底上，此種結(jié)構(gòu)可大幅度降低襯底的串聯(lián)電阻 對異質(zhì)外延而言，外延層和襯底是兩種不同的半導(dǎo)體，且外延層的生長必須維持理想的界面結(jié)構(gòu)，這表示穿過界面的化學(xué)鍵必須連續(xù)而不被打斷因此這兩種半導(dǎo)體必須擁有相同的晶格間距，或者可變形去接受一共同間距此兩種情況分別稱為晶格匹配(Iattice-matched)外延和形變層(strain-layer)外延,晶格匹配的構(gòu)造和缺陷,5.4 外延膜的構(gòu)造和缺陷,圖 (a)表示襯底和薄膜有相同晶格常數(shù)的晶格匹配外延一個重要例子是AlxGa1-xAs在砷化鎵襯底上的外延生長，其中x在0至1之間 AlxGa1-xAs的晶格常數(shù)和砷化鎵的晶格常數(shù)之間不同程度小于0.13,5