化学气相沉积(CVD)PPT演示课件

8.3化学气相沉积（CVD）,定义：利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态淀积物的过程ChemicalVaporDeposition(CVD)，Vaporphaseepitaxy(VPE)；,不需要高真空；可沉积各种金属，半导体，无机物，有机物；可控制材料的化学计量比；批量生产，半连续流程；,1,CVD技术的在工业生产中的重要性,2,气体活化方式的不同：普通CVD、等离子体增强CVD(PECVD)，光CVD；金属有机源CVD(MOCVD)等;低压CVD(LPCVD,10100Pa)，常压CVD(APCVD,1atm)高温CVD(500oC)，低温CVD(hg,hgks,低温下hgks高温下kshg,78,DepositionrateofSifromfourdifferentprecursorgasesasafunctionoftemperature.,79,4、热力学影响：,80,81,Chemicalreactionenergetics,(a)Activationenergyforforwardexothermicreactionislessthanforreverseendothermicreaction,(b)Activationenergyforforwardendothermicreactionisgreaterthanforreverseexothermicreaction.,4、热力学影响：,82,五、热CVD过程,热CVD:利用热能激活反应气体以及气固相反应,等离子体CVD:等离子体激活反应气体,热CVD：高温和低温CVD，常压和低压CVD，冷壁和热壁CVD，封闭和开放式CVD,热CVD系统的组成：,配气和流量测量系统加热系统反应副产物和剩余气体的排出系统,83,1、常压高温CVD：,外延Si沉积设备,TiC，TiN，Al2O3等沉积设备,84,SiO2的沉积（低温CVD）:两个不同的反应过程,批量制备,85,2、低压CVD：,可同时更大批量生长；高沉积速率；改善薄膜厚度均匀性；改善覆盖均匀性；更好地控制薄膜的化学计量比和污染；材料质量高(pinhole),RPCVD(1100torr);LPCVD(110mtorr);UVCVD(10-7torr),气体扩散速率提高,86,3、激光增强LECVD：,两种机制：,热解机制光分解机制,容易有碳污染,87,(a)Pyrolyticand(b)photolyticlaser-inducedchemical-vapordepositionoffilms,88,4、等离子体增强PECVD：,Lowtemperature，RF，E=110eV,89,Reinberg-typecylindricalradial-flowplasmareactorforthedepositionofsilicon-nitridefilms.,90,ECRplasmadepositionreactor.,91,热壁反应器,5.冷、热壁CVD（hot-andcold-wallCVDreactors）,92,热壁CVD反应器,热壁CVD优点：操作简单；可容纳几个基体；可在一定的压力和温度范围内操作；基体相对于气流的方向可以不同；主要缺点：沉积不仅发生在基体上也发生在反应器壁上；膜层会从器壁上脱落并污染基体；被膜层覆盖的器壁表面积分数在实验期间以及从一个实验到另一个实验会发生变化，导致沉积条件的重复性问题；,93,热壁CVD的应用：由于上述原因，热壁反应器主要被用于实验室研究给定前驱体做CVD的可行性。因为巨大的受热表面积能完全消耗前驱体并提供高的反应产物产率，因此，热壁CVD也常常用于确定反应产物的分布。热壁反应器通常不在工业上使用或者用于反应动力学的定量测量；然而，却广泛用于具有高蒸气压前驱体的半导体和氧化物的CVD。,94,冷壁反应器,95,冷壁反应器的特点及应用：冷壁反应器CVD被广泛用于实验室和工业生产；尽管冷壁反应器相对于气流不同的方向通常仅容纳一片半导体晶片，但是可以控制压力和温度，可以使用等离子体，反应器壁上不会发生沉积，不易发生同质反应(homogeneousreactions)，能获得比热壁反应器高的沉积速率；由于易于实现表面反应控制的动力学(surface-reaction-limitedkinetics)，冷壁反应器也被用于测量动力学参数；对于生产应用通常选择单一晶片冷壁反应器，因为这样能更好地控制涂层性能。,96,6.选择性CVD(selectiveCVD),金属的选择性CVD的某些代表性研究结果,97,MBE过程,98,SimplifiedschematicofaIII-VMOCVDsystemshowingthegasdeliverysystemandverticalrotatingdiskreactor.,MOCVD过程,99,100,液相外延生长,101,6.选择性CVD(selectiveCVD),对区域选择性CVD（area-selectiveCVD）:一种金属或者半导体（例如Si）作为生长表面，而SiO2作为非生长表面;机理:1、前驱体在非生长表面上的反应速率比其在生长表面和生长膜上的反应速率慢；2、生长表面（即，Si）作为一种还原剂而且是选择性的，被一种前驱体（例如WF6orMoF6）牺牲性地消耗，而非生长表面提供一种较慢的反应速率，因为没有还原剂存在。3、在生长表面(即某一种金属)上，而不是在邻近非生长表面上（SiO2ormetaloxide）发生一种化学反应，例如，某一种反应物（一种还原剂，H2）的分解。,102,4、通过辐射（常常上光化学驱动反应）增加生长表面上的速率，而非辐射的非生长表面提供一种慢的热驱动反应。5、非生长表面的选择性钝化在非生长表面上阻止前驱体的吸附和反应，而吸附和反应易于在生长表面上发生。6、反应在生长和非生长表面上都进行，但是存在一个自由能障碍，从而抑制在非生长表面上的成核，而在起始的生长表面上存在一个较小的障碍允许物理吸附发生。,103,MOCVD系统,其它相关问题,104,105,106,107,EpigressCVDproducts,VP508R&Dsystem,系统实例,108,浙江大学硅材料国家重点实验室,立式高真空MOCVD系统生长GaN,中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司,109,110,1片,3片,6片,6x3=18片,从单片至三片是一个突破，从三片结构，可以很方便地扩展到六片或更多片系统,公转和自转机构示意图公转和自转可独立控制，石英支架传递动力同时将高温区和齿轮部件隔开。用磁流体轴承密封。,111,112,加热方式,Thedischeatingsystem(emcore)-theelectricresistance-therf,113,漂浮衬底,114,试验型单室反应器,115,116,化学气相沉积台,117,CVD傳輸及反應步驟圖,圖11.8,118,CVD之氣體流,圖11.9,119,晶圓表面上之氣流動態,圖11.10,120,CVD沈積系統,CVD設備設計CVD反應器加熱CVD反應器構造CVD反應器摘要常壓CVD(APCVD)低壓CVD(LPCVD)電漿CVD電漿增強CVD(PECVD)高密度電漿CVD(HDPCVD),121,CVD反應器形式,圖11.11,122,CVD反應器形式及其主要特性,表11.2,123,連續製程的APCVD反應器,圖11.12,124,APCVDTEOS-O3之改善的階梯覆蓋,圖11.3,以化學氣相沈積充填溝渠,溝渠CVD氧化物,氮化物,n井,p井,內側氧化層,p磊晶層,p+矽基板,125,PSG再熱流後之平坦表面,圖11.14,126,晶圓表面之邊界層,圖11.15,127,LPCVD反應室,圖11.16,128,用TEOSLPCVD的氧化物沈積,圖11.17,溫度控制器,129,MOS元件經摻雜的多晶矽作為閘極電極之重要原因,電阻率可由摻雜而定。和SiO2的介面品質佳。可適合於後續的高溫製程。比金屬電極(如鋁)可靠度高。於陡峭外形上沈積均勻。可用於自我對準閘極製程(見第12章)。,130,摻雜的多晶矽作為閘極電極,圖11.18,多晶矽閘極,n井,p井,p磊晶層,p矽基板,131,在CVD中使用電漿的優點,低的製程溫度(250至450)。對於高深寬比間隙有很好的填溝(使用高密度電漿)。對晶圓有好的薄膜附著。高的沈積速率。由於針孔及孔洞小，有高的薄膜密度。由於製程溫度低，應用範圍廣。,132,電漿CVD之薄膜形成,圖11.19,133,一般PECVD構造,圖11.20,134,LPCVD和PECVD氮化矽性質,表11.3,135,高密度電漿沈積反應室,(PhotocourtesyofAppliedMaterials,Inc.),照片11.4,1900年代中期被廣泛使用高密度的混合氣體朝向晶圓表面所沈積的薄膜可充填高深寬比間隙有各種不同高密度電漿源晶圓偏壓及熱負載同時沈積及蝕刻,136,沈積蝕刻沈積製程,圖11.21,137,HDPCVD製程的5個步驟,離子感應沈積濺鍍蝕刻再沈積熱中性CVD反射,138,在HDPCVD中晶圓在渦輪幫浦之頸部,圖11.22,139,介電質及特性,介電常數填溝晶片特性低K介電質要求高K介電常數元件隔離區域氧化淺溝渠隔離,140,介電質填溝的三個步驟,圖11.23,141,用於ULSI內連接ILD有潛力的低k材料,表11.4,142,內連線延遲(RC)和大小尺度(m),圖11.24,143,總內連線電容,76543210,00.51.01.52.02.53.0,K=4,K=3,K=2,K=1,RedrawnwithpermissionfromSemiconductorInternational,September1998,圖11.25,144,低k介電質薄膜之要求,表11.5,145,一般DRAM堆疊式電容之圖形,圖11.26,146,淺溝渠隔離,(MicrographcourtesyofIntergratedCircuitEngineering),照片11.5,147,旋塗式介電質,旋塗式玻璃(SOG)旋塗式介電質(SOD)磊晶磊晶成長方法氣相磊晶(VPE)有機金屬CVD(MOCVD)分子束磊晶(MBE)CVD品質測量CVD問題解決,148,以旋塗式玻璃(SOG)填溝,圖11.27,149,HSQ低k介電質製程參數,表11.6,150,磊晶,磊晶成長模式磊晶成長方法氣相磊晶(VPE)有機金屬CVD(MOCVD)分子束磊晶(MBE),151,矽晶圓上之矽磊晶成長,圖11.28,152,氣相磊晶圖,圖11.29,153,矽氣相磊晶反應器,圖11.30,154,金屬階梯覆蓋ILD之主洞缺陷,(a)以PECVD沈積SiO2,圖11.31,155,156,350RPM,700RPM,1400RPM,气流,温度,157,158,159,160,16