薄膜淀积工艺(上)PPT课件

.,1,第五章薄膜淀积工艺（上）,.,2,薄膜淀积（ThinFilmDeposition）工艺,概述真空技术与等离子体简介(第10章)化学气相淀积工艺(第13章)物理气相淀积工艺(第12章)小结,参考资料：微电子制造科学原理与工程技术第10、12、13章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,.,3,一、概述,薄膜淀积工艺是IC制造中的重要组成部分：在硅表面以上的器件结构层绝大部分是由淀积工艺形成的。,1、薄膜淀积工艺的应用,.,4,2、薄膜淀积工艺一般可分为两类：,(1)化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition）：利用化学反应生成所需薄膜材料，常用于各种介质材料和半导体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。(2)物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition）：利用物理机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，如铝、钨、钛等。,(3)其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等,.,5,3、评价薄膜淀积工艺的主要指标：,(1)薄膜质量：组分、污染、缺陷密度、机械性能和电学性能(2)薄膜厚度及其均匀性：表面形貌和台阶覆盖能力,(3)薄膜的间隙填充（GapFilling）能力,.,6,深宽比（AspectRatio）：,.,7,1、气体分子的质量输运机制：低压CVD2、等离子体产生机制：溅射、等离子体增强CVD、反应离子刻蚀等3、无污染的加工环境：蒸发、分子束外延4、气体分子的长自由程输运：离子注入,二、真空技术和等离子体简介,（一）微电子制造涉及的真空技术,.,8,1、标准环境条件：温度为20，相对湿度为65%，大气压强为：101325Pa=1013.25mbar=760Torr2、压强单位：帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa=1N/m2标准大气压（atm）：压强单位，1atm=101325Pa乇（Torr）：压强单位，1Torr=1/760atm，1Torr=1mmHg毫巴（mbar）：压强单位，1mbar=102Pa其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）,（二）真空基础知识,.,9,3、气体动力学理论推导的几个公式：,注意：这些公式只在TW从左边入口通入硅烷（SiH4）和氢气（H2），硅烷分解生成多晶硅，H2用做稀释剂（硅烷占总进气量的1）气体在进入反应腔时，温度与管道壁相同,反应生成物和未反应的气体从右边出口流出腔体中气流足够慢，反应腔压强是均匀的,.,22,2、SiCVD反应器中发生的总反应：,其中，g代表气态物质，s代表固态物质。,(1)当反应是在腔内气体中自发发生（与位置无关）时，称该反应为同质过程（HomogeneousProcess）,气体中存在大量固体硅颗粒，导致淀积层表面形态和均匀性差,(2)当反应仅在硅片表面处发生并形成固体时，称该反应为异质过程（HeterogeneousProcess）,在SiCVD系统中，发生的同质反应是：,在SiCVD系统中，发生的异质反应是：,.,23,图13.3SiCVD过程中硅片表面模型,淀积均匀性提高,分子被吸附在硅片表面后发生化学反应，形成硅原子并释放出氢：,吸附过程,a代表被吸附的物质,表面总反应,吸附在硅表面的H2被解吸附，留下空位，使反应可继续进行。被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直到找到空位成键。表面扩散长度长时，淀积均匀；表面扩散长度短时，淀积不均匀。温度上升，扩散长度提高,.,24,3、一个典型的SiCVD工艺可分为以下几个步骤：,(1)反应气体从腔体入口向硅片附近的输运(2)气体反应产生中间物质分子：,(3)中间反应物SiH2输运到硅片表面（吸附）(4)表面反应释放出反应产物并淀积到硅片表面,(5)气体副产物从硅片表面被释放（解吸附）(6)副产物离开硅片表面的输运(7)副产物离开反应器的输运,最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率,关键问题涉及到：1、反应腔内的气体流动2、反应腔内的化学反应,.,25,4、反应腔内的化学反应：,(1)假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，且只进行一种反应，如：,(2)化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变,P为其下标物质的分压强，方程式中H的系数为2，故取平方。,a.KP(T)取决于温度，,其中G为反应中吉布斯自由能的变化。,b.KP(T)与气体压力无关。,化学平衡与质量作用定律,(3)反应平衡常数(质量作用定律)定义为：,说明,.,26,假设KP(T)是已知的，此时三个分压强都未知而只有一个方程式：,通常，反应器的总压强是已知的，因此可以有第二个方程式：,由于H2无消耗，故PH2=0.99P（入口分压强）再根据入口气流与Si/H的关系式，可推导出第三个方程式：,其中，气流量被认为是已知的。至此，可根据三个方程式求出三种物质的分压强。,.,27,CVD过程从气相中消耗硅，因此硅的分压强并非只与入口气流有关；要考虑含硅的气相分子流量变化情况（扩散）可能发生多种化学反应过程，如：,至此的讨论都建立在化学平衡近似的基础上，实际CVD中的情况如何呢？,在实际的淀积工艺中，平衡分压强的求解：,要求解平衡分压强，必须考虑每种反应式的反应平衡常数。,补充,注意,.,28,(1)当反应腔压力降低时，反应物分子的平均自由程增加，造成：,各种气相物质之间没有足够的碰撞机会，使其不能达到热平衡和化学平衡；具有不同能量（Maxwell分布）的气相分子之间没有足够的碰撞次数，也无法达到化学平衡。,在实际的CVD工艺中，一般认为：低压CVD工艺是受动力学控制的过程常压CVD是化学平衡过程,“反应腔特征长度远大于气体分子的平均自由程”是一个必要的前提条件。,不能达到化学平衡的过程被称为“动力学控制过程”,.,29,(2)对于动力学控制过程，SiCVD的反应式可改写为：,其中，Kf和Kr分别代表正向反应和逆向反应的速率系数。,反应物质浓度（分压强）随时间的变化率与各反应速率系数有关，,对于实际的CVD系统，可能涉及到数十种反应物质和上百种化学反应，因此定量的处理过程是非常困难的，因此一般做定性处理即可。,另外，还应考虑浓度梯度引起的物质扩散等问题。,.,30,图13.4气流在管形反应器中的展开,气体流动决定了化学物质的输运和气体的温度分布,气体是黏性流，且不可压缩。气流在腔体表面的速度为零。,（1）对CVD系统中气流的几个假设：,对于一个表面温度固定的圆形管道，假设气体以匀速从管道左端流入，则在Zv距离内，气流将展开为完全的管道流（抛物线形）,5、反应腔内的气体流动：气体流动动力学,（2）推导：,.,31,展开距离为：,其中，a是管道半径，Re是无量纲的雷诺数,雷诺数：,其中，L为腔体特征长度，是动黏度，是气体质量密度，是气体的动态黏滞度,当雷诺数较小时，管道中气流速度分布为抛物线形，即,其中，r为距中心线的半径，dP/dz为横跨管道的压力梯度,图13.4气流在管形反应器中的展开,.,32,图13.1简单的热CVD反应器,再回到图13.1的系统，假设系统温度均匀，气流速度在硅片表面降低到零，且腔体高度足够大，使硅片上方气流具有均匀速度。,边界层（滞流层）近似：在边界层中气流速度为零，在边界层外气流速度为v,.,33,倾斜角度需根据特定工艺进行优化,1）边界层的厚度与沿气流方向的位置有关，即,为维持淀积速率的均匀，必须保证边界层的厚度均匀。一般采用楔形基座，淀积表面朝气流方向倾斜。,结论,.,34,2）气相输运的扩散系数与温度的关系式有：,显然，与体扩散系数相比，De对温度的依赖性要弱得多。,总之，CVD过程受限于1）化学反应；或2）气相输运对决定CVD薄膜淀积速率温度关系是至关重要的。,3）化学反应速率系数与温度的关系式有：,.,35,图13.8CVD淀积速率与温度的函数关系,6、