工学第六章-薄膜工艺课件

第六章薄膜工艺一、物理气相淀积（PVD）二、化学气相淀积（CVD）三、外延（Epitaxy）第六章薄膜工艺一、物理气相淀积（PVD）1在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如：电介质膜、外延膜、多晶硅膜和金属膜等。电介质膜：可以用作绝缘材料，掩蔽材料和钝化层等；外延膜：高质量的单晶膜，对器件进行优化。多晶硅膜：在MOS器件中作栅电极材料；金属膜：包括硅化物，用作低阻互连，欧姆接触，金属/半导体整流等。在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如：电介质膜、外延膜、2薄膜工艺物理气相淀积：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸发、溅射等。化学气相淀积：薄膜淀积过程是化学反应过程，如常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）等。外延：包括物理气相淀积和化学气相淀积，所生长的薄膜是单晶，因此具有特殊性，其制备技术包括化学气相淀积、分子束外延（MBE）等。薄膜工艺物理气相淀积：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸发、溅射等3一、物理气相淀积工艺物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物薄膜的制备。它们在微电子器件中主要是作为欧姆接触、互连、栅电极等方面用的薄膜。物理淀积主要包括：蒸发和溅射。早期半导体工艺中的金属层全由蒸发淀积，但目前大多被溅射代替，原因有二：一是蒸发的台阶覆盖能力差；二是蒸发难以生产合金。一、物理气相淀积工艺物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物41、物理淀积的基本知识真空系统：物理淀积必须在真空环境中进行，否则由于空气分子的碰撞作用，将严重妨碍物理淀积的过程。真空度则依淀积方法和淀积物的性质而异。等离子体：等离子体产生是溅射工艺的物理基础，是等离子产生和运动的过程。1、物理淀积的基本知识真空系统：物理淀积必须在真空环境中进行51.1真空系统的产生和密封真空度的常用单位有托（Torr）、大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）、帕斯卡（Pa）等。其关系如下：Torr转换成其它气压单位的转换因子（相乘）单位转换因子标准大气压（atm）1.33×10-3磅每平方英寸（PSI）1.933×10-2毫米汞柱（mmHg）1帕或牛顿每平方米（Pa）133.31.1真空系统的产生和密封真空度的常用单位有托（Torr）6真空范围的近似分类初真空0.1－760Torr10－105Pa中真空10-4－10-1Torr10-2－10Pa高真空10-8－10-4Torr10-6－10-2Pa超高真空<10-8Torr<10-6Pa真空范围的近似分类初真空0.1－760Torr10－107真空泵真空的产生要依靠真空泵。而在低真空和高真空情形下，要分别使用不同的泵。低真空下一般使用机械泵，其抽真空过程可以分为三个步骤：捕捉气体，压缩气体，排除气体。比如：活塞泵，旋转叶片真空泵，罗茨泵等。高真空下使用扩散泵、分子泵和低温泵。工作原理有两种：一是转移动量给气态分子而抽取气体（扩散泵和分子泵）；二是直接俘获气体分子（低温泵）。真空泵真空的产生要依靠真空泵。而在低真空和高真空情形下，8活塞真空泵（机械泵）示意图活塞真空泵（机械泵）示意图9旋转叶片真空泵（机械泵）示意图旋转叶片真空泵（机械泵）示意图10罗茨真空泵（机械泵）示意图罗茨真空泵（机械泵）示意图11扩散泵示意图泵油加热成油蒸气油蒸气从伞形喷嘴高速喷出油蒸气喷出时带走气体分子油蒸气碰到冷壁凝成液体流到蒸发器油蒸气被加热成油蒸气同时释放出气体被抽走特点：垂直安装，需要设置冷阱防止返油，不能抽取与泵油反应的气体。扩散泵示意图泵油加热成油蒸气油蒸气从伞形喷嘴高速喷出油蒸气喷12分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气。其叶片是经过特殊设计，在叶片旋转的过程中，使气体分子能够产生定向流动。分子泵必须在一定的真空度下才能有效的运行（气体分子的平均自由程大于叶片间距）。分子泵示意图分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定13低温泵（吸附泵）示意图腔体连接真空系统，气体吸附到冷却元件上腔体关闭，加热冷却元件，使吸附的气体解吸并抽走冷却元件制冷后恢复工作状态连接真空系统与泵腔体，循环工作吸附泵必须在一定真空泵下才能有效的工作。低温泵（吸附泵）示意图腔体连接真空系统，气体吸附到冷却元件上14真空密封：在中真空领域，一般采用O型橡胶圈进行密封；对于高真空领域，则需要采取金属对金属的密封。比如：2mm厚的金属环被夹紧在两个刀口之间。真空密封：151.2等离子体产生等离子体是除了固态、液态、气态之外的第四态。它是部分离子化的气体，包括离子，电子和中性原子。特点是：导电性，宏观上的中性。1.2等离子体产生等离子体是除了固态、液态、气态之外的第四16平板等离子体反应腔示意图平板等离子体反应腔示意图17高压电源在电极间产生的电弧解离气体产生离子和电子离子和电子在直流电源的作用下分别向负极和正极运动离子轰击负极激发出大量的二次电子，这些电子向正极运动电子向正极运动的过程中与中性气体原子碰撞产生大量的离子，产生循环在这个系统中，等离子体靠二次电子的发射维持。等离子体主要包括：正离子、电子、中性气体分子或原子。高压电源在电极间产生的电弧解离气体产生离子和电子离子和电子在18直流等离子体的组成直流等离子体由各种辉区和暗区组成。暗区是离子和电子获得能量的加速区；辉区是不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。直流等离子体的组成包括：阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正辉柱、阳极辉区和阳极暗区等区域。直流等离子体的组成直流等离子体由各种辉区和暗区组成。暗区是离19射频（交流）等离子体示意图射频（交流）等离子体示意图20游离电子在射频电源作用下在电极间作振荡运动电子碰撞气体原子产生更多的离子和电子离子和电子在射频电源的作用下在电极间作振荡运动，碰撞产生更多的离子和电子，从而产生循环该系统中，二次电子的发射不再是维持等离子体的必要条件。游离电子在射频电源作用下在电极间作振荡运动电子碰撞气体原子产21问题：射频等离子体中，等离子体和电极之间的电位分布是怎样的？答：由于电子的运动速度远大于离子的运动速度，因此电子会在电极上大量堆积，造成电极处于低电位，电极附近的压降与电极面积的4次方成反比。问题：射频等离子体中，等离子体和电极之间的电位分布是怎样的？22高密度等离子体的产生从本质上来说，是利用电场或磁场来增加电子的射程，增加电子与气体的碰撞机率，从而增加离子的数量。磁控等离子体：利用磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；电感耦合等离子体：当射频电流流过线圈时会产生感应磁场，利用感应磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；电子回旋共振等离子体：利用交变电场和磁场的频率耦合，使电子作圆周运动，从而增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率。高密度等离子体的产生从本质上来说，是利用电场或磁场来增加电子23磁控等离子体示意图磁场平行于电极，这样从电极激发出来的二次电子会被磁场束缚作圆周运动，但离子比较重，受到的影响比较小。磁控等离子体示意图磁场平行于电极，这样从电极激发出来的二次电24感应耦合等离子体示意图线圈上首先加上高电压产生等离子体，然后加上射频电流产生交变的射频磁场，从而使电子在磁场中的射程增加，与更多的气体原子（分子）碰撞产生离子。感应耦合等离子体示意图线圈上首先加上高电压产生等离子体，然后25等离子由射频电源激发，线圈产生交变磁场，当射频电源的频率与磁场频率相同时，电子产生共振作圆周运动，从而大大增加其射程和碰撞机率。电子回旋共振等离子体示意图等离子由射频电源激发，线圈产生交变磁场，当射频电源的频率与磁261.3物理淀积－蒸发定义：将固体源（如铝、钨、钛等）加热熔化，产生的蒸气在真空中直线运动抵达晶片表面，堆积成薄膜。根据加热方式，可将蒸发系统分为：电阻热蒸发、电感热蒸发和电子束蒸发。1.3物理淀积－蒸发定义：将固体源（如铝、钨、钛等）加热熔27一个简单的蒸发台蒸发必须在一定真空度下进行，这是因为真空度太低，蒸气分子会与空气分子碰撞而损失能量，改变运动方向，从而到达不了晶片表面。其次，低真空下，蒸气分子会与空气发生氧化等反应。在真空下，蒸气分子的平均自由程很大，基本上可以沿直线方向运动到晶片表面堆积。一个简单的蒸发台蒸发必须在一定真空度下进行，这是因为真空度太28电阻加热蒸发感应加热蒸发电阻加热蒸发感应加热蒸发29电子束蒸发示意图电子束蒸发示意图30蒸发淀积速率其中：pe蒸发物质的蒸气压，T温度，ρ蒸发物质密度，A坩埚面积，M蒸发物质分子量，k玻尔兹曼常数，Z视角因子。蒸发淀积速率其中：pe蒸发物质的蒸气压，T温度，ρ蒸发物质密31影响蒸发速率的因素温度：实际上确定了蒸气压。温度越高，蒸气压越大，淀积速率越快，但需要控制淀积速率不能太大，否则会造成薄膜表面形貌变差。视角因子：确定了晶片淀积的均匀性，可以调整晶片的位置，使它们与坩埚在同一圆周上。影响蒸发速率的因素温度：实际上确定了蒸气压。温度越高，蒸气压32一些常用蒸发材料的蒸气压曲线一些常用蒸发材料的蒸气压曲线33晶片与坩埚的位置晶片与坩埚的位置确定了视角因子Z如果晶片与坩埚均在同一圆周r之上，则有：晶片与坩埚的位置晶片与坩埚的位置确定了视角因子Z如果晶片与坩34蒸发工艺的缺陷 台阶覆盖能力差，为了改善台阶覆盖，采用办法有：蒸发过程中旋转晶片；蒸发过程中加热晶片，增加原子的迁移能力。蒸发工艺的缺陷 台阶覆盖能力差，为了改善台阶覆盖，采用办法35

合金膜的蒸发要注意：合金中各组分的蒸气压要一致，否则会出现膜组分不均匀的现象。为了改善合金膜的组分均匀性，可采用以下方法：多源不同温度蒸发；分层蒸发，但淀积后需要高温扩散。合金膜的蒸发要注意：合金中各组分的蒸气压要一致，否则会出36一台蒸发台用于蒸发铝，铝材料温度加热到1100℃。蒸发器的行星转动机构半径是40cm，坩埚直径5cm，铝的淀积速率是多少？铝的密度：2.7g/cm3。一台蒸发台用于蒸发铝，铝材料温度加热到1100℃。蒸发器的行37作业希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合物，如果淀积温度是1000℃，坩埚内的初始混合物是1：1，两种成分黏滞系数都为1，则蒸发初期膜的组成将是怎样？膜的组成如何随时间变化？作业希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合物，如果淀积温381.4物理淀积－溅射溅射的物理机制：是利用等离子体中的离子对靶材料进行轰击，靶材料原子或原子团被发射出来，堆集在晶片衬底上形成薄膜。与蒸发工艺相比：台阶覆盖性好，容易制备合金或复合材料薄膜。1.4物理淀积－溅射溅射的物理机制：是利用等离子体中的离子39简单平行板溅射系统腔体靶－接负极晶片－置于正极进气－氩气（用于产生等离子）工作原理：高压产生等离子体之后，正离子在电场作用下向负极运动，轰击靶电极，激发出来的二次电子向正极运动，维持等离子体。而被轰击出来的靶原子则堆集在晶片上形成薄膜。简单平行板溅射系统腔体靶－接负极40离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果反射：入射离子能量很低；吸附：入射离子能量小于10eV；离子注入：入射离子能量大于10KeV；溅射：入射离子能量为10－10KeV。一部分离子能量以热的形式释放；一部分离子造成靶原子溅射。离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果反射：入射离子能量很低41影响溅射速率的因素离子质量：离子质量增大，溅射速率有上升的趋势，但随原子序数呈周期性起伏。离子能量：存在能量阈值；能量越大，溅射产额越大；能量过大，发生离子注入，产额降低，因此产额在某一能量时会有最大值。离子数量：采用高密度等离子体可以增加溅射速率。靶原子质量和结晶性：金属材料中，铜、银、金较容易溅射；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等较难溅射。影响溅射速率的因素离子质量：离子质量增大，溅射速率有上升的趋42不同靶材料溅射产额与氩离子能量之间的关系定义溅射产额：不同靶材料溅射产额与氩离子能量之间的关系定义溅射产额：4345KeV离子射向银、铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子序数之间的关系离子质量增大，溅射速率有上升的趋势，但随原子序数呈周期性起伏。45KeV离子射向银、铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子序数之间44在等离子腔中引入磁场，增加电子与溅射气体的碰撞机率，从而增加离子的密度和溅射速率。磁控溅射装置示意图在等离子腔中引入磁场，增加电子与溅射气体的碰撞机率，从而增加45溅射薄膜形成过程溅射原子运动到晶片表面被晶片表面吸附并扩散原子密度足够大时成核晶核长大成岛状岛状区域长大合并成连续薄膜溅射薄膜形成过程溅射原子运动到晶片表面被晶片表面吸附并扩散原46溅射薄膜表面形貌在不同真空度，温度和离子能量下，溅射薄膜的形貌会发生变化。溅射薄膜表面形貌在不同真空度，温度和离子能量下，溅射薄膜的形47特点形成条件1区多孔、低密度，无定形低真空，低温，低离子能量。T区晶粒细小，多晶高真空，高离子能量。2区柱状晶粒，多晶较高真空，较高温度，较离子能量。3区颗粒状晶粒，多晶更高真空，更高温度，更离子能量。溅射薄膜不同形貌特点特点形成条件1区多孔、低密度，无定形低真空，低温，低离子能量48溅射薄膜的厚度均匀性影响因素主要有两个：溅射原子在晶片衬底上的扩散速率。与温度有关，温度越高，溅射原子扩散越快。或在正极引入偏压，使一部分离子轰击正极晶片，从而促进溅射原子的再扩散。溅射原子的发散。可以通过旋转晶片衬底和加入准直器来实现。溅射薄膜的厚度均匀性影响因素主要有两个：49准直器偏压离子溅射准直器偏压离子溅射50合金和复合材料溅射采用单靶：由于各组分的溅射速率不一致，导致薄膜中组分与靶中组分会有差异。采用多靶：每个靶的功率可以单独调整。反应溅射：溅射室中引入反应气体，则溅射出来的靶原子会与反应气体发生作用，得到化合物薄膜。合金和复合材料溅射采用单靶：由于各组分的溅射速率不一致，导致51溅射中需要注意的地方靶的清洁：正式溅射前可采用预溅射，去除靶表面层原子。真空腔保持干净：除了离子气体，其它残留气体要尽可能少。溅射中需要注意的地方靶的清洁：正式溅射前可采用预溅射，去除靶52溅射薄膜后处理一般采取热退火，作用在于：消除溅射引起的损伤；使溅射薄膜与衬底发生某些反应。如金属与硅衬底生成硅化物。溅射薄膜后处理一般采取热退火，作用在于：53习题溅射工艺中，离子能量越高，溅射速率越大吗？习题溅射工艺中，离子能量越高，溅射速率越大吗？54二、化学气相淀积（CVD）该工艺是指：气态化合物在晶片衬底表面发生化学反应，并生成固体产物淀积在衬底上成为薄膜。从工作原理上，该工艺主要分为：热化学气相淀积－气相反应需要在较高温度（600－950℃

）下进行，以热为化学反应的动力源。如：常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）；其它化学气相淀积－气相反应在比较低的温度（200－300℃）甚至室温下进行，化学反应动力源为：等离子体，光等。如：等离子增强化学气相淀积（PECVD），光化学气相淀积等。二、化学气相淀积（CVD）该工艺是指：气态化合物在晶片衬底表55热化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反应的能源是－热能，由温度提供热化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反应的能源是－热能，由温56反应气体在被加热的晶片上吸附，分解，反应，从而最终生成固体淀积在晶片上。比如应用SiH4（硅烷）气体淀积多晶硅的反应大致为：该工艺一般在600－950℃温度范围内淀积而成。反应气体在被加热的晶片上吸附，分解，反应，从而最终生成固体淀57等离子增强（PECVD）化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反应的能源是－等离子体活性基团等离子增强（PECVD）化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反58高能电子和分子相碰撞，会打开化学键，产生自由基。自由基至少含有一个未配对电子，因此具有非常大的反应活性。利用自由基的高反应活性，从而可以实现等离子刻蚀，等离子增强薄膜淀积等。高能电子和分子相碰撞，会打开化学键，产生自由基。自由基至少含59等离子刻蚀比如CF4在等离子中产生F自由基，用于SiO2膜的刻蚀，该刻蚀可在室温下进行。等离子刻蚀比如CF4在等离子中产生F自由基，用于SiO2膜的60等离子增强CVD淀积SiH4+N2O生成SiO2其它还有SixNy、多晶和非晶硅膜淀积等：等离子增强CVD淀积SiH4+N2O生成SiO2其它还有61化学气相淀积的过程反应气体通过滞流层向晶片表面输运；反应气体生成次级分子（因为热或等离子环境）；反应物被吸附；表面反应释放出固体产物；反应副产物解吸；副产物离开硅片并离开反应器。其中：1,6是质量传输过程；3,5是吸附和解吸过程；2,4是化学反应过程。化学气相淀积的过程反应气体通过滞流层向晶片表面输运；其中：162影响CVD系统的因素气体输运控制－－淀积速率与流量、反应器形状密切相关。必须有良好的气体流量控制和反应腔体几何形状设计，以确保均匀反应气体的均匀输送。因此，只适合小批量生产。反应速率控制－－淀积速率与温度密切相关。必须有良好的温度控制和温度均匀性，来自气流动力学方面的影响比较小。因此可以适合大批量生产。影响CVD系统的因素气体输运控制－－淀积速率与流量、反应器形63常压CVD，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。低压CVD，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。常压CVD，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质64问题：为什么低压CVD优于常压CVD？低压CVD属于反应速率控制，淀积速率主要与温度相关，比较容易实现大批量生产。低压CVD可以降低气相成核，从而增大成品率。低压CVD可以有效抑制气相自掺杂效应。低压CVD的淀积温度通常比常压CVD低100－150℃左右，这是因为低压下，晶体成核临界温度降低。问题：为什么低压CVD优于常压CVD？低压CVD属于反应速率65影响CVD淀积速率的具体工艺参数温度：质量输运控制下，与温度关系不大；反应速率控制下，与温度关系密切，淀积速率随温度增加而增大。流量：质量输运控制下，与流量关系密切，随流量增大而增大；反应速率控制下，与流量关系不大。压强：主要是指在低压CVD工艺中，淀积速率随反应腔内压强增大而增大。影响CVD淀积速率的具体工艺参数温度：质量输运控制下，与温度66典型常压CVD淀积速率与温度、气体流量的关系气体输运控制反应速率控制低温时，反应速率控制；高温时，气体输运控制典型常压CVD淀积速率与温度、气体流量的关系气体输运控制反应67一项工艺在700℃下受反应速率限制，激活能为2eV，在此温度下淀积速率为1000Å/min，猜测在800℃下淀积速率是多少？如果在800℃下淀积速率远低于预期值，说明什么？怎样证明？将Ea=2eV，k=8.617×10-5eV/K，v700=1000Å/min代入上式，得到：V800=9233Å/min一项工艺在700℃下受反应速率限制，激活能为2eV，在此温度68三、外延薄膜生长技术外延是一种制备单晶薄膜的技术。它是在单晶衬底上，沿其结晶轴方向，生长一层新单晶层的过程。外延分为：同质外延－外延层与衬底材料相同。如在硅上外延硅；砷化镓上外延砷化镓。异质外延－外延层与衬底材料不同。如在蓝宝石上外延硅；在硅上外延砷化镓。三、外延薄膜生长技术外延是一种制备单晶薄膜的技术。它是在单晶69从方法上可分为：化学气相淀积（CVD）外延：包括等离子增强CVD（PECVD）、快速热处理CVD（RTCVD）、金属有机物CVD（MOCVD）、超高真空CVD（UHVCVD），以及激光、可见光、X射线辅助CVD等。物理方法外延：包括分子束外延、离子束外延等。从方法上可分为：70为什么要外延外延层的性能在某些方面优于衬底材料。如硅片由于工艺的局限性会含有碳和氧，而外延层中可以避免。给设计者提供一种有别于扩散和离子注入的掺杂手段，不存在杂质的相互补偿，可在外延层和衬底之间获得突变型杂质浓度分布。为什么要外延外延层的性能在某些方面优于衬底材料。如硅片由于工71生长外延层之前硅片清洗清洗的目的是：去除自然氧化物、残留杂质和颗粒。通常需要在一系列化学溶液中浸泡。溶液配方目的氨水：双氧水：水＝5:1:1去除有机残留物HF溶液去除氧化层水：盐酸：双氧水＝6:1:1重碱离子和阳离子生长外延层之前硅片清洗清洗的目的是：去除自然氧化物、残留杂质72湿法化学清洗通常仍在硅片表面留下薄的氧化层，为了去除它，可以采用两种办法：采用高真空下的高温预烘烤－在此环境中，氧化层处于热力学不稳定状态；采用HF溶液浸泡，使硅片表面形成Si－H键，称之为氢键保护技术，而H在500℃以上会释放出，一般用于低温外延技术中，如分子束外延。湿法化学清洗通常仍在硅片表面留下薄的氧化层，为了去除它，可以73硅和氧化硅稳定性和温度、氧和水汽分压的关系硅和氧化硅稳定性和温度、氧和水汽分压的关系743.1外延－化学气相淀积该工艺是指利用化学气相淀积的方法来生长外延层。其生长模型可用简单的Deal模型来描述，分为两步，即1、反应气体穿过滞流层，2、在晶片表面发生反应。3.1外延－化学气相淀积该工艺是指利用化学气相淀积的方法来75其中：J是反应气体流量；hg是质量传输系数；ks是表面反应速率；Cg，Cs分别是气流中反应气体浓度和晶片表面反应气体浓度；其中：J是反应气体流量；hg是质量传输系数；ks是表面反应速76当ks>>hg时，生长速率由质量传输系数hg决定：当hg>>ks时，生长速率由表面反应速率ks决定：其中N是硅原子密度除以所生长分子中的硅原子数。2.5×1022cm-3

当ks>>hg时，生长速率由质量传输系数hg决定：当hg>77在常压下，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。在高温下，一般是质量输运控制。在低温下，一般是反应速率控制。在低压下，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。常压外延和低压外延在常压下，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量78为什么基座要倾斜放？生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向，反应气体的分压逐渐减小，导致沿气流方向的生长速率不一致；将基座迎气流方向倾斜放置，则滞流层厚度会沿气流方向变薄，导致质量输运加快，生长速率增大，从而最终补偿由于反应气体分压减小带来的生长速率减小。为什么基座要倾斜放？生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向79硅同质外延工艺硅外延中常用的硅源有SiCl4，SiH2Cl2，SiHCl3，并用H2稀释，其中应用最广的是SiCl4。不用SiH4作反应气体，是因为易在气体中成核，而不是在硅片表面。对于SiCl4，主要反应为：同时存在另外一个竞争反应为：硅同质外延工艺硅外延中常用的硅源有SiCl4，SiH2Cl280硅片表面的反应实际上，硅片表面发生的反应比较复杂，但有两点需要注意：在Si-H-Cl系统中，硅片表面的反应物主要是SiCl2，这说明反应气体发生了中间反应。在Si-H-Cl系统中，在反应速率受限区域，外延生长都具有相同的反应激活能。这是因为反应速率都受限于氢从硅片表面释放的过程。硅片表面的反应实际上，硅片表面发生的反应比较复杂，但有两点需81不同硅源淀积速率与温度关系B－质量输运控制区域；A－反应速率控制区域。不同硅源淀积速率与温度关系B－质量输运控制区域；A－反应速率82生长速率和流量的关系在Si-Cl-H系统高温外延中，硅表面上的混合气体主要是H2，HCl和SiCl2，其中SiCl2是反应气体，而HCl则对硅有腐蚀作用。因此，生长速率可以用下面公式拟合：说明：生长速率随流量会有一个最大值。生长速率和流量的关系在Si-Cl-H系统高温外延中，硅表面上83生长速率对SiCl4流量的函数工业上典型生长条件生长速率对SiCl4流量的函数工业上典型生长条件84选择性硅外延基于以下事实：外延生长中在不同衬底上的晶粒成核速率有：SiO2<Si3N4<Si。通过调整Si-H-Cl系统中Cl的比例，因为HCl可以刻蚀掉硅晶核。工艺步骤是：采用SiO2作为掩蔽层，增加反应气体中Cl的含量，使SiO2上的硅晶核被腐蚀掉。选择性硅外延基于以下事实：85选择性硅外延示意图选择性硅外延示意图86外延掺杂掺杂原理：在反应气体中加入掺杂气体，在外延生长的时候结合进入生长层。常用掺杂气体有：乙硼烷（B2H6）、磷烷（PH3）和砷烷（AsH3）。掺杂过程：与外延生长相似，也分为：向晶片表面输运，吸附，反应，解吸等过程。外延掺杂掺杂原理：在反应气体中加入掺杂气体，在外延生长的时候87掺杂浓度影响因素与掺杂气体的分压成比例关系，一般随分压的增大而增大。与温度有关，不同杂质对温度依赖关系不一样。如硼随温度升高，掺杂量变大；而磷、砷则变小。与生长速率有关，高温下，掺杂浓度随生长速度增加而下降；低温下，掺杂浓度随生长速度增加而增大。掺杂浓度与诸多因素有关，通常是通过实验摸索出适当的工艺条件。掺杂浓度影响因素与掺杂气体的分压成比例关系，一般随分压的增大88外延工艺中的杂质分布气相自掺杂效应－外延生长初期，反应器中杂质和衬底杂质蒸发出来，从而对外延层掺杂；衬底杂质的再分布，衬底杂质向外延层中扩散；掺入外延层中杂质的再分布，掺入的杂质向衬底内部扩散。总的杂质分布是上述行为的叠加。外延工艺中的杂质分布气相自掺杂效应－外延生长初期，反应器中杂89问题：外延层中的杂质来源有哪些？气体掺杂；气相自掺杂；衬底向外延层中的扩散。问题：外延层中的杂质来源有哪些？气体掺杂；90减小杂质再分布措施降低反应温度，比如采用低压化学气相淀积。高温烘烤，使硅片表面形成杂质耗尽层。清洁反应器，降低杂质污染。用氧化硅，高纯硅覆盖衬底背面，减少蒸发。减小杂质再分布措施降低反应温度，比如采用低压化学气相淀积。91外延生长缺陷堆垛层错－一般沿（111）方向，在晶面中插入多余的原子层面。尖峰－外延层表面突起，可能与生长初期缺陷有关。图形漂移、畸变和塌边－硅片上的图形在生长外延层之后，位置、形状发生变化。外延生长缺陷堆垛层错－一般沿（111）方向，在晶面中插入多余92图形漂移示意图图形漂移示意图93卤化物输运GaAs外延砷源：AsH3气体镓源：HCl与热Ga反应生成GaCl气体卤化物输运GaAs外延砷源：AsH3气体镓源：HCl与热943.2外延－分子束外延（MBE）该工艺是将分子束流直接喷射到衬底表面，形成外延层的技术。它能够生长原子级厚度的薄膜，而且能够精确控制膜组分和杂质含量。分子束的产生－将制备薄膜的物质加热使之熔化，产生的蒸气分子通过喷射炉的炉口喷射出去，从而产生分子束。常用蒸发源有：硅，镓，砷，锑，铝。3.2外延－分子束外延（MBE）该工艺是将分子束流直接喷射95分子束外延装置示意图分子束外延装置示意图96影响MBE薄膜质量的因素必须在超高真空下进行，接近10-10Torr。衬底必须清洗干净。包括高温烘烤（1000－1200℃），氢键保护，等离子溅射等。掺杂采用易蒸发的物质，如镓、铝、锑等金属杂质，而不是硼、磷、砷等。影响MBE薄膜质量的因素必须在超高真空下进行，接近10-1097常见薄膜沉积二氧化硅（SiO2）氮化硅（Si3N4）多晶硅（poly-Si）金属化薄膜常见薄膜沉积二氧化硅（SiO2）98二氧化硅（SiO2）常压CVD或低压CVD低压CVD（LPCVD）二氧化硅（SiO2）常压CVD或低压CVD低压CVD（LPC99氮化硅（Si3N4）低压CVD（LPCVD）等离子增强CVD（PECVD）氮化硅（Si3N4）低压CVD（LPCVD）等离子增强CVD100多晶硅（poly-Si）低压CVD（LPCVD）多晶硅（poly-Si）低压CVD（LPCVD）101CVD沉积钨CVD沉积钨102CVD沉积TiN用于提供金属与衬底的粘附性和防止金属与衬底之间的化学反应。CVD沉积TiN用于提供金属与衬底的粘附性和防止金属与衬底之103习题从图14.8中找出每一种化合物，大约在什么温度时，生长成为质量输运控制的？其中假设hg与温度无关，ks＝k0exp(-Ea/kT)，Cg为1015cm-3，计算SiH2Cl2的hg和k0。习题从图14.8中找出每一种化合物，大约在什么温度时，生长104第六章薄膜工艺一、物理气相淀积（PVD）二、化学气相淀积（CVD）三、外延（Epitaxy）第六章薄膜工艺一、物理气相淀积（PVD）105在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如：电介质膜、外延膜、多晶硅膜和金属膜等。电介质膜：可以用作绝缘材料，掩蔽材料和钝化层等；外延膜：高质量的单晶膜，对器件进行优化。多晶硅膜：在MOS器件中作栅电极材料；金属膜：包括硅化物，用作低阻互连，欧姆接触，金属/半导体整流等。在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如：电介质膜、外延膜、106薄膜工艺物理气相淀积：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸发、溅射等。化学气相淀积：薄膜淀积过程是化学反应过程，如常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）等。外延：包括物理气相淀积和化学气相淀积，所生长的薄膜是单晶，因此具有特殊性，其制备技术包括化学气相淀积、分子束外延（MBE）等。薄膜工艺物理气相淀积：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸发、溅射等107一、物理气相淀积工艺物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物薄膜的制备。它们在微电子器件中主要是作为欧姆接触、互连、栅电极等方面用的薄膜。物理淀积主要包括：蒸发和溅射。早期半导体工艺中的金属层全由蒸发淀积，但目前大多被溅射代替，原因有二：一是蒸发的台阶覆盖能力差；二是蒸发难以生产合金。一、物理气相淀积工艺物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物1081、物理淀积的基本知识真空系统：物理淀积必须在真空环境中进行，否则由于空气分子的碰撞作用，将严重妨碍物理淀积的过程。真空度则依淀积方法和淀积物的性质而异。等离子体：等离子体产生是溅射工艺的物理基础，是等离子产生和运动的过程。1、物理淀积的基本知识真空系统：物理淀积必须在真空环境中进行1091.1真空系统的产生和密封真空度的常用单位有托（Torr）、大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）、帕斯卡（Pa）等。其关系如下：Torr转换成其它气压单位的转换因子（相乘）单位转换因子标准大气压（atm）1.33×10-3磅每平方英寸（PSI）1.933×10-2毫米汞柱（mmHg）1帕或牛顿每平方米（Pa）133.31.1真空系统的产生和密封真空度的常用单位有托（Torr）110真空范围的近似分类初真空0.1－760Torr10－105Pa中真空10-4－10-1Torr10-2－10Pa高真空10-8－10-4Torr10-6－10-2Pa超高真空<10-8Torr<10-6Pa真空范围的近似分类初真空0.1－760Torr10－10111真空泵真空的产生要依靠真空泵。而在低真空和高真空情形下，要分别使用不同的泵。低真空下一般使用机械泵，其抽真空过程可以分为三个步骤：捕捉气体，压缩气体，排除气体。比如：活塞泵，旋转叶片真空泵，罗茨泵等。高真空下使用扩散泵、分子泵和低温泵。工作原理有两种：一是转移动量给气态分子而抽取气体（扩散泵和分子泵）；二是直接俘获气体分子（低温泵）。真空泵真空的产生要依靠真空泵。而在低真空和高真空情形下，112活塞真空泵（机械泵）示意图活塞真空泵（机械泵）示意图113旋转叶片真空泵（机械泵）示意图旋转叶片真空泵（机械泵）示意图114罗茨真空泵（机械泵）示意图罗茨真空泵（机械泵）示意图115扩散泵示意图泵油加热成油蒸气油蒸气从伞形喷嘴高速喷出油蒸气喷出时带走气体分子油蒸气碰到冷壁凝成液体流到蒸发器油蒸气被加热成油蒸气同时释放出气体被抽走特点：垂直安装，需要设置冷阱防止返油，不能抽取与泵油反应的气体。扩散泵示意图泵油加热成油蒸气油蒸气从伞形喷嘴高速喷出油蒸气喷116分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气。其叶片是经过特殊设计，在叶片旋转的过程中，使气体分子能够产生定向流动。分子泵必须在一定的真空度下才能有效的运行（气体分子的平均自由程大于叶片间距）。分子泵示意图分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定117低温泵（吸附泵）示意图腔体连接真空系统，气体吸附到冷却元件上腔体关闭，加热冷却元件，使吸附的气体解吸并抽走冷却元件制冷后恢复工作状态连接真空系统与泵腔体，循环工作吸附泵必须在一定真空泵下才能有效的工作。低温泵（吸附泵）示意图腔体连接真空系统，气体吸附到冷却元件上118真空密封：在中真空领域，一般采用O型橡胶圈进行密封；对于高真空领域，则需要采取金属对金属的密封。比如：2mm厚的金属环被夹紧在两个刀口之间。真空密封：1191.2等离子体产生等离子体是除了固态、液态、气态之外的第四态。它是部分离子化的气体，包括离子，电子和中性原子。特点是：导电性，宏观上的中性。1.2等离子体产生等离子体是除了固态、液态、气态之外的第四120平板等离子体反应腔示意图平板等离子体反应腔示意图121高压电源在电极间产生的电弧解离气体产生离子和电子离子和电子在直流电源的作用下分别向负极和正极运动离子轰击负极激发出大量的二次电子，这些电子向正极运动电子向正极运动的过程中与中性气体原子碰撞产生大量的离子，产生循环在这个系统中，等离子体靠二次电子的发射维持。等离子体主要包括：正离子、电子、中性气体分子或原子。高压电源在电极间产生的电弧解离气体产生离子和电子离子和电子在122直流等离子体的组成直流等离子体由各种辉区和暗区组成。暗区是离子和电子获得能量的加速区；辉区是不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。直流等离子体的组成包括：阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正辉柱、阳极辉区和阳极暗区等区域。直流等离子体的组成直流等离子体由各种辉区和暗区组成。暗区是离123射频（交流）等离子体示意图射频（交流）等离子体示意图124游离电子在射频电源作用下在电极间作振荡运动电子碰撞气体原子产生更多的离子和电子离子和电子在射频电源的作用下在电极间作振荡运动，碰撞产生更多的离子和电子，从而产生循环该系统中，二次电子的发射不再是维持等离子体的必要条件。游离电子在射频电源作用下在电极间作振荡运动电子碰撞气体原子产125问题：射频等离子体中，等离子体和电极之间的电位分布是怎样的？答：由于电子的运动速度远大于离子的运动速度，因此电子会在电极上大量堆积，造成电极处于低电位，电极附近的压降与电极面积的4次方成反比。问题：射频等离子体中，等离子体和电极之间的电位分布是怎样的？126高密度等离子体的产生从本质上来说，是利用电场或磁场来增加电子的射程，增加电子与气体的碰撞机率，从而增加离子的数量。磁控等离子体：利用磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；电感耦合等离子体：当射频电流流过线圈时会产生感应磁场，利用感应磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率；电子回旋共振等离子体：利用交变电场和磁场的频率耦合，使电子作圆周运动，从而增加电子与气体原子（分子）的碰撞机率。高密度等离子体的产生从本质上来说，是利用电场或磁场来增加电子127磁控等离子体示意图磁场平行于电极，这样从电极激发出来的二次电子会被磁场束缚作圆周运动，但离子比较重，受到的影响比较小。磁控等离子体示意图磁场平行于电极，这样从电极激发出来的二次电128感应耦合等离子体示意图线圈上首先加上高电压产生等离子体，然后加上射频电流产生交变的射频磁场，从而使电子在磁场中的射程增加，与更多的气体原子（分子）碰撞产生离子。感应耦合等离子体示意图线圈上首先加上高电压产生等离子体，然后129等离子由射频电源激发，线圈产生交变磁场，当射频电源的频率与磁场频率相同时，电子产生共振作圆周运动，从而大大增加其射程和碰撞机率。电子回旋共振等离子体示意图等离子由射频电源激发，线圈产生交变磁场，当射频电源的频率与磁1301.3物理淀积－蒸发定义：将固体源（如铝、钨、钛等）加热熔化，产生的蒸气在真空中直线运动抵达晶片表面，堆积成薄膜。根据加热方式，可将蒸发系统分为：电阻热蒸发、电感热蒸发和电子束蒸发。1.3物理淀积－蒸发定义：将固体源（如铝、钨、钛等）加热熔131一个简单的蒸发台蒸发必须在一定真空度下进行，这是因为真空度太低，蒸气分子会与空气分子碰撞而损失能量，改变运动方向，从而到达不了晶片表面。其次，低真空下，蒸气分子会与空气发生氧化等反应。在真空下，蒸气分子的平均自由程很大，基本上可以沿直线方向运动到晶片表面堆积。一个简单的蒸发台蒸发必须在一定真空度下进行，这是因为真空度太132电阻加热蒸发感应加热蒸发电阻加热蒸发感应加热蒸发133电子束蒸发示意图电子束蒸发示意图134蒸发淀积速率其中：pe蒸发物质的蒸气压，T温度，ρ蒸发物质密度，A坩埚面积，M蒸发物质分子量，k玻尔兹曼常数，Z视角因子。蒸发淀积速率其中：pe蒸发物质的蒸气压，T温度，ρ蒸发物质密135影响蒸发速率的因素温度：实际上确定了蒸气压。温度越高，蒸气压越大，淀积速率越快，但需要控制淀积速率不能太大，否则会造成薄膜表面形貌变差。视角因子：确定了晶片淀积的均匀性，可以调整晶片的位置，使它们与坩埚在同一圆周上。影响蒸发速率的因素温度：实际上确定了蒸气压。温度越高，蒸气压136一些常用蒸发材料的蒸气压曲线一些常用蒸发材料的蒸气压曲线137晶片与坩埚的位置晶片与坩埚的位置确定了视角因子Z如果晶片与坩埚均在同一圆周r之上，则有：晶片与坩埚的位置晶片与坩埚的位置确定了视角因子Z如果晶片与坩138蒸发工艺的缺陷 台阶覆盖能力差，为了改善台阶覆盖，采用办法有：蒸发过程中旋转晶片；蒸发过程中加热晶片，增加原子的迁移能力。蒸发工艺的缺陷 台阶覆盖能力差，为了改善台阶覆盖，采用办法139

合金膜的蒸发要注意：合金中各组分的蒸气压要一致，否则会出现膜组分不均匀的现象。为了改善合金膜的组分均匀性，可采用以下方法：多源不同温度蒸发；分层蒸发，但淀积后需要高温扩散。合金膜的蒸发要注意：合金中各组分的蒸气压要一致，否则会出140一台蒸发台用于蒸发铝，铝材料温度加热到1100℃。蒸发器的行星转动机构半径是40cm，坩埚直径5cm，铝的淀积速率是多少？铝的密度：2.7g/cm3。一台蒸发台用于蒸发铝，铝材料温度加热到1100℃。蒸发器的行141作业希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合物，如果淀积温度是1000℃，坩埚内的初始混合物是1：1，两种成分黏滞系数都为1，则蒸发初期膜的组成将是怎样？膜的组成如何随时间变化？作业希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合物，如果淀积温1421.4物理淀积－溅射溅射的物理机制：是利用等离子体中的离子对靶材料进行轰击，靶材料原子或原子团被发射出来，堆集在晶片衬底上形成薄膜。与蒸发工艺相比：台阶覆盖性好，容易制备合金或复合材料薄膜。1.4物理淀积－溅射溅射的物理机制：是利用等离子体中的离子143简单平行板溅射系统腔体靶－接负极晶片－置于正极进气－氩气（用于产生等离子）工作原理：高压产生等离子体之后，正离子在电场作用下向负极运动，轰击靶电极，激发出来的二次电子向正极运动，维持等离子体。而被轰击出来的靶原子则堆集在晶片上形成薄膜。简单平行板溅射系统腔体靶－接负极144离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果反射：入射离子能量很低；吸附：入射离子能量小于10eV；离子注入：入射离子能量大于10KeV；溅射：入射离子能量为10－10KeV。一部分离子能量以热的形式释放；一部分离子造成靶原子溅射。离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果反射：入射离子能量很低145影响溅射速率的因素离子质量：离子质量增大，溅射速率有上升的趋势，但随原子序数呈周期性起伏。离子能量：存在能量阈值；能量越大，溅射产额越大；能量过大，发生离子注入，产额降低，因此产额在某一能量时会有最大值。离子数量：采用高密度等离子体可以增加溅射速率。靶原子质量和结晶性：金属材料中，铜、银、金较容易溅射；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等较难溅射。影响溅射速率的因素离子质量：离子质量增大，溅射速率有上升的趋146不同靶材料溅射产额与氩离子能量之间的关系定义溅射产额：不同靶材料溅射产额与氩离子能量之间的关系定义溅射产额：14745KeV离子射向银、铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子序数之间的关系离子质量增大，溅射速率有上升的趋势，但随原子序数呈周期性起伏。45KeV离子射向银、铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子序数之间148在等离子腔中引入磁场，增加电子与溅射气体的碰撞机率，从而增加离子的密度和溅射速率。磁控溅射装置示意图在等离子腔中引入磁场，增加电子与溅射气体的碰撞机率，从而增加149溅射薄膜形成过程溅射原子运动到晶片表面被晶片表面吸附并扩散原子密度足够大时成核晶核长大成岛状岛状区域长大合并成连续薄膜溅射薄膜形成过程溅射原子运动到晶片表面被晶片表面吸附并扩散原150溅射薄膜表面形貌在不同真空度，温度和离子能量下，溅射薄膜的形貌会发生变化。溅射薄膜表面形貌在不同真空度，温度和离子能量下，溅射薄膜的形151特点形成条件1区多孔、低密度，无定形低真空，低温，低离子能量。T区晶粒细小，多晶高真空，高离子能量。2区柱状晶粒，多晶较高真空，较高温度，较离子能量。3区颗粒状晶粒，多晶更高真空，更高温度，更离子能量。溅射薄膜不同形貌特点特点形成条件1区多孔、低密度，无定形低真空，低温，低离子能量152溅射薄膜的厚度均匀性影响因素主要有两个：溅射原子在晶片衬底上的扩散速率。与温度有关，温度越高，溅射原子扩散越快。或在正极引入偏压，使一部分离子轰击正极晶片，从而促进溅射原子的再扩散。溅射原子的发散。可以通过旋转晶片衬底和加入准直器来实现。溅射薄膜的厚度均匀性影响因素主要有两个：153准直器偏压离子溅射准直器偏压离子溅射154合金和复合材料溅射采用单靶：由于各组分的溅射速率不一致，导致薄膜中组分与靶中组分会有差异。采用多靶：每个靶的功率可以单独调整。反应溅射：溅射室中引入反应气体，则溅射出来的靶原子会与反应气体发生作用，得到化合物薄膜。合金和复合材料溅射采用单靶：由于各组分的溅射速率不一致，导致155溅射中需要注意的地方靶的清洁：正式溅射前可采用预溅射，去除靶表面层原子。真空腔保持干净：除了离子气体，其它残留气体要尽可能少。溅射中需要注意的地方靶的清洁：正式溅射前可采用预溅射，去除靶156溅射薄膜后处理一般采取热退火，作用在于：消除溅射引起的损伤；使溅射薄膜与衬底发生某些反应。如金属与硅衬底生成硅化物。溅射薄膜后处理一般采取热退火，作用在于：157习题溅射工艺中，离子能量越高，溅射速率越大吗？习题溅射工艺中，离子能量越高，溅射速率越大吗？158二、化学气相淀积（CVD）该工艺是指：气态化合物在晶片衬底表面发生化学反应，并生成固体产物淀积在衬底上成为薄膜。从工作原理上，该工艺主要分为：热化学气相淀积－气相反应需要在较高温度（600－950℃

）下进行，以热为化学反应的动力源。如：常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）；其它化学气相淀积－气相反应在比较低的温度（200－300℃）甚至室温下进行，化学反应动力源为：等离子体，光等。如：等离子增强化学气相淀积（PECVD），光化学气相淀积等。二、化学气相淀积（CVD）该工艺是指：气态化合物在晶片衬底表159热化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反应的能源是－热能，由温度提供热化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反应的能源是－热能，由温160反应气体在被加热的晶片上吸附，分解，反应，从而最终生成固体淀积在晶片上。比如应用SiH4（硅烷）气体淀积多晶硅的反应大致为：该工艺一般在600－950℃温度范围内淀积而成。反应气体在被加热的晶片上吸附，分解，反应，从而最终生成固体淀161等离子增强（PECVD）化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反应的能源是－等离子体活性基团等离子增强（PECVD）化学气相淀积装置示意图用于驱动化学反162高能电子和分子相碰撞，会打开化学键，产生自由基。自由基至少含有一个未配对电子，因此具有非常大的反应活性。利用自由基的高反应活性，从而可以实现等离子刻蚀，等离子增强薄膜淀积等。高能电子和分子相碰撞，会打开化学键，产生自由基。自由基至少含163等离子刻蚀比如CF4在等离子中产生F自由基，用于SiO2膜的刻蚀，该刻蚀可在室温下进行。等离子刻蚀比如CF4在等离子中产生F自由基，用于SiO2膜的164等离子增强CVD淀积SiH4+N2O生成SiO2其它还有SixNy、多晶和非晶硅膜淀积等：等离子增强CVD淀积SiH4+N2O生成SiO2其它还有165化学气相淀积的过程反应气体通过滞流层向晶片表面输运；反应气体生成次级分子（因为热或等离子环境）；反应物被吸附；表面反应释放出固体产物；反应副产物解吸；副产物离开硅片并离开反应器。其中：1,6是质量传输过程；3,5是吸附和解吸过程；2,4是化学反应过程。化学气相淀积的过程反应气体通过滞流层向晶片表面输运；其中：1166影响CVD系统的因素气体输运控制－－淀积速率与流量、反应器形状密切相关。必须有良好的气体流量控制和反应腔体几何形状设计，以确保均匀反应气体的均匀输送。因此，只适合小批量生产。反应速率控制－－淀积速率与温度密切相关。必须有良好的温度控制和温度均匀性，来自气流动力学方面的影响比较小。因此可以适合大批量生产。影响CVD系统的因素气体输运控制－－淀积速率与流量、反应器形167常压CVD，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。低压CVD，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。常压CVD，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质168问题：为什么低压CVD优于常压CVD？低压CVD属于反应速率控制，淀积速率主要与温度相关，比较容易实现大批量生产。低压CVD可以降低气相成核，从而增大成品率。低压CVD可以有效抑制气相自掺杂效应。低压CVD的淀积温度通常比常压CVD低100－150℃左右，这是因为低压下，晶体成核临界温度降低。问题：为什么低压CVD优于常压CVD？低压CVD属于反应速率169影响CVD淀积速率的具体工艺参数温度：质量输运控制下，与温度关系不大；反应速率控制下，与温度关系密切，淀积速率随温度增加而增大。流量：质量输运控制下，与流量关系密切，随流量增大而增大；反应速率控制下，与流量关系不大。压强：主要是指在低压CVD工艺中，淀积速率随反应腔内压强增大而增大。影响CVD淀积速率的具体工艺参数温度：质量输运控制下，与温度170典型常压CVD淀积速率与温度、气体流量的关系气体输运控制反应速率控制低温时，反应速率控制；高温时，气体输运控制典型常压CVD淀积速率与温度、气体流量的关系气体输运控制反应171一项工艺在700℃下受反应速率限制，激活能为2eV，在此温度下淀积速率为1000Å/min，猜测在800℃下淀积速率是多少？如果在800℃下淀积速率远低于预期值，说明什么？怎样证明？将Ea=2eV，k=8.617×10-5eV/K，v700=1000Å/min代入上式，得到：V800=9233Å/min一项工艺在700℃下受反应速率限制，激活能为2eV，在此温度172三、外延薄膜生长技术外延是一种制备单晶薄膜的技术。它是在单晶衬底上，沿其结晶轴方向，生长一层新单晶层的过程。外延分为：同质外延－外延层与衬底材料相同。如在硅上外延硅；砷化镓上外延砷化镓。异质外延－外延层与衬底材料不同。如在蓝宝石上外延硅；在硅上外延砷化镓。三、外延薄膜生长技术外延是一种制备单晶薄膜的技术。它是在单晶173从方法上可分为：化学气相淀积（CVD）外延：包括等离子增强CVD（PECVD）、快速热处理CVD（RTCVD）、金属有机物CVD（MOCVD）、超高真空CVD（UHVCVD），以及激光、可见光、X射线辅助CVD等。物理方法外延：包括分子束外延、离子束外延等。从方法上可分为：174为什么要外延外延层的性能在某些方面优于衬底材料。如硅片由于工艺的局限性会含有碳和氧，而外延层中可以避免。给设计者提供一种有别于扩散和离子注入的掺杂手段，不存在杂质的相互补偿，可在外延层和衬底之间获得突变型杂质浓度分布。为什么要外延外延层的性能在某些方面优于衬底材料。如硅片由于工175生长外延层之前硅片清洗清洗的目的是：去除自然氧化物、残留杂质和颗粒。通常需要在一系列化学溶液中浸泡。溶液配方目的氨水：双氧水：水＝5:1:1去除有机残留物HF溶液去除氧化层水：盐酸：双氧水＝6:1:1重碱离子和阳离子生长外延层之前硅片清洗清洗的目的是：去除自然氧化物、残留杂质176湿法化学清洗通常仍在硅片表面留下薄的氧化层，为了去除它，可以采用两种办法：采用高真空下的高温预烘烤－在此环境中，氧化层处于热力学不稳定状态；采用HF溶液浸泡，使硅片表面形成Si－H键，称之为氢键保护技术，而H在500℃以上会释放出，一般用于低温外延技术中，如分子束外延。湿法化学清洗通常仍在硅片表面留下薄的氧化层，为了去除它，可以177硅和氧化硅稳定性和温度、氧和水汽分压的关系硅和氧化硅稳定性和温度、氧和水汽分压的关系1783.1外延－化学气相淀积该工艺是指利用化学气相淀积的方法来生长外延层。其生长模型可用简单的Deal模型来描述，分为两步，即1、反应气体穿过滞流层，2、在晶片表面发生反应。3.1外延－化学气相淀积该工艺是指利用化学气相淀积的方法来179其中：J是反应气体流量；hg是质量传输系数；ks是表面反应速率；Cg，Cs分别是气流中反应气体浓度和晶片表面反应气体浓度；其中：J是反应气体流量；hg是质量传输系数；ks是表面反应速180当ks>>hg时，生长速率由质量传输系数hg决定：当hg>>ks时，生长速率由表面反应速率ks决定：其中N是硅原子密度除以所生长分子中的硅原子数。2.5×1022cm-3

当ks>>hg时，生长速率由质量传输系数hg决定：当hg>181在常压下，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量传输速率和表面化学反应速率。在高温下，一般是质量输运控制。在低温下，一般是反应速率控制。在低压下，气体分子的平均自由程很大，因此质量传输速率较大，因此淀积速率主要取决于表面吸附和表面化学反应速率。常压外延和低压外延在常压下，吸附和解吸的速度比较快，因此淀积速率主要取决于质量182为什么基座要倾斜放？生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向，反应气体的分压逐渐减小，导致沿气流方向的生长速率不一致；将基座迎气流方向倾斜放置，则滞流层厚度会沿气流方向变薄，导致质量输运加快，生长速率增大，从而最终补偿由于反应气体分压减小带来的生长速率减小。为什么基座要倾斜放？生长速率与反应剂分压成正比，但随气流方向183硅同质外延工艺硅外延中常用的硅源有SiCl4，SiH2Cl2，SiHCl3，并用H2稀释，其中应用最广的是SiCl4。不用SiH4作反应气体，是因为易在气体中成核，而不是在硅片表面。对于SiCl4，主