化学汽相沉积技术.ppt

PVD vs. CVD CVD: Chemical reaction on the surface PVD: No chemical reaction on the surface Chemical Vapor Deposition (CVD化学气相沉积) CVD的在集成电路制造中的重要性 CVD的特点 介电材料：SiO2, Si3N4, SiOxNy, PSG, BSG (BSG: Boron-doped SiO2 , 硼硅玻璃; PSG: phospho silicate glass(PSG), 磷硅玻璃) 低介电材料:掺碳SiO2, 氟化非晶碳 高介电材料：Ta2O3, BST(Ba0.5Sr0.5TiO3) 导电材料: Polysilicon, WSix, W, TiN/Ti, Cu CVD过程六种基本化学反应(一) 薄膜先驱物反应 （举例） SiH4(g) - SiH2(g) + H2(g) (高温分解) SiH4(g) + SiH2(g) - Si2H6(g) (反应半成品) Si2H6(g) - 2Si(s) + 3H2(g) (最终产物) SiH2(g) - Si(s) + H2(g) (最终产物) 薄膜沉积速率限制阶段 薄膜沉积受到的两个主要影响因素 反应气体传输到达表面的速率 化学反应的速率 由反应速度最慢的阶段决定薄膜沉积速率。 CVD的反应体系的基本要求 能够形成所需要的材料淀积层或材料层的组合，其它反应产物均易挥发； 反应剂在室温下最好是气态，或在不太高的温度下有相当的蒸气压，且容易获得高纯品； 在沉积温度下，沉积物和衬底的蒸汽压要足够低； 淀积装置简单，操作方便．工艺上重复性好，适于批量生产，成本低廉． CVD工艺原理 考虑一个简单的管式炉做poli-Si的CVD沉积 1，管壁温度Tw，硅片基底温度Ts 2，从左边入口通入SiH4和H2，SiH4分解生成Poli-Si，H2作为稀释剂 3，气体进入反应腔室，温度与管壁相同 4，反应生成物和未反应的气体从右边出口流出 5，腔体中气流足够慢，反应腔压强均匀。 CVD反应过程 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H2，反应关系式： 吸附过程： 表面总反应： 反应腔内的气体流动动力学 气体流动决定了化学物质的输运和气体的温度分布 对CVD系统中气流的几个假设： 1，气体是黏性流，且不可压缩 2，气体在管壁表面的速度为零 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边流入，则在Z距离内，气体将展开为完全的管道流（抛物线形） 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， μ 是动黏度， ρ是气体质量密度，η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 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（滞留层）近似： 在边界层中气流速度为零，在边界层外气流速度为v 边界层的厚度与沿气流方向的位置有关 m气体运动黏滞率，v气流速率 z 沿气流方向坐标 边界层厚度随着z1/2而增加 为了维持沉积速率的均匀，必须保证边界层的厚度均匀 因此一般采用楔形基座，沉积表面朝气流方向倾斜。 气相输运的扩散系数与温度的关系式有： 与体扩散系数相比，De 对温度的依赖性要弱得多。 与此对应的，化学反应速率系数与温度的关系式有： 因此，CVD过程受限于 (1) 化学反应； (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。 CVD淀积速率与温度的关系 实验结果显示： 1、低温度下，淀积速率随温度倒数减小而增加 化学反应速率限制区 淀积速率是温度的敏感函数 2、高温度下，淀积速率随温度倒数减小的增加幅度趋缓 质量输运速率限制区 淀积速率是气体浓度的敏感函数， 需控制气流及腔室设计 CVD的类型 Atmosphere Pressure CVD常压化学气相沉积法 在大气压下进行. 发生在质量输运限制沉积阶段. 对气体流量分布均匀性要求高. 常用于沉积SiO2和Si3N4. 优点：设备简单，沉积速率快. 缺点：容易出现颗粒，台阶覆盖能力差. A