ch7化学气相淀积ppt课件

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资金是运动的价值,资金的价值是随 时间变 化而变 化的, 是时间 的函数 ,随时 间的推 移而增 值,其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
7.2.2薄膜淀积速率及影响因素
1969年建立的Grove模型认为控制薄膜淀积
气体
薄膜 衬底
的两个步骤:一是气相质量输运过程,二是表
面化学反应过程。
➢ 淀积的薄膜是非晶或多晶态,衬底不要求是单晶材料,只 要是具有一定平整度,能够经受淀积温度即可。
➢ 特点:附着性好;薄膜保形覆盖能力强; ➢ 应用:绝缘介质薄膜,多晶硅半导体薄膜等薄膜制备方面
;金属化系统中的钨、硅化物等金属、金属硅化物;深亚 微米中的微小接触孔或高深宽比结构的衬底表面能够很好 的覆盖薄膜。
一般到达角 越大淀积 速率越快
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7.2.3薄膜质量控制——台阶覆盖特性
➢ 到达角(arrival angle)指反应剂能够从各方向到达表面的某 一点,这全部方向就是该点的到达角。到达角越大,能够到 达该点的反应剂分子数量就越多,该点淀积的薄膜就越厚。
资金是运动的价值,资金的价值是随 时间变 化而变 化的, 是时间 的函数 ,随时 间的推 移而增 值,其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
本章主要内容
➢ 7.1 CVD概述 ➢ 7.2 CVD工艺原理 ➢ 7.3 CVD工艺方法 ➢ 7.4 二氧化硅薄膜的淀积 ➢ 7.5 氮化硅薄膜淀积 ➢ 7.6 多晶硅薄膜的淀积 ➢ 7.7 CVD金属及金属化合物薄膜
表面反应控制, ks << hg
G∝ks∝exp(-EA/kT)
质量传输控制, ks >> hg
G∝hg∝1/δ
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7.2.2薄膜淀积速率及影响因素
vapor deposition ) 温度分类 ➢ 低温CVD ➢ 中温CVD ➢ 高温CVD
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7.2CVD工艺原理
➢ (1)反应剂引入,在衬底表面附近形成“滞留层” ➢ (2)反应剂被吸附在硅片表面,并进行化学反应 ➢ (3) 在硅片表面成核、生长成薄膜 ➢ (4)反应后的气相副产物排出反应室
7.2.2薄膜淀积速率及影响因素
➢温度较低时,淀积速率与温度是指数 关系,温度升高,淀积速率加快。因 为温度较低时,ks<<hg,淀积速率受 ks限制,而ks随着温度的升高而变大。 随着温度升高,淀积速率对温度的敏 感程度不断下降。
➢当温度高过某个值之后,淀积速率就 由表面反应控制转为气相质量输运控 制,也就是表面反应所需的反应剂数 量高于到达表面的反应剂数量,表面 反应不再限制淀积速率,这时淀积速 率由反应及通过边界层输运到表面的 速率所决定,而ks值对温度不敏感。
反应剂到达衬底表面的扩散流密度Jg为:
JgD gCsCghg(CgCs)
Cg
Dg为反应剂气相扩散系数;Cg、Cs为主气
Cs
流区和衬底表面的反应剂浓度;δ为边界层厚度;
hg为气相质量传输系数,hg=Dg/ δ。
Jg
Js
反应剂发生化学反应生成的薄膜物质的原子 流密度Js为: Js ksCs
ks k0eEa/kT
在稳态,两个流密度应相等,由Jg=Js=J,因此:
1
Cs
Cg
1
ks hg
薄膜淀积的速度G表示为:
GJkshg Cgkshg CTY N kshg N kshg N
Cg CTY
其中,CT为主气流区单位体积中的分子数;Y为反应剂的摩尔百分比, N 表示单位体积薄膜中的原子数,多晶硅薄膜的N=5x1022atoms/cm3 。
CVD的化学反应条件
CVD的表面淀积过程与气相外延不同,淀积工艺没有外延工艺 要求严格,CVD淀积使硅生长为多晶硅的原因:
➢ 衬底温度较外延低,硅原子在表面的迁移慢,未能全部迁移 到结点位置上;
➢ 淀积速率过快,未等硅原子全部迁移到结点位置就被其它硅 原子所覆盖,成为薄膜中的硅原子;
➢ 衬底表面可以不是单晶,如衬底硅片整个表面或部分表面已 有氧化层;
淀积速率与反应剂的浓度成正比。反应剂稀释时,淀积速率与反应剂 的摩尔百分比成正比。
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7.2.2薄膜淀积速率及影响因素
➢ 硅烷的气流速率较低时,多晶硅淀积速率和硅烷气流速 率呈线性关系,而反应剂的浓度与气流速率成正比。浓 度低时,薄膜淀积速率的表达式与试验相吻合。
➢ 忽略了垂直于边界层方向存在的温度梯度对气相物质输运的影响;
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7.2.3薄膜质量控制
➢台阶覆盖特性 ➢薄膜中的应力 ➢薄膜的致密性 ➢薄膜厚度均匀性 ➢薄膜的附着性
ks为化学反应速率常熟;k0为与温度无关的 常数;Ea为激活能;k为波尔兹曼常数;T为热 力学温度。
Grove模型
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7.2.2薄膜淀积速率及影响因素
Grove模型的指导作用和局限
➢ 质量输运控制CVD中,反应剂浓度的均匀性很重要;对温 度的控制不必很严格。
➢ 表面化学反应控制CVD中,温度均匀性很重要;对反应剂 浓度控制不必很严格。
➢ 在反应剂浓度较低时Grove模型和实测结果吻合得较好,浓 度较高则不然。
➢ 忽略了反应产物的解吸、流速影响;因为浓度高时,副产物数量增 多,阻挡了反应及进入边界层和在基片表面的吸附;
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7.1CVD概述
气压分类 ➢ 常压化学气相淀积(APCVD, Atmospheric pressure chemical vapor
deposition ) ➢ 低压化学气相淀积(LPCVD, Low pressure chemical vapor deposition ) 反应激活能分类 ➢ 等离子增强化学气相淀积(PECVD, Plasma enhanced chemical vapor
➢ 边界层厚度受气体压力和气流状态等因素影响。常压淀积时 ,孔洞或沟槽内部气体边界层比平坦部位厚,分子平均值自 由程很小,表面反应剂气体浓度较低,该点淀积较薄,如图 中C点。
➢ 低压淀积时,反应剂气体分子自由程较长,分子碰撞概率降 低,表面反应剂浓度与到达角有关外,还与遮蔽效应有关。
➢ 遮蔽(Shadowing)效应——衬底表面上的图形对反应剂气体 分子直线运动的阻挡作用。直接入射到D点的入射角θ远小于 平面部位。深宽比越大,孔洞或沟槽内部D点的入射角θ越小 ,遮蔽效应就越严重。
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7.2.1薄膜淀积过程
多晶硅薄膜淀积为例,反应剂为用氢气稀释的硅烷,反应为 SiH4→Si+2H2
淀积过程分为5个基本步骤: ➢ 氢气和硅烷混合物进入反应室; ➢ 硅烷从主气流区以扩散方式穿过边界层到达衬底硅片表面; ➢ 硅烷以及在气态分解的含硅原子团吸附在硅片表面,成为吸
附原子; ➢ 吸附的硅和含硅原子团发生表面化学反应,生成硅在衬底上
聚集,连接成片、被后续硅原子覆盖成为淀积薄膜; ➢ 反应副产物氢气和未反应的反应剂从衬底表面解析,扩散穿
过边界层进入主气流区,被排出系统。 与外延相似,由气相质量输运和表面化学反应两个过程完成。
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deposition ) ➢ 金属有机物化学气相淀积(MOCVD, Metal-Organic chemical vapor
deposition ) ➢ 激光诱导化学气相淀积(LCVD , Laser chemical vapor deposition ) ➢ 微波等离子体化学气相淀积(MWCVD, Microwave assisted chemical
7.2.2薄膜淀积速率及影响因素
温度的影响——两种极限情况
ks>>hg G=CThgY/N1
ks k0eEA/kT
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
hg
Dg δ
,Dg
T 11.8
ks<<hg G=CTksY/N1
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7.2.1薄膜淀积过程
CVD反应室内的流体动力学 ➢ 反应室工作气体是常压或初真
空度,分子平均自由程远小于 反应室尺寸,主气流区是层流 状态,气体有稳定流速。 ➢ 边界层:主气流区与硅片之间 流速受到扰动的气体薄层。 ➢ 边界层厚度δ
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7.2.1薄膜淀积过程
CVD的设备 ➢ 立式反应器中浮力驱动
的再循环流,边界层等 同于气体流速趋于零的 黏滞层(或称为附面层 ),而源和气态副产物 仍以扩散方式穿越黏滞 层。
立式反应器中浮力驱动的再循环流
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7.2.3薄膜质量控制——台阶覆盖特性
薄膜台阶的覆盖方式: ➢保形覆盖:无论衬底表面有什么样的倾斜图形,在所有图形 上面都能淀积有相同厚度的薄膜。 ➢非保形覆盖:衬底表面淀积的薄膜厚度不均匀。 ➢薄膜淀积速率由衬底温度和表面反应剂浓度决定。同一衬底 不同位置的温度可以看成是完全相同的。反应剂是通过气相扩 散穿过边界层到达衬底表面,所以表面反应剂的浓度与同一衬 底不同位置的到达角和边界层厚度有关。
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7.1CVD概述
➢ 化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition, CVD)是将构成薄 膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气以合理的流速通 入反应室,通过化学反应在衬底上进行薄膜淀积的工艺方 法。
SiH4→poly-Si+2H2↑
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7.2.2薄膜淀积速率及影响因素
Y一定时, G 由hg和ks中较小者决定
➢如果hg>>ks,则Cs≈Cg——表面化学反应速率控制过程,有
G
CT N
ksY
ks
k0
expEa k T
表面(反应)控制,对温度特别敏感 。
➢如果hg<<ks,则CS≈0——质量传输速率控制过程,有
C G T hY
Ng
质量输运控制,对温度不敏感。
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