薄膜淀积与外延技术 PPT

Epitaxy Substrate
Single crystal (epitaxy)
Courtesy Johan Pejnefors, 2001
Polycrystalline
5.2 化学气相沉积
化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体
供给基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激光等能源， 借助气相作用或在基板表面的化学反应（热分解或化学合 成）生长要求的薄膜。 CVD装置的主要部分：反应气体输入部分、反应激活能 源供应部分和气体排出部分。 CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜，近年来， 已研制出金刚石薄膜、高Tc超导薄膜、透明导电薄膜以及 某些敏感功能薄膜。
5.2 化学气相沉积
对薄膜的要求
1. 组分正确，玷污少，电学和机械性能好
2. 片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好
3. 台阶覆盖性好（conformal coverage — 保角覆盖）
4. 填充性好
5. 平整性好
5.2 化学气相沉积
CVD法制备薄膜具有很多优点，如薄膜组分任意控 制、生长温度低于组成物质的熔点Leabharlann Baidu膜层均匀性好、薄膜 纯度高、针孔少、结构致密。
等离子体增强淀积（PECVD）等
CVD反应必须满足三个挥发性标准
✓ 在淀积温度下,反应剂必须具备足够高的蒸汽压 ✓ 除淀积物质外,反应产物必须是挥发性的 ✓ 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压
5.2 化学气相沉积
化学气相沉积的基本原理
化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表面形成 固态薄膜的一种成膜技术。 CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体的化学反应。 CVD完全不同于物理气相沉积（PVD）
（3）化学角度
有 机 薄 膜 无 机 薄 膜
5.1 概述
（4）组成
金 属 薄 膜 非 金 属 薄 膜
（5）物性
硬质薄膜
声学薄膜
热学薄膜 金属导电薄膜
半导体薄膜
超导薄膜
介电薄膜
磁阻薄膜
光学薄膜
薄膜的一个重要参数
厚度，决定薄膜性能、质量 通常，膜厚 < 数十um， 一般在1um 以下。
5.1 概述
两种常见的薄膜结构 • 单层膜
• 周期结构多层膜
A Substrate
B A B A Substrate
5.1 概述
在集成电路制备 中，很多薄膜材 料由淀积工艺形 成
Deposition
✓半导体薄膜：Si
✓介质薄膜：SiO2，Si3N4, BPSG，…单晶薄膜：Si, SiGe（外延）
✓金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，…
CVD分类： 按 淀 积 温 度 ： 低 温 （ 200 ～ 500℃ ） 、 中 温 （ 500 ～
1000℃）和高温（1000 ～1300℃）
按反应器内的压力：常压和低压
按反应器壁的温度：热壁和冷壁
按反应激活方式：热激活和冷激活
5.2 化学气相沉积
化学气相淀积（CVD）的应用及分类
✓ 单晶 (外延）、多晶、非晶（无定型）薄膜 ✓ 半导体、介质、金属薄膜 ✓ 常压化学气相淀积（APCVD），低压CVD (LPCVD)，
多晶薄膜：poly-Si
薄膜的应用：半导体器件；电路连接；电极；光电子器件；半 导体激光器；光学镀膜
5.1 概述
淀积是指在wafer上淀积一层膜的工艺，淀积薄膜的工艺有很多种， 化学气相淀积、物理气相淀积、蒸发等很多。
化学气相淀积（CVD）是通过气态物质的化学反应在wafer表面 淀积一层固态薄膜的工艺。CVD法淀积薄膜可用以下几个步骤 解释薄膜的生长过程：参加反应的气体传输到wafer表面；反 应物扩散至wafer表面并吸附在其上；wafer表面发生化学反应， 生成膜分子和副产物；膜分子沿wafer表面向膜生长区扩散并 与晶格结合成膜；反应副产物 随气流流动至排气口，被排出 淀积区。
• 厚膜: ~10mm ─ ~100mm • 无序薄膜
5.1 概述
（1）物态
气 态 液 态 固 态(thin solid film)
（2）结晶态：
非 晶 态 ： 原有 子、 序 排 长列 程短 。 无程 序
晶 态 多 单
晶 晶
： ：
外 、在 延单 生晶 长基 底质 上外 同延 质 和
在 一， 衬由 底许 上多 生取 长集 向合 相体 异组
5.1 概述
两 1）化学气相淀积 — Chemical Vapor Deposition (CVD)
类 主
一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生 化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 例如：APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD
要 2）物理气相淀积 — Physical Vapor Deposition (PVD)
的 利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬
淀 底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。
积 例如：蒸发 evaporation，溅射sputtering
方
式
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
5.1 概述
除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有: ✓旋涂Spin-on ✓镀/电镀electroless plating/electroplating
铜互连是由电镀工艺制作
5.1 概述
外延硅应用举例
外延：在单晶衬底上生长一层新的单晶层，晶向取决于
衬底
5.1 概述
多晶硅薄膜的应用
CMOS栅电极材料；多层金属化电极的导电材料
5.2 化学气相沉积
化学气相沉积[Chemical Vapor
Deposition (CVD)]：是通过气态 物质的化学反应在衬底上淀积薄膜 的工艺方法。
CVD基本原理包括：反应化学、热力学、动力学、输运过程、 薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。
5.2 化学气相沉积
CVD法实际上很早就有应用，用于材料精制、装饰涂层、 耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。在电子学方面PVD法用于制作 半导体电极等。
薄膜淀积与外延技术
5.1 概述
采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的 基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面 形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。
薄膜分类
• 超薄膜: ~10nm
• 薄膜: 50nm─10mm
• 单晶薄膜
• 典型薄膜: 50nm ─ 1mm • 多晶薄膜