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1、西南科技大学理学院 刘德雄 2013.04.01 第八章 薄膜淀积 本章重点 n硅外延薄膜制备原理 nSiO2薄膜 n化学气相淀积(CVD) n物理气相淀积(PVD) n薄膜类型 外延薄膜器件工作区 掩蔽膜实现定域工艺 绝缘介质膜表面保护、钝化、隔离 金属膜及多晶膜电极引线及栅电极 n薄膜材料 半导体材料Si、GaAs、GaN、SiC、SiGe 金属材料Al、Au、Pt、Ni、Cu、W 无机材料SiO2 、Si3N4 有机材料 薄膜淀积概述 n薄膜制备 间接生长法：制备薄膜所需的原子或分子通过 化学反应得到。 包括：气相外延、热氧化、化学气相淀积（ CVD) 等。 直接生长法：制备薄膜所需的原
2、子或分子不通 过化学反应，直接转移到衬底上。 包括：液相外延、固相外延、分子束外延（ MBE) 、真空蒸发、溅射、涂敷等 薄膜淀积概述 8.1 硅外延薄膜制备原理 n外延（epitaxy):在单晶衬底上生长一层新的单 晶的方法（技术）。 特点：沿衬底的晶向方向生长；外延温度 低于晶体的熔点；外延层可与衬底形成突变 PN结。 n外延层：衬底上新生长的单晶层。 n外延片: 生长了外延层的衬底。 8.1 硅同质外延薄膜制备原 理 n外延的分类 按工艺分类： n气相外延 n液相外延 n固相外延 nMBE（分子束外延） 8.1 硅同质外延薄膜制备原 理 按材料分类 n同质外延：外延层材料与衬底材料相同。
3、 n异质外延：外延层材料与衬底材料不相同，如外延 SiGe、GaN、SiC、SOS(Silicon on Sapphire)、 SOI(Silicom on Insulators) 按压力分类 n常压外延 n低压（减压）外延 一、外延生长动力学原理 1.生长过程H2还原SiCl4体系 n生长反应： SiCl4 + 2H2Si(s)+4HCl(g) n腐蚀反应： SiCl4+ Si(s) 2SiCl2 n中间生长反应： SiCl4 + H2SiHCl3 +HCl SiCl4 + H2SiCl2+2HCl SiHCl3 + H2 SiH2Cl2 +HCl SiHCl3 SiCl2+HCl SiH2
4、Cl2 SiCl2+H2 一、外延生长动力学原理 n生成的SiCl2吸附在衬底表面： 2SiCl2=Si(s)+SiCl4 SiCl2+H2=Si(s)+2HCl 一、外延生长动力学原理 n外延生长的步骤 传输（扩散）：反应物从气相转移到Si表面； 吸附：反应物吸附在Si表面； 化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物 脱吸：副产物脱离吸附； 逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室 加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上； 一、外延生长动力学原理 n外延生长速率:与化学反应动力学、吸（脱）附 动力学、扩散动力学有关，取决于最慢者。 常压外延：取决于扩散与化学反应； 低压外延：取
5、决于吸附与化学反应。 2.生长动力学原理 简单的生长模型：假定反应器空间尺寸与基 座相比，可视为无限大，且温度均匀。 一、外延生长动力学原理 速度附面层：速度分布受到扰动的区域，也称滞留层 n自由流体：速度附面层以外的流体。 n附面层厚度u:在该处的流速是自由流体流速uT的99 。 式中，气体粘滞系数；g气体密度；n无量 纲常数，线性分布n 。 若基座的长度L， 则 一、外延生长动力学原理 uT=M/S，M气体流量，S反应器截面积。 质量附面层N：小于N，浓度分布不均匀； 大于N，浓度分布均匀。 n假定在N内，浓度呈线性分布，则 ，0y N 式中，NG N内的反应剂浓度；NGS外延层表面反应
6、剂浓度；NG0N外的反应剂浓度. ； 一、外延生长动力学原理 n设外延层表面反应剂离子流密度为J1,则 式中，DG反应剂在H2中的扩散系数；hG反应剂的气 相转移系数（hG=DG/ NDG/ u)。 n设外延层表面消耗的离子流密度为J2，则 J2=ksNGS ks表观化学反应速率常数. n平衡时， |J1|=J2=J，则 一、外延生长动力学原理 n生长速率 式中，NT单位体积混合气体总分子数；Y反应剂摩 尔分数；NSiSi原子密度。 当hG ks，则 NGSNG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。 当ks hG，则 NGS 0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转
7、移控制。 二、外延掺杂及杂质再分布 1. 掺杂原理以SiH4-H2-PH3为例 n 2PH3(g)=2P+3H2 n设Nf为外延层中的杂质浓度，pfs为外延层表面处掺杂 剂的分压，则有 Nf=Hpfs亨利定律， H亨利常数 n向表面输运的掺杂剂离子流密度为 Jf1=-(hf/kT)(pf0-pfs) 式中，pf0气相中掺杂剂的分压； hf掺杂剂气相质量转移系数 二、外延掺杂及杂质再分布 n表面所消耗的掺杂剂粒子流密度为 Jf2vNf ， 式中，v生长速率 n平衡时， Jf1 Jf2，hGhf，则 Pf0/pfs 1+HpG0/NSi ，Nf/NSi =Pf0/(pG0+NSi/H)， pG0气
8、相中反应剂分压。 或 二、外延掺杂及杂质再分布 2.影响掺杂浓度的因素 掺杂剂分压Pf0：Nf 与 Pf0成正比（图315a） 外延工艺（温度、生长速率）： n掺杂剂分压一定时：高温下，H与v无关，掺杂浓度随 生长速率的增加而下降；低温下， Nf HPf0，且H 随生长速率的增加而增加，因此掺杂浓度与生长速率 成正比；。 二、外延掺杂及杂质再分布 3.杂质再分布 n再分布：外延层中的杂质向衬底扩散； 衬底中的杂质向外延层扩散。 n总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。 衬底杂质的再分布（图321） n初始条件:N2(x,0)=Nsub,x0; n边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即 二、外延掺杂
9、及杂质再分布 n边界条件二：在外延层表面（x=xf）,扩散流密度Jd为 n解得： 式中，D2衬底杂质的扩散系数；h2衬底杂质气相转 移系数；Jd衬底杂质抵达外延层表面的扩散流密度； 二、外延掺杂及杂质再分布 Jb单位时间内，进入新生长层（1个单位面积）中的 衬底杂质数（ Jb vN2(xf,t)）；Js蒸发到气相中的杂 质流密度（ Js h2N2(xf,t)）；vt外延层厚度；Nsub 衬底原始杂质浓度；N2 (x,t)衬底杂质浓度分布。 当vt ，可简化得 二、外延掺杂及杂质再分布 外延掺入杂质的再分布 nNf外延层掺入杂质的原始浓度；N1(x,t)掺入杂质 的最终分布。 n初始条件： N1
10、(x,0)0， （xt+t*，则ZOX=B/A(t+t*)，表面反应控制 ，（B/A线性速度常数） nb.当A2/4B湿氧干氧； n原因：a.反应激活能：E(H2O)=1.96eV,E(O2)=2.0eV; b.在SiO2中的固溶度：NH20=3X1019cm-3, NO2=5x1016cm-3 n5.加速自建场的影响 n干氧氧化：有一个快速的初始氧化阶段，即 z*=(233)nm t*(A/B)z* n湿氧和水汽氧化： t*0 n表格- 本征的B、B/A和t*值 四、实现SiO2的扩散掩蔽作用 的条件 1.对扩散系数的要求 n杂质在Si中的扩散深度(结深) n杂质在SiO2中的扩散深度 nZ
11、jO:杂质在窗口(Si中)扩散深度达到Zj的同时,而 在氧化层内距表面为ZjO处的杂质浓度达到某一 人为指定值Nob。 四、实现SiO2的扩散掩蔽作用 的条件 n设氧化层厚度为ZOX，则 nSiO2具有掩蔽扩散作用的条件： ZOX ZjO，即 n若DOXD，则ZOX较厚，难于制备、光刻，如Ga,Al； DOX900):微晶，阻挡Na+作用弱。 低温（T400 Mo+HF MoCl5+H2 600-700 Mo+HCl WF6+H2 600-700 W+HF n用途：MOS管的栅电极、互连线等。 n PSG(phosphorus-doped silicon dioxide glass,磷硅玻璃)
12、及BPSG(boron-doped phosphosilicate glass ,硼磷硅玻璃） n组分： PSG :SiO2+P2O5 BPSG :SiO2+B2O3 n淀积反应：PH3+O2 400 P2O3+H2O B2H6+O2 400 B2O3+H2O 一、定义及反应方程式 3.CVD工艺的特点 CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻 了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成； 设备简单，重复性好； 薄膜的成分精确可控、配比范围大； 淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅 射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米。且能大量 生产； 淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性
13、好。 二、各种CVD方法 1. APCVD（常压化学气相淀积） n定义：化学反应在常压下进行。 n淀积机理：气相传输控制过程。 n优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便； n缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反 应，产生微粒污染。 n淀积薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄 膜。 二、各种CVD方法 2. LPCVD(低压化学气相淀积） n定义：在27270Pa压力下进行化学气相淀积 。 n淀积机理：表面反应控制过程。 n优点：均匀性好（35，常压： 10） ；台阶覆盖好；效率高、成本低。 n缺点：相对APCVD，淀积速率低，温度高。 n淀积薄膜： poly
14、-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、 BPSG等。 二、各种CVD方法 3. PECVD（等离子体增强化学气相淀积） n等离子体：在低压气体上施加射频（RF）电场，其中的 少量自由电子被加速而获得能量。加速电子与气体碰撞， 产生二次电子、离子及受激原子、分子（活性基团）。二 次电子又可碰撞产生更多的电子、离子等，且正负电荷相 等。这种雪崩电离最终使气体成为等离子体。 n淀积原理: 活性基团吸附在表面，发生化学反应，生成 薄膜元素，形成薄膜层。 二、各种CVD方法 n淀积机理：表面反应控制过程。 n优点：温度低（200350）；更高的淀积速率； 附着性好；台阶覆盖好；电学特性好； n缺点
15、：产量低； n淀积薄膜：金属化后的钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线的介质膜（ Si3N4 、SiO2） 。 三、台阶覆盖（step coverage） 四、磷硅玻璃回流（P-glass flow） 8.4 物理气相淀积(PVD) n定义：利用某种物理过程如蒸发或溅射方法实现物质的转移，即 原子或分子由源转移到衬底(硅)表面上，并淀积成薄膜。 n分类：真空蒸发法 和 溅射法 n真空蒸发法 优点：较高淀积速率，较高薄膜质量(系统真空度高) 缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元薄膜时组份难控制 n溅射法 优点：淀积多元薄膜时组份易控制，淀积薄膜与衬底附着性好 n溅射法在很大程度上已经取代了真空蒸发法，
16、但真空蒸发法在科 研和III-V族化合物半导体工艺中仍被采用。 真空蒸发法 n定义：利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸气压进行薄膜制备。 n分类 热蒸发：通过加热蒸发源使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成 蒸汽流并入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜； （对于熔点不是很高，易熔化的材料） 电子束蒸发：利用定向高能电子束照射蒸发源使其获得高温，从 而蒸发获得固态薄膜。 (对于高熔点难熔材料) n衬底为低温，蒸发源为高温 热蒸发台 基板 蒸发源 真空系统 电子束蒸发台 电子束蒸发台（实验室用） 真空蒸发法制备薄膜的基本过程 n加热蒸发过程，对蒸发源加热，使其温度接近或达到蒸发材料的 熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气。 n原子或
