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薄膜淀积与外延技术 PPT

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微电子工艺原理-第6讲薄膜工艺物理气相淀积-68页PPT文档资料

微电子工艺原理-第6讲薄膜工艺物理气相淀积-68页PPT文档资料
半导体工艺设备一般工作在初、中真空度。而在通入工作气 体之前，设备先抽至高、超高真空度。
20
气体G流---动-在及体积导率----气体动力学
V内气体的质量
ρ ----质量密
质量流速qm度(g/s)：
qm

dG dt

d(ρV) dt
阀门
气体流量Q (L·atm/min)：
Q

qm
p g
气流用标准体积来测量，指相同气体, 在0℃和1atm下所占的体积。
（cold pump | cryogenic pump | cryovacuum pump | low temperature pump）
利用低温表面冷凝气体真空 泵，又称冷凝泵。
抽气原理 在低温泵内设
有由液氦或制冷机冷却到极
低温度的冷板。它使气体凝
结，并保持凝结物的蒸汽压
力低于泵的极限压低温力泵，是从获得而清洁真空的极限压力最低、
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薄膜工艺主要内容
一、物理气相淀积 二、化学气相淀积 三、外延生长技术
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一、物理气相淀积（PVD）
21
气体传导率C
C Q P1 P2
C与电导率一样并联相加；串联时倒数相加 若大量气体流过真空系统，要保持腔体压
力接近泵的压力，就要求真空系统有大的 传导率----管道直径；泵放置位置
•泵的抽速Sp----体积置换率

【2024版】外延工艺培训课件

【2024版】外延工艺培训课件
工艺（SiCl4)：1、处理硅片2、基座的HCl腐蚀去硅程序（1）N2预冲洗（2）H2预冲洗（3）升温（两步）（4）HCl排空、腐蚀（5）H2冲洗（6）N2冲洗3、外延生长（1）N2预冲洗（2）H2预冲洗
（3）升温（两步）（4）HCl排空、抛光（5）H2清洗（6）外延生长（7）H2清洗-降低自掺杂效应（8）降温（9）N2清洗
反应物和载气（如H2）一起被引入反应器中，而晶片一般维持在650℃到850℃的范围。必须有足够的砷的过蒸汽压，以防止衬底和生长层的热分解。
3.7.1 外延生长原理1 气相外延外延是指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术，新单晶的晶向取决于衬底，由衬底向外外延而成。外延方法很多，硅半导体器件中通常采用硅的气相外延法。其过程是：四氯化硅（SiCl4)或硅烷（SiH4)，在加热的硅衬底表面与氢发生反应或自身发生热分解，还原成硅，并以单晶形式沉积在硅衬底表面。
2外延生长设备
外延系统应满足如下要求：(1)气密性好(2)温度均匀且精确可控，能保证衬底均匀地升温与降温；(3)气流均匀分布(4)反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控(5)管道、阀门用不锈钢制造，并保证连接可靠。(6)要使用多个流量计使反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控。(7)石墨基座由高纯墨制成。加热采用射频感应加热方式。
1、Genius only means hard-working all one's life. (Mendeleyer, Russian Chemist) 天才只意味着终身不懈的努力。21.5.265.26.202108:3008:30:57May-2108:302、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年五月二十六日2021年5月26日星期三3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。08:305.26.202108:305.26.202108:3008:30:575.26.202108:305.26.20214、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行5.26.20215.26.202108:3008:3008:30:5708:30:575、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Wednesday, May 26, 2021May 21Wednesday, May 26, 20215/26/2021

工学第六章薄膜工艺课件

工学第六章薄膜工艺课件

约为10-3Torr，铝的密度2.7g/cm3，半径40cm，代入上式得：源自R d＝17.4埃 /min
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？
1.4 物理淀积－溅射
简单平行板溅射系统腔体 晶片上形成薄膜。
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。
高真空
10-8 － 10-4 Torr 10-6 －10-2 Pa
超高真空 <10-8 Torr
<10-6 Pa
真空泵
1. 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。
2. 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。
• 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。
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
• 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。

《半导体材料制备技术》培训课件：半导体薄膜的生长与淀积

《半导体材料制备技术》培训课件：半导体薄膜的生长与淀积
2 、淀积薄膜对衬底的附着力更高，致密性更 好，淀积速率较高。
3、若不能有效控制等离子体中高能带电粒子 对生长表面的轰击，会影响薄膜结构完整性。
光CVD和LCVD：低温又不存在重离子轰击
光CVD方法利用气体分子对特定波长光的强吸 收作用提供反应动力
特点：参与反应和淀积的物质都有很强的选择性， 且淀积温度很低，因而薄膜不仅结构完美，纯度 也很高
V族源
Ⅴ族元素的化合物一般都采用砷烷(AsH3) 、磷烷(PH3) ,两 者均系剧毒气体。因此研究毒性较小的有机砷来代替实属必要。 有机砷化合物的毒性,随分子中含H 原子数目减小而降低,然而 使用毒性最低的TMAs ,将在淀积膜中引入大量C 沾污，因此,含 有2个H原子的叔丁基砷化氢(TBAs) ,被认为是目前较好的AsH3 的取代物;而取代PH3 以叔丁基磷化氢(TBP) 最有希望。
不经过固－液相变或固－气相变，直接或 通过同样也是固体的中间介质向生长界面 输运生长物质的外延生长。
两种可能的形式：一种是固体生长源直接 与生长表面接触；一种是固体生长源与生 长表面之间隔一层由其他固体物质构成的 输运介质。
离子注入的退火
锗核辐射探测器 欧姆接触的制作
非晶体 晶体
非晶体 晶体
器件工艺中主要用来制作金属接触；II-VI族化合 物；氧化物半导体 。
真空蒸发法原理
在任何温度下，材料表面都存在蒸汽，当材料的温 度低于熔化温度时，产生蒸汽的过程称为升华，而 熔化时产生蒸汽的过程称为蒸发。
真空蒸发：真空条件下，加热蒸发源，使原子或分 子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流入射到衬底表面， 凝结成固态薄膜
SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl SiCl4氢还原法的反应温度偏高，该方法并不十分

薄膜淀积工艺上.pptx

薄膜淀积工艺上.pptx
吸附过程
a 代表被吸附的物质
表面总反应
■ 吸附在硅表面的H2被解吸附，留下
空位，使反应可继续进行。
■
被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直
到找到空位成键。
■
表面扩散长度长时，淀积均匀；表
面扩散长度短时，淀积不均匀。
温度上升，扩散长度提高
淀积均匀性提高
图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型
第22页/共36页
对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。
(2)
高真空泵：

抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移
型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；

抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）
8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，
如铝、钨、钛等。
(3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等
SOG（Spin on Glass）
第3页/共36页
金属Cu的淀积
(7) 副产物离开反应器的输运
1、反应腔内的气体流动
最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率
第23页/共36页
2、反应腔内的化学反应
4、反应腔内的化学反应：
化学平衡与质量作用定律
(1) 假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，
且只进行一种反应，如：
(2) 化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变

《薄膜技术》PPT课件

《薄膜技术》PPT课件

– 在较高温度下：kS>>hG
N GS 0
v
NT N Si
hGY
质量转移控制
– 在较低温度下：kS<<hG 表面反应控制
N GS N G 0
v
NT N Si
kSY
在高温段〔质量转移
控制〕生长速率受温 度影响小,便于控制 〔可为±10°C〕
– 3〕生长速率与衬底取向的关系 v<110>>v<100>>v<111> ?
– 1〕掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制
Nf
Pf 0
NSi (NSi/H)PG0
– 2〕生长速率和温度的影响 为什么温度升高会使浓度降低？
Silicon Vapor Phase Epitaxy Reactors
Exhaust
RF heating
Horizontal reactor
Gas inlet RF heating
2) Dissociation of reactants by electric fields
3) Film precursors are formed
4) Adsorption of precursors
RF field
RF generator Electrode PECVD reactor
7) Desorption of by-products
By-products
8) By-product removal
Exhaust
5) Precursor diffusion
into substrate
6) Surface reactions Continuous film

薄膜淀积与外延技术

薄膜淀积与外延技术

设备成本：高 昂的设备成本 是制约薄膜淀 积与外延技术 发展的一个重
要因素。
工艺控制：薄 膜淀积与外延 技术的工艺控 制难度较大， 需要精确控制 淀积条件和参
数。
市场需求：目 前市场需求对 薄膜淀积与外 延技术的要求 越来越高，需 要不断进行技 术升级和创新。
未来发展方向与展望
添加 标题
发展趋势：薄膜淀积与外延技术将朝着更 高效、更精确、更可靠的方向发展，以满 足不断增长的性能需求和生产效率要求。
THANK YOU
汇报人：XX
原理：通过加热、电弧、激光等方式将材料气化，然后在基片上冷却、凝 结成膜。
分类：根据气化方式和沉积条件的不同，可以分为真空蒸发镀膜、溅射镀 膜、离子镀膜等。
应用：在电子、光学、机械等领域广泛应用，如制造太阳能电池、装饰膜、 防伪膜等。
化学气相沉积
定义：在固态 基体上形成固 态薄膜的方法
原理：利用气 态或蒸汽态的 化学反应，在 基体表面形成
优缺点比较
优点：薄膜淀积技术可以制备出高质量、高性能的薄膜材料，具有较高的沉积速率和较 低的成本；外延技术可以获得单晶薄膜，具有较高的晶体质量和完整性。
缺点：薄膜淀积技术制备的薄膜材料可能存在成分不均匀、结构不完整等问题；外延技 术需要使用昂贵的单晶衬底，成本较高，且生长过程中容易引入缺陷和杂质。
固态薄膜
优点：可控制 薄膜的成分和 结构，适用于
大面积制备
应用：在电子、 光学、机械等 领域广泛应用
液相外延法
定义：在单晶衬底上 通过液相外延法生长 薄膜材料的方法
原理：利用溶质在液 态与固态间的分凝现 象，将溶质从液态变 为固态在单晶衬底上 生长出薄膜
特点：生长的薄膜与 衬底材料晶格匹配， 成分可调，纯度高， 结晶质量好

薄膜淀积与外延技术

薄膜淀积与外延技术
优点
高纯度、高晶体质量、精确控制薄膜 厚度和组分、生长速度快、组分可调 范围广。
缺点
设备成本高、操作复杂、对衬底要求 高。
半导体器件制造
半导体薄膜淀积
在半导体器件制造过程中，薄膜淀积技术用于形成各种功能薄膜，如绝缘层、 导电层和介质层等，以实现器件的电学和光学性能。
外延生长
外延生长技术通过在单晶衬底上生长具有相同晶体结构的薄膜，实现单晶材料 的高效制备，广泛应用于集成电路、光电子器件等领域。
界面控制与稳定性
薄膜与基底的界面控制以及淀积过程中的稳定性是影响器件性能 的重要因素。
设备成本与兼容性
薄膜淀积设备成本高昂，且与现有设备兼容性差，限制了其广泛 应用。
未来发展方向和趋势
新材料与新技术的探索
随着新材料和新技术的发展，薄膜淀积与外延 技术将不断进步。
设备改进与优化
未来将不断改进和优化淀积设备，提高薄膜质 量和均匀性。
传感器和执行器
传感器
传感器中的薄膜淀积与外延技术用于形成敏感膜，实现气体、湿度、压力等物理量的检 测。
执行器
执行器中的薄膜淀积与外延技术用于形成驱动膜，实现微型机械、微流体等领域的驱动 和控制。
04
薄膜淀积与外延技术的挑战与未 来发展
技术挑战
薄膜质量与均匀性
在淀积过程中，如何保证薄膜的质量和均匀性是一个关键问题。
跨领域合作与协同创新
加强跨领域合作，推动薄膜淀积与外延技术的协同创新发展。
05
参考文献
参考文献
01
参考文献1
薄膜淀积与外延技术的研究进展与应用。作者：XXX，出版日期：
XXXX年X月。
02
参考文献2
薄膜淀积与外延技术的实验研究。作者：XXX，出版日期：XXXX年X月。
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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。
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。
• 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
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。薄膜分类来自• 超薄膜: ~10nm
• 薄膜: 50nm─10mm
• 单晶薄膜
• 典型薄膜: 50nm ─ 1mm • 多晶薄膜
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)
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。
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。
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）
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，…
（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
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
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、膜层均匀性好、薄膜 纯度高、针孔少、结构致密。
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)，