电子科大薄膜物理(赵晓辉)第四章 化学气相沉积

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1、主要内容主要内容 化学气相沉积的基本原理化学气相沉积的基本原理 CVD特点特点 CVD装置装置 低压低压CVD 等离子体化学气相沉积等离子体化学气相沉积 PECVD 金属有机物化学气相沉积金属有机物化学气相沉积 MOCVD 21. Introduction由化学气相沉积生由化学气相沉积生长的单晶钻石长的单晶钻石最硬的材料最硬的材料毁掉了硬度测试探毁掉了硬度测试探头头2.5mm 时间：时间：1天天C.S. Yan et al., Physica Status Solidi (a) 201,R25 (2004).3 化学气相沉积化学气相沉积/Chemical Vapor Deposition，简称

2、，简称CVD，是把含有构成，是把含有构成薄膜元素的一种或者几种化合物或单质薄膜元素的一种或者几种化合物或单质气体供给基片，借助气相作用或在基片气体供给基片，借助气相作用或在基片上的化学反应生成所需薄膜。上的化学反应生成所需薄膜。 Gas inlet/气体引入气体引入 gas decomposition/分解分解 gas reaction/反反应应 substrate adsorption/吸收吸收 gas exhaust/废气排除废气排除定义定义 41) gas decomposition/气气体分解 (1) 热热分解 (2) 等离子体分解 (3) 光 (激光，紫外) 分解2) 类类型根据不同

3、温温度，压压力， CVD chemical vapor deposition APCVD atmospheric pressure. LPCVD low-pressure. VLPCVD very low pressure PECVD plasma-enhanced. LECVD laser-enhanced. MOCVD metal-organic. ECRCVD electron-cyclotron resonance. VPE vapor-phase epitaxy53) 优优点 低成本介电电( 多晶硅, Si3N4, SiO2 )和金属属薄膜 沉积积速率快 高压压或低压压 厚度，缺陷和

4、电电阻控制 薄膜质质量好 适合半导导体, ex., Si3N4, SiO2 and 外延层层 辐辐照损伤损伤低 但是沉积温度高！但是沉积温度高！64) 影响响薄膜结构结构的因素(1) 基板或腔体的温温度(2) 生长长速率(3) 气压气压 这这些因素影响响了原子在表面的迁迁移速率。78APCVDThin Film反应气体反应气体(carrier)温度温度 ()生长速率生长速率(nm/min)wafer/hr外延外延SiCl4 (H2)/H2SiHCl3 (H2)/H2SiH2Cl2 (H2)/H2SiH4 (H2)/H211251120110011501050110010001075500150

5、050015005001000100300多晶多晶 Si SiH4 (H2)850100010040Si3N4 SiH4 /NH3 (H2)90010002040SiO2 SiH4 /O3 (H2)200500100160Table 1-1 半导体行业中采用半导体行业中采用 CVD CVD制备的薄膜制备的薄膜9LPCVD薄膜薄膜反应气体反应气体(载体载体)温度温度()生长速率生长速率(nm/min)外延外延 Si SiH2Cl2 (H2)/H210001075100多晶多晶 Si 100% SiH4 (0.2 torr)620100Si3N4 23% SiH4 (H2) (0.1 torr)S

6、iH2Cl2 /NH3(0.3 torr)640800194SiO2 SiH2Cl2 /N2O9008SiO2 SiH4 /O3SiH4 /PH3 /O3 (0.7 torr)450450101210PECVD薄膜薄膜反应气体反应气体(载体载体)温度温度()生长速率生长速率(nm/min)Si3N4 SiH4/NH3(N2) (0.3 torr)30010SiO2 SiH2Cl2 /N2O25084 -SiSiH4 /H3(0.1 torr)300611 并非所有组成部分都有。并非所有组成部分都有。气源在气源在基板表面反应基板表面反应，沉积生成薄膜。，沉积生成薄膜。122. 反应类型反应类型P

7、yrolysis/热分解热分解 (thermal decomposition)AB(g) - A(s) + B(g) ex: Si 沉积 650oCSiH4(g) - Si(s) + 2H2(g) 适用于 Al, Ti, Pb, Mo, Fe, Ni, B, Zr, C, Si, Ge, SiO2, Al2O3, MnO2, BN, Si3N4, GaN, Si1-xGex, . . .13Reduction/还原和还原和Exchange/置换置换一般用H2 AX(g) + H2(g) A(s) + HX(g)温度比热分解低过程可逆 = 也可用于清洁ex: W 沉积 300oCWF6(g) +

8、 3H2(g) W(s) + 6HF(g) 适用于Al, Ti, Sn, Ta, Nb, Cr, Mo, Fe, B, Si, Ge, TaB, TiB2, SiO2, BP, Nb3Ge, Si1-xGex, . . .14Oxidation/Nitrition 氧化氧化/氮化氮化采用O2 /N2AX(g) + O2(g) - AO(s) + OX(g)ex: SiO2 沉积 450oC (温度比热氧化要低)SiH4(g) + O2(g) - SiO2(s) + 2H2(g) 适用于Al2O3, TiO2, Ta2O5, SnO2, ZnO, . . .15Compound formatio

9、n常采用氨水或水蒸气AX(g) + NH3(g) - AN(s) + HX(g)AX(g) + H2O(g) - AO(s) + HX(g)ex: 耐磨涂层沉积(BN) 1100oCBF3(g) + NH3(g) - BN(s) + 3HF(g) 适用于TiN, TaN, AlN, SiC, Al2O3, In2O3, SnO2, SiO2, . . .16Disproportionation/歧化反应歧化反应化合物包含多种价态的成分2AB(g) A(s) + AB2(g)ex: 适用于Al, C, Ge, Si, III-V compounds, . . .17Reversible Tran

10、sfer/可逆输运可逆输运 适用于 GaInAs, AlGaAs, InP, FeSi2, . . .18反应如何进行反应如何进行? ?取决于以下因素取决于以下因素: 温度温度 气压气压 反应物反应物 (纯度，浓度纯度，浓度) Thermodynamics and kinetics热力学与动力学热力学与动力学19Thermodynamics and kinetics 热力学：物质的平衡态以及状态变化时的热力学：物质的平衡态以及状态变化时的物理、化学过程。物理、化学过程。 动力学：物质状态变化的驱动力以及速率动力学：物质状态变化的驱动力以及速率。20213. 反应定律反应定律3.1 CVD 的热

11、力学的热力学 确定可能的反应确定可能的反应 忽略反应速率忽略反应速率 D DGr 是标准是标准. D DGr0P111 在气流流动的系统中并非严格在气流流动的系统中并非严格(非平衡态非平衡态) Ellingham plots 很有用很有用 （Fig 4.2）223.2 CVD 过程过程气气体体输输入入气气体体对对流流气气相相扩扩散散表表面面吸吸附附表表面面反反应应表表面面脱脱附附薄薄膜膜成成核核生生长长23CVD 源源 源类型源类型/ gasses (最简单最简单) volatile liquids/易挥发液体易挥发液体 sublimable solids/ 可升华固体可升华固体 Combin