微电子工艺原理第6讲薄膜工艺3.ppt

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1、第六讲薄膜工艺之化学气相淀积主讲人：李方强8/26/2021118/26/202128/26/202134.1化学气相沉积合成方法发展化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。化学气相沉积的英文词原意是化学蒸汽沉积（ChemicalVaporDeposition,CVD），因为很多反应物质在通常条件下是液态或固态，经过汽化成蒸汽再参与反应的。8/26/20214化学气相沉积的古老原始形态可以追朔到古人类在取暖或烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑

2、色碳层。作为现代CVD技术发展的开始阶段在20世纪50年代主要着重于刀具涂层的应用。从20世纪60～70年代以来由于半导体和集成电路技术发展和生产的需要，CVD技术得到了更迅速和更广泛的发展。8/26/20215CVD技术不仅成为半导体超纯硅原料—超纯多晶硅生产的唯一方法，而且也是硅单晶外延、砷化镓等Ⅲ～Ⅴ旋半导体和Ⅱ～Ⅵ旋半导体单晶外延的基本生产方法。在集成电路生产中更广泛的使用CVD技术沉积各种掺杂的半导体单晶外延薄膜、多晶硅薄膜、半绝缘的掺氧多晶硅薄膜；绝缘的二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃薄膜以及金属钨薄膜等。在制造各类特种半导体器件中，采用C

3、VD技术生长发光器件中的磷砷化镓、氮化镓外延层等，硅锗合金外延层及碳化硅外延层等也占有很重要的地位。8/26/20216在集成电路及半导体器件应用的CVD技术方面，美国和日本，特别是美国占有较大的优势。日本在蓝色发光器件中关键的氮化镓外延生长方面取得突出进展，以实现了批量生产。1968年K.Masashi等首次在固体表面用低汞灯在P型单晶硅膜，开始了光沉积的研究。1972年Nelson和Richardson用CO2激光聚焦束沉积出碳膜，从此发展了激光化学气相沉积的工作。8/26/20217继Nelson后，美国S.D.Allen，Hagerl等许多学者采用

4、几十瓦功率的激光器沉积SiC、Si3N4等非金属膜和Fe、Ni、W、Mo等金属膜和金属氧化物膜。前苏联DeryaginSpitsyn和Fedoseev等在20世纪70年代引入原子氢开创了激活低压CVD金刚石薄膜生长技术，80年代在全世界形成了研究热潮，也是CVD领域一项重大突破。CVD技术由于采用等离子体、激光、电子束等辅助方法降低了反应温度，使其应用的范围更加广阔。8/26/20218中国CVD技术生长高温超导体薄膜和CVD基础理论方面取得了一些开创性成果。Blocher在1997年称赞中国的低压CVD(lowpressurechemicalvapord

5、eposition,LPCVD)模拟模型的信中说：“这样的理论模型研究不仅仅在科学意义上增进了这项工艺技术的基础性了解，而且引导在微电子硅片工艺应用中生产效率的显著提高。”1990年以来中国在激活低压CVD金刚石生长热力学方面，根据非平衡热力学原理,开拓了非平衡定态相图及其计算的新领域，第一次真正从理论和实验对比上定量化的证实反自发方向的反应可以通过热力学反应耦合依靠另一个自发反应提供的能量推动来完成。8/26/20219低压下从石墨转变成金刚石是一个典型的反自发方向进行的反应，它依靠自发的氢原子耦合反应的推动来实现。在生命体中确实存在着大量反自发方向进行

6、的反应，据此可以把激活（即由外界输入能量）条件下金刚石的低压气相生长和生命体中某些现象做类比讨论。因此这是一项具有深远学术意义和应用前景的研究进展。8/26/202110目前，CVD反应沉积温度的耕地温化是一个发展方向，金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)是一种中温进行的化学气相沉积技术，采用金属有机物作为沉积的反应物，通过金属有机物在较低温度的分解来实现化学气相沉积。近年来发展的等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)也是一种很好的方法，最早用于半导体材料的加工，即利用有机硅在半导体材料的基片上沉积SiO2。PECVD将沉积温度从1000℃降到600℃

7、以下，最低的只有300℃左右，等离子体增强化学气相沉积技术除了用于半导体材料外，在刀具、模具等领域也获得成功的应用。8/26/202111随着激光的广泛应用，激光在气相沉积上也都得到利用，激光气相沉积(LCVD)通常分为热解LCVD和光解LCVD两类，主要用于激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正以及激光蒸发-沉积。在向真空方向发展方面在向真空方向发展方面，出现了超高真空/化学气相沉(UHV/CVD)法。8/26/202112这是一种制造器件的半导体材料的系统，生长温度低(425～600℃)，但真空度要求小于1.33×10Pa，系统的设计制造比分子束外延(MB

8、E)容易，其主要优点是能实现多片生长。此外，化学气相沉积制膜技术还