薄膜材料.docx

1、薄膜材料薄膜材料真空:在给定的空间内,压力低于一个大气压的稀薄气体状态低真空=100Pa中真空:100-1Pa高真空:1pa-10-5pa超高真空:Si+SiX4缺点:1.气流流速低,暴露给输运气体的源表面积大 2.反应效率低 3.源利用率不高 4.系统玷污可能性大 5.闭管系统内的生长过程引入掺杂剂很困难*还原反应一般用H2作为还原剂和载气(1)SiCl4+2H2-Si+4HCl(2)SiHCl3+H2-Si+3HCl(3)2SiHCl3-Si+SiCl4+2HCl优点:1.能在沉淀区实现比较均匀的外延生长 2.可控制反应平衡移动 3.可利用反应的可逆性在外延生长之前对衬底进行原位气相腐蚀

2、4.可在深而窄的沟槽内进行平面化的外延沉积*热解反应某些元素的氢化物或金属有机化合物高温下不稳定,发生分解,产物可沉积为薄膜,反应不可逆SiH4=Si+2H2Ni(CO)4=Ni+4CO优点:能够在低温下实现外延生长,热解反应不可逆,不存在卤化物的气相腐蚀作用,因而对衬底的腐蚀不严重,对异质外延生长尤为有利主要问题:气态反应物的纯度,成本,和安全使用*氧化反应SiH4+O2=SiO2+H2OSiCl4+O2=SiO2+2Cl2*化合反应*CVD动力学分析Grove模型(1)反应气体从入口区域流动到衬底表面的沉积区域(2)气相沉积导致膜先驱物和副产物的形成(3)膜先驱物附着在衬底表面(4)膜先驱

3、物粘附在衬底表面(5)膜先驱物向膜生长区域表面扩散(6)吸附原子与衬底发生反应导致膜淀积和副产物的形成(7)气态副产物和未反应的反应剂扩散离开衬底表面(8)副产物排出反应室*控制薄膜沉积速率的两个主要因素1.反应剂在边界层中的输运过程2.反应剂在衬底表面上的化学反应过程*hg气相质量输运系数 Ks表面化学反应速率常数薄膜的生长速率:反应剂先被惰性气体稀释1.反应气体未被稀释时,沉积速率与反应剂浓度成正比2.当反应剂稀释时,沉积速率与气相中反应剂的摩尔百分比Y成正比3.当反应剂浓度和反应剂的摩尔百分比为常数时,薄膜沉积速率由ks(表面反应速率)和hg(质量输运速率)中较小的一个决定*表面反应速率

4、(ks)控制的CVD当薄膜的沉积速率由表面反应速率控制时,温度对沉积速率有很大影响,当温度升高时,反应速率增加,薄膜沉积速率加快.当温度升高到一定程度时,由于反应速率的加快,输运到表面的反应剂的数量低于表面反应所需的数量,这时的沉积速率由质量输运速率控制,反应速率将不再随温度变化*质量输运速率控制的CVD质量输运速率控制的薄膜沉积速率与主气流速度的平方根成正比,增加气流速度可以提高薄膜沉积速率,当气流速率大到一定程度时,薄膜的沉积速率达到一稳定值不再变化.沉积速率变为表面反应速率控制*即在高温情况下,沉积速率通常由质量输运速率控制,而在较低温度下,沉积速率由表面反应速率控制 边界层模型流速受到

5、扰动并按抛物线型变化,同时还存在反应剂浓度梯度的薄层为边界层雷诺数Re提高沉积速率1.提高Re,降低边界层厚度2.提高气体流速和压力,降低粘滞系数可提高雷诺数但当Re过高时,气体的流动状态变为湍流,这将破坏CVD沉积过程气流的稳定性,影响沉积的均匀性单晶薄膜的外延通常在高温区*硅烷的外延生长SiH4(s)=Si(s)+2H2(g)(1)容器内,硅烷通过边界层扩散(低压时为速控步骤)(2)硅衬底附近,发生分解反应:SiH4-SiH2+H2(都为气态)(3)表面吸附SiH2(4)SiH2扩散到硅表面扭折位置(5)H2的脱附,SiH2(g)-Si(s)+H2(g)(低温时为速控步骤)*SiCl4的生

6、长(1)边界层的扩散(2)硅衬底附近发生气相反应,但没有硅析出(3)表面吸附SiCl2(4)SiCl2扩散到硅表面扭折位置(5)发生表面反应(6)产物HCl和SiCl4脱附,同时硅结合到硅晶格位置,完成外延生长*CVD技术的种类反应室气体压强:常压CVD,低压CVD,超高真空CVD能量增强辅助方法:等离子增强CVD,光增强CVD*CVD沉积必须满足的基本条件1.沉积温度下,反应物必须有足够高的蒸气压2.反应生成物,除了所需的沉积物为固体,其余必须为气态3.沉积物本身的蒸气压应足够低,以保证整个沉积反应过程中使其保持在加热的衬底上4.衬底材料本身的蒸气压在沉积温度下足够低*常压CVD(APCVD)常压下进行,质量输运限制沉积速率常用于歧化反应生长硅外延层放热反应:降低温度,同时采用热壁反应器吸热反应:升高温度,采用冷壁反应器*低压CVD(LPCVD)降低工作室的压力可以提高反应气体和反应产物通过边界层的扩散能力,可提高反应气体浓度,是表面反应速率所控制的与APCVD比较,薄膜的沉积速率高,薄膜性能好,成本低低压CVD可以生长各种半导体薄膜,也可异质外延生长