第六章化学气相沉积课件.ppt

第六章第六章 化学气相沉积化学气相沉积 化学气相淀积化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition)，简，简称称CVD，是把含有构成薄膜元素的，是把含有构成薄膜元素的气态反应剂气态反应剂或者或者液态反应剂的蒸气液态反应剂的蒸气，以，以合理的流速合理的流速引入反应室，引入反应室，在在衬底表面发生化学反应并在衬底上淀积薄膜衬底表面发生化学反应并在衬底上淀积薄膜是制备薄膜的一种重要方法备薄膜的一种重要方法CVD的应用的应用6.1、CVD模型模型6.2、化学气相沉积系统、化学气相沉积系统6.3、CVD多晶硅的特性和沉积方法多晶硅的特性和沉积方法6.4、CVD二氧化硅的特性和沉积方法二氧化硅的特性和沉积方法6.5、CVD氮化硅的特性和沉积方法氮化硅的特性和沉积方法6.6、金属的化学气相沉积、金属的化学气相沉积主要内容主要内容6.1 CVD模型模型化学气相沉积的主要步骤：化学气相沉积的主要步骤：(1)反应剂气体反应剂气体(或被惰性气体稀释的反应剂或被惰性气体稀释的反应剂)以以合理的流速合理的流速被输送到反应被输送到反应室内，气流从入口进入反应室并以平流形式向出口流动，室内，气流从入口进入反应室并以平流形式向出口流动，平流区平流区也称为主也称为主气流区，其气流区，其气体流速气体流速是是不变不变的。

的2)反应剂从主气流区反应剂从主气流区以扩散方式通过边界层到达衬底表面以扩散方式通过边界层到达衬底表面，边界层边界层是主是主气流区与硅片表面之间气流区与硅片表面之间气流速度受到扰动的气体薄层气流速度受到扰动的气体薄层3)反应剂被吸附反应剂被吸附在硅片的表面，成为吸附原子在硅片的表面，成为吸附原子(分子分子)4)吸附原子吸附原子(分子分子)在在衬底表面发生化学反应衬底表面发生化学反应，生成薄膜的基本元素并，生成薄膜的基本元素并淀淀积成薄膜积成薄膜5)化学反应的化学反应的气态副产物和未反应的反应剂离开衬底表面气态副产物和未反应的反应剂离开衬底表面，进入主气流，进入主气流区区被排出系统被排出系统6.1.1 CVD的基本过程的基本过程(1)在淀积温度下，在淀积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸气压反应剂必须具备足够高的蒸气压2)淀积物本身必须具有足够低的蒸气压淀积物本身必须具有足够低的蒸气压，这样才能保证在整个淀积，这样才能保证在整个淀积过程中，薄膜能够始终留在衬底表面上过程中，薄膜能够始终留在衬底表面上3)除淀积物外，反应的除淀积物外，反应的其他产物必须是挥发性其他产物必须是挥发性的4)化学反应的气态化学反应的气态副产物不能进入薄膜副产物不能进入薄膜中。

尽管在一些情况下是中尽管在一些情况下是不可避免的）不可避免的）(5)淀积温度必须足够低淀积温度必须足够低以避免对先前工艺产生影响以避免对先前工艺产生影响6)化学反应应该化学反应应该发生在被加热的衬底表面发生在被加热的衬底表面，如果在气相中发生化学，如果在气相中发生化学反应，将导致过早核化，降低薄膜的附着性和密度、增加薄膜的反应，将导致过早核化，降低薄膜的附着性和密度、增加薄膜的缺陷、降低沉积速率、浪费反应气体等缺陷、降低沉积速率、浪费反应气体等CVD的化学反应必须满足的条件的化学反应必须满足的条件6.1.2 边界层理论边界层理论泊松流：泊松流：如果假设如果假设沿主气流方向没有速度梯沿主气流方向没有速度梯度度，而沿，而沿垂直气流方向的流速为抛物线型变垂直气流方向的流速为抛物线型变化化，这就是著名的泊松流，这就是著名的泊松流(Poisseulle Flow)气体从反应室左端以均匀柱形流进，并以气体从反应室左端以均匀柱形流进，并以完全展开的抛物线型流出完全展开的抛物线型流出由于由于CVD反应室的气压很高，可以认为反应室的气压很高，可以认为气体是黏滞性气体是黏滞性的，气体分子的的，气体分子的平均平均自由程远小于反应室的几何尺寸自由程远小于反应室的几何尺寸。

黏滞性气体流过静止的硅片表面或者反应室的侧壁时，由于黏滞性气体流过静止的硅片表面或者反应室的侧壁时，由于摩擦力摩擦力的存在，的存在，使使紧贴硅片表面或者侧壁的气流速度为零紧贴硅片表面或者侧壁的气流速度为零，在离表面或侧壁一，在离表面或侧壁一 定距离处，气定距离处，气流速度平滑地过渡到流速度平滑地过渡到最大气流速度最大气流速度Um，即主气流速度，在，即主气流速度，在主气流区域内的气主气流区域内的气体流速是均一的体流速是均一的在靠近在靠近硅片表面附近硅片表面附近就存在一个气流速度受到扰动的薄层，就存在一个气流速度受到扰动的薄层，在垂直气流方在垂直气流方向存在很大的速度梯度向存在很大的速度梯度边界层厚度边界层厚度(x)：定义为从速度为零的硅片表定义为从速度为零的硅片表面到气流速度为面到气流速度为0.99 Um的区域厚度的区域厚度x)与距离x之间的关系可以表示为 其中，是气体的黏滞系数，为气体的密度，图中的虚线是气流速度U达到主气流速度Um的99的连线，也就是边界层的边界位置因发生化学反应，紧靠硅片表面的反应剂浓度降低，沿垂直气流方向还存在反应剂的浓度梯度，反应剂将以扩散形式从高浓度区向低浓度区运动反应剂将以扩散形式从高浓度区向低浓度区运动。

边界层：边界层：气流速度受到扰动并按抛物线型变化，同时还存在反应剂浓度梯度气流速度受到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，称为边界层、附面层、滞流层的薄层，称为边界层、附面层、滞流层边界层边界层 设L为基片的长度，边界层的平均厚度可以表示为 或者 其中Re为气体的雷诺数，无量纲，它表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比对于较低的Re值(如小于2000)，气流为平流型，即在反应室中沿各表面附近的气体流速足够慢对于较大的Re值，气流的形式为湍流，应当加以防止在商用的CVD反应器中，雷诺数很低(低于100)，气流几乎始终是平流6.1.3 Grove模型模型流密度：流密度：单位时间内通过单位面积的原子或分子数单位时间内通过单位面积的原子或分子数F1：反应剂反应剂从主气流到衬底表面的流密度从主气流到衬底表面的流密度F2：反应剂反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度 假定假定流密度流密度F1正比于正比于反应剂在主气流中的浓度反应剂在主气流中的浓度Cg与与在硅表面处的浓度在硅表面处的浓度Cs之差之差，则流密度，则流密度F1可表示为可表示为 比例系数比例系数hg被称为气相质量输运被称为气相质量输运(转移转移)系数。

系数Grove模型：模型：1966年，Grove建立认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节是：认为控制薄膜淀积速率的两个重要环节是：一是反应剂在边界层中的输运过程；一是反应剂在边界层中的输运过程；二是反应剂在衬底表面上的化学反应过程二是反应剂在衬底表面上的化学反应过程假定在表面经化学反应淀积成薄膜的速率正比于反应剂在表面的浓度假定在表面经化学反应淀积成薄膜的速率正比于反应剂在表面的浓度Cs，则流密度则流密度F2可表示为：可表示为：ks为表面化学反应速率常数为表面化学反应速率常数在稳定状态下，两个流密度应当相等，即在稳定状态下，两个流密度应当相等，即Fl=F2=F可得到两种极限情况：两种极限情况：当当hgks时，时，Cs趋向于趋向于Cg，从主气流输运到硅片表面的反应剂数量大于在从主气流输运到硅片表面的反应剂数量大于在该温度下表面化学反应需要的数量，该温度下表面化学反应需要的数量，淀积速率受表面化学反应速率控制淀积速率受表面化学反应速率控制当当hgks，淀积速率由，淀积速率由ks限制，限制，而而ks随着温度的升高而变大随着温度的升高而变大当温度高过某个值之后，淀积速率趋向于稳当温度高过某个值之后，淀积速率趋向于稳定，淀积速率由通过边界层输运到表面的反定，淀积速率由通过边界层输运到表面的反应剂速率所决定，而应剂速率所决定，而hg值对温度不太敏感。

值对温度不太敏感在由质量输运速度控制的淀积过程中，对温度的控制在由质量输运速度控制的淀积过程中，对温度的控制不必很严格，不必很严格，因为控制薄膜淀积速率的是质量输运过程，因为控制薄膜淀积速率的是质量输运过程，质量输运过程对温度的依赖性非常小质量输运过程对温度的依赖性非常小衬底各处的反应剂浓度应当相等，这一点非常重要，衬底各处的反应剂浓度应当相等，这一点非常重要，应严格控制应严格控制右图给出由实验中得到的硅膜淀积速率右图给出由实验中得到的硅膜淀积速率与温度倒数的关系与温度倒数的关系在低温条件下在低温条件下hgks，淀积速率由，淀积速率由ks限限制，制，薄膜淀积速率与温度之间遵循着指数薄膜淀积速率与温度之间遵循着指数关系随着温度的上升，关系随着温度的上升，ks随着温度的升高随着温度的升高而变大，而变大，淀积速率也随之加快淀积速率也随之加快当温度继续升高，淀积速率趋向于稳定当温度继续升高，淀积速率趋向于稳定，这是因为反应加快，淀积速率转由输运控这是因为反应加快，淀积速率转由输运控制，而制，而hg值对温度不太敏感值对温度不太敏感表面化学反应控制过程表面化学反应控制过程 统一的淀积速率需要有一个恒定的反应速率，在受表面化统一的淀积速率需要有一个恒定的反应速率，在受表面化学反应速度控制的学反应速度控制的CVD工艺中，温度是一个重要的参数，温工艺中，温度是一个重要的参数，温度控制就成为一个重要指标。

度控制就成为一个重要指标例如在例如在LPCVD反应系统中，硅片可以紧密地排列，因为反应系统中，硅片可以紧密地排列，因为此系统淀积速率是由表面化学反应速度控制此系统淀积速率是由表面化学反应速度控制6.2、化学气相沉积系统、化学气相沉积系统CVD系统通常包含如下子系统：系统通常包含如下子系统：气态源或液态源；气态源或液态源；气体输入管道；气体输入管道；气体气体流量控制流量控制系统；系统；反应室；反应室；基座加热及控制系统基座加热及控制系统(有些系统的反应激活能通过其他有些系统的反应激活能通过其他方法引入方法引入)；温度控制及测量系统等温度控制及测量系统等LPCVD和和PECVD系统还包含减压系统系统还包含减压系统6.2.1 CVD的气体源的气体源在在CVD过程中，可以用气态源也可以用液态源过程中，可以用气态源也可以用液态源目前气态源正在被液态源所取代：目前气态源正在被液态源所取代：相对于有毒、易燃、腐蚀性强的气体，相对于有毒、易燃、腐蚀性强的气体，液态液态源会更安全一些；液源会更安全一些；液体的气压比气体的气压要小的多，因此在泄漏事故当中，液体产体的气压比气体的气压要小的多，因此在泄漏事故当中，液体产生致命的生致命的危险比较小危险比较小；除了安全考虑之外，许多薄膜采用液体源淀积时有较好的特性。

除了安全考虑之外，许多薄膜采用液体源淀积时有较好的特性液态源液态源的输送，一般是通过下面几种方式实现的：的输送，一般是通过下面几种方式实现的：冒冒泡法泡法；加热液态源；加热液态源；液态源直接注入法液态源直接注入法液态源液态源的普遍输送方式是冒泡法携带气体的普遍输送方式是冒泡法携带气体(氮气、氮气、氢气、氢气、氩气氩气)通过准确控制温度的液态源，冒泡后将反通过准确控制温度的液态源，冒泡后将反应剂携带到反应室中应剂携带到反应室中携带反应剂的气体流量是由流量计携带反应剂的气体流量是由流量计精确控制，所携精确控制，所携带带反应剂的数量是由液态源的温度反应剂的数量是由液态源的温度及携带气体的流速及携带气体的流速等因素决定等因素决定冒冒泡法泡法冒泡法冒泡法的缺点：的缺点：如果反应剂的饱和蒸汽压对温度的变化比较敏感，就会给控制反应剂的浓如果反应剂的饱和蒸汽压对温度的变化比较敏感，就会给控制反应剂的浓度带来困难度带来困难；如果在很低气压下输送反应剂，在液态源和反应室之间，反应剂容易凝聚，如果在很低气压下输送反应剂，在液态源和反应室之间，反应剂容易凝聚，所以运输管道必须加热所以运输管道必须加热当前已有。