薄膜淀积和外延技术专家讲座

微电子工艺学

MicroelectronicProcessing

第五章薄膜淀积与外延技术张道礼教授Email:zhang-daoli@163.comVoice:87542894薄膜淀积和外延技术第1页超薄膜: ~10nm薄膜:50nm─10mm经典薄膜:50nm─1mm厚膜:~10mm─~100mm单晶薄膜多晶薄膜无序薄膜5.1概述采取一定方法，使处于某种状态一个或几个物质（原材料)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物质，这层新物质就是薄膜。薄膜分类薄膜淀积和外延技术第2页（1）物态（2）结晶态：

（3）化学角度

5.1概述薄膜淀积和外延技术第3页（4）组成

（5）物性

厚度，决定薄膜性能、质量通常，膜厚<数十um，普通在1um以下。薄膜一个主要参数5.1概述薄膜淀积和外延技术第4页两种常见薄膜结构单层膜周期结构多层膜SubstrateASubstrateABAB5.1概述薄膜淀积和外延技术第5页半导体薄膜：Si介质薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，…在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成单晶薄膜：Si,SiGe（外延）多晶薄膜：poly-SiDeposition5.1概述薄膜应用：半导体器件；电路连接；电极；光电子器件；半导体激光器；光学镀膜薄膜淀积和外延技术第6页淀积是指在wafer上淀积一层膜工艺，淀积薄膜工艺有很各种，化学气相淀积、物理气相淀积、蒸发等很多。化学气相淀积（CVD）是经过气态物质化学反应在wafer表面淀积一层固态薄膜工艺。CVD法淀积薄膜可用以下几个步骤解释薄膜生长过程：参加反应气体传输到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。5.1概述薄膜淀积和外延技术第7页1）化学气相淀积—ChemicalVaporDeposition(CVD)一个或数种物质气体，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生长技术。比如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理气相淀积—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某种物理过程实现物质转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜技术。比如：蒸发evaporation，溅射sputtering两类主要淀积方式5.1概述薄膜淀积和外延技术第8页除了CVD和PVD外，制备薄膜方法还有:铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electrolessplating/electroplating5.1概述薄膜淀积和外延技术第9页外延：在单晶衬底上生长一层新单晶层，晶向取决于衬底外延硅应用举例5.1概述薄膜淀积和外延技术第10页CMOS栅电极材料；多层金属化电极导电材料多晶硅薄膜应用5.1概述薄膜淀积和外延技术第11页化学气相沉积[ChemicalVaporDeposition(CVD)]：是经过气态物质化学反应在衬底上淀积薄膜工艺方法。PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)CourtesyJohanPejnefors,5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第12页化学气相沉积（CVD）是一个化学气相生长法。

把含有组成薄膜元素一个或几个化合物单质气体供给基片，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化学反应（热分解或化学合成）生长要求薄膜。CVD装置主要部分：反应气体输入部分、反应激活能源供给部分和气体排出部分。CVD能够制备单晶、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、透明导电薄膜以及一些敏感功效薄膜。

5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第13页对薄膜要求组分正确，玷污少，电学和机械性能好片内及片间（每一硅片和硅片之间）均匀性好3.台阶覆盖性好（conformalcoverage—保角覆盖）填充性好平整性好

5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第14页CVD法制备薄膜含有很多优点，如薄膜组分任意控制、生长温度低于组成物质熔点、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℃）按反应器内压力：常压和低压按反应器壁温度：热壁和冷壁按反应激活方式：热激活和冷激活5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第15页化学气相淀积（CVD）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)，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蒸汽压除淀积物质外,反应产物必须是挥发性淀积物本身必须含有足够低蒸气压5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第16页化学气相沉积基本原理化学气相沉积是利用气态物质经过化学反应在基片表面形成固态薄膜一个成膜技术。CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体化学反应。CVD完全不一样于物理气相沉积（PVD）5.2化学气相沉积CVD基本原理包含：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。薄膜淀积和外延技术第17页

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。CVD法一开始用于硅、锗精制上，随即用于适合外延生长法制作材料上。表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了由Ⅲ、Ⅴ族元素组成新氧化膜，最近还开发了金属膜、硅化物膜等。以上这些薄膜CVD制备法为人们所注意。CVD法制各多晶硅膜在器件上得到广泛应用，这是CVD法最有效应用场所。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第18页

CVD化学反应热力学按热力学原理，化学反应自由能改变能够用反应物和生成物标准自由能来计算，即CVD热力学分析主要目标是预测一些特定条件下一些CVD反应可行性（化学反应方向和程度）。在温度、压强和反应物浓度给定条件下，热力学计算能从理论上给出沉积薄膜量和全部气体分压，不过不能给出沉积速率。热力学分析可作为确定CVD工艺参数参考。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第19页

与反应系统化学平衡常数相关

例：热分解反应5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第20页反应方向判据：能够确定反应温度。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第21页平衡常数意义：

计算理论转化率计算总压强、配料比对反应影响经过平衡常数能够确定系统热力学平衡问题。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第22页CVD（化学反应）动力学反应动力学是一个把反应热力学预言变为现实，使反应实际进行问题；它是研究化学反应速度和各种原因对其影响科学。

CVD反应动力学分析基本任务是：经过试验研究薄膜生长速率，确定过程速率控制机制，方便深入调整工艺参数，取得高质量、厚度均匀薄膜。

反应速率τ是指在反应系统单位体积中，物质（反应物或产物）随时间改变率。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第23页Van’tHoff规则：反应温度每升高10℃，反应速率大约增加2-4倍。这是一个近似经验规则。温度对反应速率影响：式中，为有效碰撞频率因子，为活化能。Arrhenius方程：较低衬底温度下，τ随温度按指数规律改变。较高衬底温度下，反应物及副产物扩散速率为决定反应速率主要原因。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第24页(1)反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成“滞留层”，然后，在主气流中反应剂越过边界层扩散到硅片表面(2)反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应(3)化学反应生成固态物质，即所需要淀积物，在硅片表面成核、生长成薄膜(4)反应后气相副产物，离开衬底表面，扩散回边界层，并随输运气体排出反应室化学气相淀积基本过程5.2化学气相沉积CVD法制备薄膜过程描述（四个阶段）薄膜淀积和外延技术第25页最常见几个CVD反应类型有：热分解反应、化学合成反应、化学输运反应等。分别介绍以下。热分解反应（吸热反应）通式：主要问题是源物质选择（固相产物与薄膜材料相同）和确定分解温度。该方法在简单单温区炉中，在真空或惰性气体保护下加热基体至所需温度后，导入反应物气体使之发生热分解，最终在基体上沉积出固体图层。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第26页（1）氢化物

H-H键能小，热分解温度低，产物无腐蚀性。（2）金属有机化合物

M-C键能小于C-C键，广泛用于沉积金属和氧化物薄膜。金属有机化合物分解温度非常低，扩大了基片选择范围以及防止了基片变形问题。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第27页（3）氢化物和金属有机化合物系统广泛用于制备化合物半导体薄膜。（4）其它气态络合物、复合物羰基化合物：单氨络合物：5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第28页化学合成反应化学合成反应是指两种或两种以上气态反应物在热基片上发生相互反应。(1)最惯用是氢气还原卤化物来制备各种金属或半导体薄膜；(2)选取适当氢化物、卤化物或金属有机化合物来制备各种介质薄膜。

化学合成反应法比热分解法应用范围愈加广泛。能够制备单晶、多晶和非晶薄膜。轻易进行掺杂。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第29页5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第30页化学输运反应将薄膜物质作为源物质（无挥发性物质），借助适当气体介质与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不一样沉积区，在基片上再经过逆反应使源物质重新分解出来，这种反应过程称为化学输运反应。设源为A，输运剂为B，输运反应通式为：源区沉积区5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第31页化学输运反应条件：不能太大；平衡常数KP靠近于1。化学输运反应判据：依据热力学分析能够指导选择化学反应系统，预计输运温度。首先确定与温度关系，选择反应体系。大于0温度T1；小于0温度T2。

依据以上分析，确定适当温度梯度。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第32页源区沉积区源区沉积区源区沉积区5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第33页F1是反应剂分子粒子流密度F2代表在衬底表面化学反应消耗反应剂分子流密度生长动力学从简单生长模型出发，用动力学方法研究化学气相淀积推导出生长速率表示式及其两种极限情况与热氧化生长稍有不一样是，没有了在SiO2中扩散流5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第34页hG

是质量输运系数（cm/sec）

ks

是表面化学反应系数（cm/sec）在稳态，两类粒子流密度应相等。这么得到可得：5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第35页设则生长速率这里Y为在气体中反应剂分子摩尔比值，CG为每cm3中反应剂分子数，这里CT为在气体中每cm3全部分子总数PG

是反应剂分子分压，PG1，PG1PG2

PG3…..等是系统中其它气体分压N是形成薄膜单位体积中原子数。对硅外延N为5×1022cm-3

5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第36页Y一定时，v

由hG和ks中较小者决定假如hG>>ks，则Cs≈CG,这种情况为表面反应控制过程有2、假如hG<<ks，则CS≈0，这是质量传输控制过程有

质量输运控制，对温度不敏感5.2化学气相沉积表面（反应）控制，对温度尤其敏感薄膜淀积和外延技术第37页T对ks影响较hG大许多，所以：

hG<<ks质量传输控制过程出现在高温hG>>ks表面控制过程在较低温度出现生长速率和温度关系硅外延：Ea=1.6eV斜率与激活能Ea成正比hG≈constant5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第38页以硅外延为例（1atm，APCVD）hG

常数Ea

值相同硅淀积往往是在高温下进行，以确保全部硅原子淀积时排列整齐，形成单晶层。为质量输运控制过程。此时对温度控制要求不是很高，不过对气流要求高。多晶硅生长是在低温进行，是表面反应控制，对温度要求控制精度高。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第39页当工作在高温区,质量控制为主导，hG是常数，此时反应气体经过边界层扩散很主要，即反应腔设计和晶片怎样放置显得很主要。记住关键两点：ks

控制淀积主要和温度相关hG

控制淀积主要和反应腔体几何形状相关5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第40页单晶硅淀积要采取图中卧式反应设备，放置硅片石墨舟为何要有倾斜?5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第41页这里界面层厚度s是x方向平板长度函数。伴随x增加，s(x)增加，hG下降。假如淀积受质量传输控制，则淀积速度会下降沿支座方向反应气体浓度降低,一样造成淀积速度会下降为气体粘度为气体密度U为气体速度5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第42页所以，支座倾斜能够促使s(x)沿x改变减小原理：因为支座倾斜后，气流流过截面积下降，造成气流速度增加，进而造成s(x)沿x减小和hG增加。从而用加大hG方法来赔偿沿支座长度方向气源耗尽而产生淀积速率下降。尤其对质量传输控制淀积至关主要，如APCVD法淀积硅。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第43页化学气相沉积特点优点即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜；成膜速率高于LPE和MBE；（几微米至几百微米/min？）

CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好；薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好；薄膜生长温度低于材料熔点；薄膜表面平滑；辐射损伤小。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第44页缺点参加沉积反应源和反应后气体易燃、易爆或有毒，需环境保护办法，有时还有防腐蚀要求；

反应温度还是太高，尽管低于物质熔点；温度高于PVD技术，应用中受到一定限制；对基片进行局部表面镀膜时很困难，不如PVD方便。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第45页

CVD分类及其在微电子技术中应用5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第46页CVD方法介绍

CVD反应体系必须具备三个条件在沉积温度下，反应物含有足够蒸气压，并能以适当速度被引入反应室；反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性；沉积薄膜和基体材料必须含有足够低蒸气压，5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第47页开口体系CVD包含：气体净化系统、气体测量和控制系统、反应器、尾气处理系统、抽气系统等。卧式：5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第48页感应加热5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第49页

冷壁CVD：器壁和原料区都不加热，仅基片被加热，沉积区普通采取感应加热或光辐射加热。缺点是有较大温差，温度均匀性问题需尤其设计来克服。适合反应物在室温下是气体或含有较高蒸气压液体。

热壁CVD：器壁和原料区都是加热，反应器壁加热是为了预防反应物冷凝。管壁有反应物沉积，易剥落造成污染。卧式反应器特点：常压操作；装、卸料方便。不过薄膜均匀性差。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第50页开口体系CVD工艺特点能连续地供气和排气，物料运输普通是靠惰性气体来实现。反应总处于非平衡状态，而有利于形成薄膜沉积层（最少有一个反应产物可连续地从反应区排出）。在大多数情况下，开口体系是在一个大气压或稍高于一个大气压下进行。但也可在真空下连续地或脉冲地供气及不停地抽出副产物。开口体系沉积工艺轻易控制，工艺重现性好，工件轻易取放，同一装置可重复屡次使用。有立式和卧式两种形式。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第51页立式：气流垂直于基体，可使气流以基板为中心均匀分布5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第52页沉积区域为球形，基片受热均匀，反应气体均匀供给；产品均匀性好，膜层厚度一致，质地均匀。特点？5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第53页封闭式（闭管沉积系统）CVD把一定量反应物和适当基体分别放在反应器两端，抽闲后充入一定输运气体，然后密封，再将反应器置于双温区炉内，使反应管内形成温度梯度。温度梯度造成负自由能改变是传输反应推进力，所以物料从闭管一端传输到另一端并沉积下来。在理想情况下，闭管反应器中所进行反应其平衡常数值应靠近于1。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第54页温度梯度2.5℃/cm低温区T1=T2-13.5℃高温区T2=850~860℃5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第55页

闭管法优点：污染机会少，无须连续抽气保持反应器内真空，能够沉积蒸气压高物质。

闭管法缺点：材料生长速率慢，不适合大批量生长，一次性反应器，生长成本高；管内压力检测困难等。

闭管法关键步骤：反应器材料选择、装料压力计算、温度选择和控制等。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第56页★低压化学气相沉积（LPCVD）

LPCVD原理早期CVD技术以开管系统为主，即AtmospherePressureCVD(APCVD)。近年来，CVD技术令人注目标新发展是低压CVD技术，即LowPressureCVD（LPCVD）。

LPCVD原理于APCVD基本相同，主要差异是：

低压下气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物质量传输速率加紧，形成薄膜反应速率增加。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第57页5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第58页

LPCVD优点（1）低气压下气态分子平均自由程增大，反应装置内能够快速到达浓度均一，消除了由气相浓度梯度带来薄膜不均匀性。（2）薄膜质量高：薄膜台阶覆盖良好；结构完整性好；针孔较少。（3）沉积速率高。沉积过程主要由表面反应速率控制，对温度改变极为敏感，所以，LPCVD技术主要控制温度变量。LPCVD工艺重复性优于APCVD。（4）卧式LPCVD装片密度高，生产效率高，生产成本低。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第59页

LPCVD在微电子技术中应用广泛用于沉积掺杂或不掺杂氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物薄膜，Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜以及钨、钼、钽、钛等难熔金属薄膜。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第60页等离子化学气相沉积在普通CVD技术中，产生沉积反应所需要能量是各种方式加热衬底和反应气体，所以，薄膜沉积温度普通较高（多数在900~1000℃）。轻易引发基板变形和组织上改变，轻易降低基板材料机械性能；基板材料与膜层材料在高温下会相互扩散，形成一些脆性相，降低了二者结协力。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第61页

假如能在反应室内形成低温等离子体（如辉光放电），则能够利用在等离子状态下粒子含有较高能量，使沉积温度降低。这种等离子体参加化学气相沉积称为等离子化学气相沉积。用来制备化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超导薄膜等，尤其是IC技术中表面钝化和多层布线。等离子化学气相沉积：PlasmaCVDPlasmaAssociatedCVDPlasmaEnhancedCVD这里称PECVD5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第62页PECVD是指利用辉光放电物理作用来激活化学气相沉积反应CVD技术。它既包含了化学气相沉积技术，又有辉光放电增强作用。现有热化学反应，又有等离子体化学反应。广泛应用于微电子学、光电子学、太阳能利用等领域，按照产生辉光放电等离子方式，能够分为许多类型。直流辉光放电等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）射频辉光放电等离子体化学气相沉积（RF-PCVD）微波等离子体化学气相沉积（MW-PCVD）电子盘旋共振等离子体化学气相沉积（ECR-PCVD）5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第63页5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第64页5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第65页5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第66页等离子体在CVD中作用：

将反应物气体分子激活成活性离子，降低反应温度；加速反应物在表面扩散作用，提升成膜速率；对基片和薄膜含有溅射清洗作用，溅射掉结合不牢粒子，提升了薄膜和基片附着力；因为原子、分子、离子和电子相互碰撞，使形成薄膜厚度均匀。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第67页PECVD优点：

低温成膜（300-350℃），对基片影响小，防止了高温带来膜层晶粒粗大及膜层和基片间形成脆性相；低压下形成薄膜，膜厚及成份较均匀、针孔少、膜层致密、内应力小，不易产生裂纹；

扩大了CVD应用范围，尤其是在不一样基片上制备金属薄膜、非晶态无机薄膜、有机聚合物薄膜等；薄膜附着力大于普通CVD。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第68页PECVD缺点：化学反应过程十分复杂，影响薄膜质量原因较多；工作频率、功率、压力、基板温度、反应气体分压、反应器几何形状、电极空间、电极材料和抽速等相互影响。参数难以控制；反应机理、反应动力学、反应过程等还不十分清楚。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第69页其它化学气相沉积方法（1）MOCVD是一个利用有机金属化合物热分解反应进行气相外延生长薄膜CVD技术。作为含有化合物半导体元素原料化合物必须满足：常温下稳定且轻易处理反应副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层；室温附近应含有适当蒸气压5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第70页满足此条件原材料有：金属烷基或芳基衍生物、烃基衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物MOCVD优点：①沉积温度低。降低了自污染，提升了薄膜纯度，有利于降低空位密度和处理自赔偿问题；对衬底取向要求低；②沉积过程不存在刻蚀反应，沉积速率易于控制；③几乎能够生长全部化合物和合金半导体；④反应装置轻易设计，生长温度范围较宽，易于控制，可大批量生产；⑤可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第71页MOCVD主要缺点：①许多金属有机化合物有毒、易燃，给有机金属化合物制备、贮存、运输和使用带来困难，必须采取严格防护办法；②因为反应温度低，有些金属有机化合物在气相中就发生反应，生成固态微粒再沉积在衬底表面，形成薄膜中杂质颗粒，破坏了膜完整性。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第72页(2)光CVD

是利用光能使气体分解，增加反应气体化学活性，促进气体之间化学反应化学气相沉积技术。(3)电子盘旋共振（ECR）等离子体沉积在反应室内导入微波能和磁场，使得电子盘旋运动和微波发生共振现象。电子和气体碰撞，促进放电，从而能够在较高真空度和较低温度下发生反应，取得高质量薄膜。可在半导体基板上淀积导电薄膜，绝缘介质薄膜，钴镍合金薄膜以及氧化物高Tc超导薄膜。5.2化学气相沉积薄膜淀积和外延技术第73页“物理气相沉积”通常指满足下面三个步骤一类薄膜生长技术:所生长材料以物理方式由固体转化为气体生长材料蒸汽经过一个低压区域抵达衬底蒸汽在衬底表面上凝结，形成薄膜5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第74页成膜机理?

真空蒸发所得到薄膜，普通都是多晶膜或无定形膜，经历成核和成膜两个过程。蒸发原子（或分子）碰撞到基片时，或是永久附着在基片上，或是吸附后再蒸发而离开基片，其中有一部分直接从基片表面反射回去。粘附在基片表面原子（或分子）因为热运动可沿表面移动，如碰上其它原子便积聚成团。这种团最易于发生在基片表面应力高地方，或在晶体衬底解理阶梯上，因为这使吸附原子自由能最小。这就是成核过程。深入原子（分子）淀积使上述岛状团（晶核）不停扩大，直至展延成连续薄膜。5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第75页NaturalWorld“Atomic-World”Target/evaporatedsourceSubstratesurfaceAtomicrainClustersParticlesDischargeImpurity,ContaminationVacuumCloudEarthsurface--groundNaturalrainSnowHailThunderstormDust,PollutionEnvironmentalprotectionCloudtargetsubstrate原子层晶体生长“世界”与自然世界比拟薄膜淀积和外延技术第76页SubstrateSubstrateSubstrateSubstrateSubstrate原子团簇岛薄膜热运动5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第77页其它生长模式Frank-vanderMerveModeLayerbyLayer(2D)衬底衬底衬底Stranski-KrastanovModeLayerPlusIslandGrowth(2D-3D)Volmer-WeberModeIslandGrowth(3D)5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第78页PVD所需试验条件高真空(HV)高纯材料清洁和光滑衬底表面提供能量电源5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第79页PVD通用试验配置靶材衬底真空室真空泵厚度监控仪充气管道反应气体管道Plume5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第80页一、蒸发镀膜基本思想：将材料置于某种容器内,升高温度，熔解并蒸发材料5.3物理气相沉积1、电阻式热蒸发将用高熔点金属(W,Mo,Ta,Nb)制成加热丝或舟通上直流电，利用欧姆热加热材料加热电阻丝、舟或坩埚薄膜淀积和外延技术第81页5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第82页惯用蒸发源加热丝加热舟坩埚盒状源（KnudsenCell）5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第83页将用绝缘材料(quartz,graphite,alumina,beryllia,zirconia)制成坩埚通上射频交流电，利用电磁感应加热材料2、高频感应加热蒸发特点：加热均匀5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第84页3、电子束蒸发电子束蒸发方法:用高能聚焦电子束熔解并蒸发材料电子束加热原理:是基于电子在电场作用下,取得动能轰击处于阳极蒸发材料,使蒸发材料加热气化5.3物理气相沉积电子束蒸发装置组成:电子束加热枪：灯丝+加速电极+偏转磁场组成蒸发坩埚：陶瓷坩埚或水冷铜坩埚薄膜淀积和外延技术第85页被蒸发材料是放在水冷坩埚中,因而能够防止容器材料蒸发,不与坩埚材料交叉污染，清洁。只有小块区域被电子束轰击-坩埚内部形成一个虚“坩埚”-“skulling”能够制备难熔金属薄膜,如W,Mo,Ge等和氧化物薄膜,如SiO2,Al2O3等.尤其是制备高纯度薄膜.可用于粉末、块状材料蒸发–能够比较准确地控制蒸发速率；–电离率比较低电子束蒸发特点5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第86页E-GunCrucibleSubstratefixture5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第87页惯用蒸发材料形态5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第88页4、脉冲激光沉积用高能聚焦激光束轰击靶材5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第89页激光束斑点很小,蒸发只发生在光斑周围局部区域,能够防止坩埚材料对蒸发材料污染,提升薄膜纯度,

激光加热源,功率密度高,能够蒸发任何高熔点材料,沉积含有不一样熔点材料化合物薄膜可确保成份百分比,尤其适合于蒸发那些成份比较复杂合金或化合物材料.蒸气成份与靶材料基本相同，没有偏析现象蒸发量能够由脉冲数量定量控制；有利于薄膜厚度控制；光束渗透深度小~100A,蒸发只发生在靶材表面因为激光能量密度限制，薄膜均匀性比较差；不要求高真空，但激光器价格昂贵脉冲激光蒸发特点5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第90页5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第91页5、多组分薄膜蒸发方法多源次序蒸发,形成多层膜,再进行要退火5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第92页台阶和犁沟阴影效应:蒸发分子流受到工件形状影响造成阴影效应；台阶阴影效应；–与台阶高度和台阶与蒸发源相对位置相关；–旋转基片不能改进台阶阴影效应犁沟自封闭；–犁沟自封闭与犁沟深度和宽度相关；6、薄膜均匀性5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第93页蒸发源纯度影响：加热器、坩埚、支撑材料等污染；残余气体影响：残留气体在衬底上形成一单原子层所需时间7、薄膜纯度生长材料分子残留气体分子Pressure(Torr)Time10-40.02s10-50.2s10-62s10-720s10-83min10-935min10-106hr10-113daysSubstrate5.3物理气相沉积提升薄膜纯度方法：–降低残余气体分压,提升真空度；–提升基片温度,提升沉积速率；薄膜淀积和外延技术第94页二、溅射镀膜溅射镀膜是利用电场对辉光放电过程中产生出来带电离子进行加速，使其取得一定动能后，轰击靶电极，将靶电极原子溅射出来，沉积到衬底形成薄膜方法。5.3物理气相沉积辉光放电薄膜淀积和外延技术第95页++++++Al靶Al膜溅射沉积薄膜原理阳阴防止金属原子氧化真空Ar气Ar+Al膜与硅片之间结协力比蒸发法要好Al靶5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第96页溅射过程物理模型5.3物理气相沉积溅射靶材薄膜淀积和外延技术第97页溅射特征参数（1）溅射阈值：使靶材料原子发生溅射所需最小入射离子能量，低于该值不能发生溅射。大多数金属该值为10～20eV。

（2）溅射率：正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击出粒子数，又称溅射产额或溅射系数，S。

S=Ns/NiNi-入射到靶表面粒子数Ns-从靶表面溅射出来粒子数5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第98页影响原因①入射离子能量5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第99页②靶材种类③入射离子种类溅射率与靶材元素在周期表中位置相关。普通规律：溅射率随靶材元素原子序数增大而增大Cu、Ag、Au较大C、Si、Ti、V、Ta、W等较小溅射率依赖于入射离子能量，相对原子质量越大，溅射率越高。溅射率随原子序数发生周期性改变，每一周期电子壳层填满元素含有最大溅射率。惰性气体溅射率最高。5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第100页④入射角入射角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间夹角⑤溅射温度靶材5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第101页（3）溅射出粒子

从靶材上被溅射下来物质微粒，主要参数有：粒子状态、粒子能量和速度。溅射粒子状态与入射离子能量相关溅射粒子能量与靶材、入射离子种类和能量以及溅射粒子方向性相关，其能量可比蒸发原子能量大1～2个数量级。（4）溅射粒子角分布

溅射原子角度分布符合Knudsen余弦定律。也与入射原子方向性、晶体结构等相关。5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第102页设备简单，操作方便，适合于溅射金属薄膜但直流溅射中靶材只接收正离子,假如靶材是绝缘材料,阴极表面聚集大量正离子无法被电子中和使其电位不停上升,阴阳两极电势减小,使溅射不能连续进行.1、直流溅射惰性气体5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第103页与直流溅射相比,溅射电压低,能够溅射绝缘靶材，制备介质薄膜射频溅射原理:交变电场使得靶材正半周接收电子,负半周接收正离子,相互中和,从而使阴阳两极电位大小保持稳定,使溅射能够连续进行.2、射频溅射惰性气体5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第104页3、反应溅射活性气体+惰性气体能够制备化合物薄膜5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第105页4、磁控溅射磁控溅射：使电子路径不再是直线，而是螺旋线，增加了与气体原子发生碰撞几率，在一样电压和气压下能够提升气体电离效率，提升了沉积速率．5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第106页DC(导电材料)RF(绝缘介质材料)反应(氧化物、氮化物)或不反应(金属)5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第107页附加磁场优点限制溅射离子轨道增加离子在气体中停留时间增强等离子体和电离过程降低溅射原子从靶材到衬底旅程中碰撞高磁场附近产值比较高5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第108页磁控溅射中主要参数溅射电流(生长速率)压强(溅射粒子最高能量)靶材-衬底之间距离(多孔性、质地、晶体性）反应气体混合比(化学配比)衬底温度(晶体性、密度和均匀性)衬底偏压(薄膜结构和化学配比)5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第109页5.离子束溅射

采取单独离子源产生用于轰击靶材离子，原理见下列图。当前已经有直径>10cm宽束离子源用于溅射镀膜。优点：轰击离子能量和束流密度独立可控，基片不直接接触等离子体，有利于控制膜层质量。缺点：速度太慢，不宜镀制工件，工业上应用极难5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第110页三、离子成膜1.离子镀及其原理：

真空蒸发与溅射结合镀膜技术，在镀膜同时，采取带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行镀膜技术。即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬底），一部分变为激发态中性粒子，沉积于衬底表面成膜。5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第111页①真空度②放电气体种类与压强③蒸发源物质供给速率与蒸汽流大小④衬底负偏压与离子电流⑤衬底温度⑥衬底与蒸发源相对距离。主要影响原因：5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第112页

真空蒸镀、溅射、离子镀三种不一样镀膜技术，入射到基片上沉积粒子所带能量不一样。真空蒸镀：热蒸镀原子约0.2eV溅射：溅射原子约1-50eV离子镀：轰击离子约几百到几千eV离子镀目标：提升膜层与基片之间结合强度。离子轰击可消除污染、还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。5.3物理气相沉积蒸镀和溅射都能够发展为离子镀。

比如，蒸镀时在基片上加上负偏压，即可产生辉光放电，数百eV能量离子轰击基片，即为二极离子镀。见下列图。薄膜淀积和外延技术第113页2离子镀类型和特点

离子镀设备在真空、气体放电情况下完成镀膜和离子轰击过程，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件阴极等部分组成。（1）空心阴极离子镀（HCD）国内外常见设备类型以下HCD法利用空心热阴极弧光放电产生等离子体（空心钽管为阴极，辅助阳极）镀料是阳极弧光放电时，电子轰击阳极镀料，使其熔化而实现蒸镀蒸镀时基片上加负偏压即可从等离子体中吸引Ar离子向基片轰击，实现离子镀5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第114页5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第115页（2）多弧离子镀原理：多弧离子镀是采取电弧放电方法，在固体阴极靶材上直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所表示。电弧引燃依靠引弧阳极与阴极触发，弧光放电仅仅在靶材表面一个或几个密集弧斑处进行。5.3物理气相沉积弧斑直径小于100um；弧斑电流密度105-107A/cm2；温度8000-40000K弧斑喷出物质包含电子、离子、原子和液滴。大部分为离子。特点：直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶可依据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。薄膜淀积和外延技术第116页（3）离子束辅助沉积低能离子束1用于轰击靶材，使靶材原子溅射并沉积在基底上；离子束2起轰击（注入）作用，同时，可在室温或近似室温下合成含有良好性能合金、化合物、特种膜层，以满足对材料表面改性需要。5.3物理气相沉积薄膜淀积和外延技术第117页薄膜淀积和外延技术第118页5.4外延膜沉积技术外延是指沉积膜与基片之间存在结晶学关系时，在基片上取向或单晶生长同一物质方法。当外延膜在同一个材料上生长时，称为同质外延，假如外延是在不一样材料上生长则称为异质外延。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶层。这一方法能够很好地控制膜纯度、膜完整性以及掺杂级别。薄膜淀积和外延技术第119页外延特点：生成晶体结构良好；掺入杂质浓度易控制；可形成靠近突变pn结特点5.4外延膜沉积技术外延分类：①按工艺分类A气相外延（VPE）：利用硅气态化合物或者液态化合物蒸汽，在加热硅衬底表面和氢发生反应或本身发生分解还原出硅。B液相外延（LPE）：衬底在液相中，液相中析出物质并以单晶形式淀积在衬底表面过程。此法广泛应用于III-V族化合半导体生长。原因是化合物在高温下易分解，液相外延能够在较低温度下完成。薄膜淀积和外延技术第120页C固相外延（SPE）D分子束外延（MBE）：在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成原子或分子束，以很高速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层技术。特点：生长时衬底温度低，外延膜组分、掺杂浓度以及分布能够实现原子级准确控制。

5.4外延膜沉积技术②按导电类型分类n型外延：n/n,n/p外延；p型外延：p/n,p/p外延③按反应室形式卧式：产量大，设备结构简单；不过生成外延层厚度和电阻率均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。立式：维护轻易，外延层厚度和电阻率均匀性及自掺杂效应能得到很好控制；但设备大型话，制造难度大。桶式：很好预防外延滑移位错，外延层厚度和电阻率均匀性好；但设备结构复杂，不易维护。薄膜淀积和外延技术第121页④按材料异同分类同质外延（autoepitaxy）：外延层和衬底为同种材料比如硅上外延硅。异质外延（heteroepitaxy）：外延层和衬底为不一样种材料。比如SOI((绝缘体上硅)是一个特殊硅片，其结构主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层———埋氧层来隔断有源层和衬底之间电气连接)5.4外延膜沉积技术⑤按电阻率高低分类正外延：低阻衬底上外延高阻层n/n+

反外延：高阻衬底上外延低阻层薄膜淀积和外延技术第122页硅气相外延（1）原理：在气相外延生长过程中，有两步：质量输运过程－－反应剂输运到衬底表面表面反应过程－－在衬底表面发生化学反应释放出硅原子①外延过程5.4外延膜沉积技术②外延反应剂通惯用外延反应剂：SiCl4(*)、SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3薄膜淀积和外延技术第123页③SiCl4外延反应SiCl4＋2H2<---->Si+4HCl（1200度左右）（生长，腐蚀）SiCl4＋Si<---->2SiCl2（腐蚀硅）H2作用：运载和稀释气体；还原剂上述两个反应综合结果外延生长同时伴随有衬底腐蚀。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第124页原理图：5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第125页（2）外延生长速率①控制外延速率很关键过快可能造成：多晶生长；外延层中有过多堆跺层错；夹渣5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第126页②影响外延生长速率原因A反应剂浓度工业经典条件Y=0.005-0.015.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第127页②影响外延生长速率原因B外延温度在实际生产中：外延温度选择在B区原因有二。a）B区温度依赖型强；b）淀积硅原子也需要足够能量和迁移能力，高温5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第128页②影响外延生长速率原因C气体流速因为1200高温下抵达衬底表面不会堆积：所以流速越大，外延层生长速率越快。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第129页①系统要求

气密性好；温度均匀；气流均匀；反应剂和掺杂剂浓度和流量准确可控；外延前能对衬底做气相抛光；5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第130页（3）系统及工序5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第131页分子束外延（MBE)

分子束外延是在超高真空条件下准确控制原材料中性分子束强度，并使其在加热基片上进行外延生长一个技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第132页1、分子束外延（2）设备第4章外延工艺

三、其它外延薄膜淀积和外延技术第133页1341342、异质外延

（1）概述异质外延也叫非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3异质外延材料，一些薄膜集成电路就是采取SOS材料。第4章外延工艺

三、其它外延薄膜淀积和外延技术第134页分子束外延（MBE)特点(1)因为系统是超高真空，所以杂质气体(如残余气体)不易进人薄膜，薄膜纯度高。(2)外延生长普通可在低温下进行。(3)可严格控制薄膜成份以及掺杂浓度。(4)对薄膜进行原位检测分析，从而能够严格控制薄膜生长及性质。当然，分子束外延生长方法也存在着一些问题，如设备昂贵、维护费用高、生长时间过长、不易大规模生产等。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第135页

分子束外延基本装置由超高真空室(背景气压1.3X10-9Pa),基片加热块、分子束盒、反应气体进入管、交换样品过渡室组成。外，生长室包含许多其它分析设备用于原位监视和检测基片表面和膜，方便使连续制备高质量外延生长膜条件最优化。除了含有使用高纯元素。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第136页液相外延生长(LPE)

液相外延生长标准上讲是从液相中生长膜，溶有待镀材料溶液是液相外延生长中必需。当冷却时，待镀材料从溶液中析出并在相关基片上生长。对于液相外延生长制备薄膜，溶液和基片在系统中保持分离。在适当生长温度下，溶液因含有待镀材料而到达饱和状态。然后将溶液与基片表面接触，并以适当速度冷却，一段时间后即可取得所要薄膜，而且，在膜中也很轻易引人掺杂物。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第137页热壁外延生长(HWE)

热壁外延是一个真空沉积技术，在这一技术中外延膜几乎在靠近热平衡条件下生长，这一生长过程是经过加热源材料与基片材料间容器壁来实现。蒸发材料损失保持在最小;生长管中能够得到洁净环境;管内能够保待相对较高气压;源和基片间温差能够大幅度降低。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第138页异质外延：异质外延也叫非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3异质外延材料，一些薄膜集成电路就是采取SOS材料。衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量溶解现象衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数靠近。以防止生长外延层由生长温度冷却至室温时，热膨胀产生残余应力，截面位错，甚至外延层破裂现象发生衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体结构，晶格常数靠近，以防止晶格参数不匹配引发外延层与衬底接触界面晶格缺点多和应力大现象5.4外延膜沉积技术异质外延相容性薄膜淀积和外延技术第139页异质外延失配率其中：a外延层参数；a’衬底参数。有热膨胀系数失配率和晶格常数失配率5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第140页异质外延反相畴又叫反相混乱，比如非极性Si上生长极性GaAs在生长早期Si衬底上有区域附着Ga，有区域附着As，不能形成单相GaAs层，这就叫反相畴。所以惯用MBE法外延GaAs。5.4外延膜沉积技术薄膜淀积和外延技术第141页传统同质外延生长，单晶半导体层是生长在单晶半导体衬底上．此半导体层和衬底为相同材料，有相同晶格常数．所以同质外延是名符其实晶格匹配外延工艺．同质外延工艺提供了一个控制掺杂浓度分布主要方法，使器件和电路表现能够最正确化．比如，浓度相对低n型硅层能够外延生长在n+硅衬底上，此种结构可大幅度降低衬底串联电阻．对异质外延而言，外延层和衬底是两种不一样半导体，且外延层生长必须维持理想界面结构，这表示穿过界面化学键必须连续而不被打断．所以这两种半导体必须拥有相同晶格间距，或者可变形去接收一共同间距．此两种情况分别称为晶格匹配(Iattice-matched)外延和形变层(strain-l