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文档简介
OutlineCVDProcessOverviewPECVDProcessOverviewPECVDProcessRecipeAndCleanRecipeOverviewPECVDEquipmentOverviewCVDProcessOverview化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition):是基于化学反应的薄膜淀积方法。以气体形式提供反应物质,在热能、等离子体、紫外光等的作用下,在固体衬底表面经化学反应形成固体物质的淀积。化学反应类型:还原反应(主要是和H2反应)、氧化反应(主要是O2和含氧气体N2O反应)、氮化反应(主要是和N2或NH3反应)等化学反应;CVD的定义:CVDProcessOverviewCVD反应的分类:
CVDProcessOverviewAPCVD和LPCVD都属于热反应,是利用高温使物质发生热分解、氢还原、氧化、置换等反应。LPCVD的提出是为了降低自掺杂效应而提出的;PECVD是为了降低反应温度,提高成膜速率需求提出的;
主要差别是:
1)低压下气体扩散系数增大,使气态反应物和副产物的质量传输速率加快,形成薄膜的反应速率增加;因此反应控制方式如下:表面反应控制:LPCVD/PECVD物质输运控制:APCVDAPCVD一般只用于生长SiO2,主要是针对热氧化的SiO2的淀积速率慢,消耗衬底硅提出来的,早期APCVD没有压力控制系统2)LPCVD较APCVD:引入了真空设备,降低反应压力,提高了膜的均一性和particleperformance;PECVD较LPCVD又引入RF系统,使得我们可以调节薄膜的应力,且可连续成膜,膜组份均匀;
缺点:APCVD:流量大,淀积速率大,需要足够的稀释气体来避免粉末生产,需要额外的退火工艺处理以提高膜的密度、抗蚀性以及介电强度;
LPCVD:通过对进入chamber和真空泵抽气速度的控制控制反应的压力,缺点就是需要的反应温度比较高;
PECVD:plasmadamage和H污染;以SiN为例,同温同压下,PECVD反应速度会达到LPCVD2~10几倍。对于反应腔室采用立式、卧式反应腔根据反应的特点以及生产的能力来考虑的;热壁还是冷壁,根据发生反应是放热还是吸热反应定。还原反应是吸热反应,设计成冷壁,会降低器壁上的沉积速率CVDProcessOverviewCVD的反应原理:
CVD化学反应热力学原理:
目的:预测某些特定条件下某些化学反应的可行性(方向和限度)。在温度、压力、反应物浓度给定的条件下,热力学计算能从理论上给出沉积薄膜的量和所有气体的分压,但是不能给出沉积速率;
可以作为确定CVD工艺参数的参考;分析方法:化学反应的自由能变化∆Gr可以用反应物和生成物的标准自由能来∆Gf计算
CVD化学反应动力学原理:
目的:研究化学反应的速率和各种因素对其影响。通过实验研究薄膜的生长速率,确定过程速率的控制机制,以便进一步调整工艺参数,获得高质量、厚度均匀的薄膜;CVDProcessOverviewCVD的反应过程:A.Gasorvaporphaseprecursorsare
introducedintothereactorAG.gaseousbyproductsdesorbfromthe
substratesurfaceandpumpoutthe
rectorGB.Precursorsacrosstheboundarylayer
andreachthesurfaceBBC.Precursorsadsorbonthesubstrate
surfaceandmigrateonthesurfaceCCD.ChemicalreactiononthesurfaceDE.Nucleationislandformationandgrow
intoislandsEEF.Islandsmergeandgrowintothe
continuousthinfilmFFFCVDProcessOverviewCVD的反应过程:气体输入强制对流自然对流气相扩散表面吸附、运动、反应、脱附、表面成膜反应CVDProcessOverview平衡态时气体的运输通量(扩散)等于反应通量:CVD反应速率的分析(反应最慢阶段决定)当hg>>ks时,表面反应速率限制淀积速率。主要由于反应温度或压力过低,即传输速率快,反应速率低于传输速率;当hg<<ks时,质量传输限制淀积速率,即不能提供足够的反应物到衬底;CVDProcessOverview低温时,表面反应速率慢,称表面反应控制的沉积过程;高温时,扩散速率增加不够快,称扩散控制的沉积过程;CVD反应速率的分析(反应最慢阶段决定)PECVDProcessOverviewPECVD的定义:
等离子体增强化学气相淀积法(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)即借助微波或者射频等使含有薄膜组成原子的气体电离,在局部形成等离子体。而等离子体化学活性很强,很容易发生反应,从而在基片上沉积出所期望的薄膜。
等离子的作用:将反应物气体分子激活成活性粒子,降低反应温度(200~400度);加速反应物在表面的扩散作用,提高成膜速率;对基片和薄膜具有溅射清洗作用,溅射掉结合不牢的粒子,提高了薄膜和基片的附着力;由于原子、分子、离子和电子相互碰撞,使形成薄膜的厚度均匀;可以通过调节power,调节膜的应力;
PECVDProcessOverviewPECVD中的反应过程:主要过程:电子与气体发生非弹性碰撞,使的气体发生分解(初级反应),形成离子和活性基团混合物;活性基团向薄膜生长表面扩散输运,同时发生各反应物之间的次级反应;到达生长表面的各种初级、次级反应产物被吸并与表面发生反应,同时伴随有气相分子的再放出;CVDProcessOverviewPECVD中plasma的特点:Plasma组分:包括电子、离子、未电离的中性粒子,电离度小于0.01;属于低温plasma(非平衡态的等离子体),电子温度(104K)>>粒子体温度(300~500K);Plasma中的碰撞(collision)过程:
1)弹性碰撞(elasticcollision):没有能量交换的碰撞,它是plasma
中最频繁发生的,但也是没有重要意义的碰撞;
2)非弹性碰撞(inelasticcollision):发生能量交换的,有新的成分
产生的碰撞,其中三个比较重要:
离子化(Ionization)e-+A(atom\molecule)->A++2e-激发与跃迁(excitation-relaxation)e-+A(atom\molecule)->A*+e-A*->A+hv(photons)离解(dissociation)e-+AB->A+B+e-PECVDProcessOverviewPECVD中plasma的电势分布:RFhotVp=10~20vDarkspaceorsheathregions电子移动速度比离子快:1)电极板立即带上负电,带负电的电极排斥电子,吸引离子,所以在电极板附近电子比离子少;此处基本没有电子/电子、电子/离子之间的碰撞,因而发光比较弱,称为darkspace;2)任何接近于plasma的电荷基本可视为不能移动,因此与plasma附近区域相比,plasma总是高电势区域。由此与电极板之间会产生一个DC电势差。离子轰击的能量基本就是这个电势差提供的;PECVDProcessOverviewPECVD在DCVD中的应用:
Silane-basedprocess
∙USG∙NitrideTEOS-basedprocess
PECVDProcessOverview1)Oxide(PEsilaneoxideandPETEOSoxide)TEOSoxide的优点:
更好的stepcoverage和conformity;
比SiH4更加安全;局部更平滑的表面形貌,降低寄生电容,提高器件稳定性;
缺点:设备比较复杂,需要TEOS传输系统;厚膜下容易发生discolor;wafer整体range较大;PECVDProcessOverview1)Oxide(PEsilaneoxideandPETEOSoxide物理吸附与化学吸附
物理吸附:被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力,即所谓的范德华力;
化学吸附:化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力(离子键、原子键、金属键)起作用的结果。这类型的吸附需要一定的活化能,故又称“活化吸附”.这种化学键亲和力的大小可以差别很大,但它大大超过物理吸附的范德华力;PECVDProcessOverview
SiH4:前驱体认为是由plasma产生或者热分解产生的自由基如SiH3/SiH2或SiH与氧化物的surface发生化学吸附。那由于化学键的存在,precursor不易在表面移动;precursor再与与氧化物分解产生的O自由基发生反应。初期会发生如下反应:2SiH3+O(SiH3)2OSiH3OH+H2
后续会发生表面氧化反应消耗掉大部分多余的H。最后的沉积的膜中一般
会含有2%~9%的H。1)Oxide(PEsilaneoxideandPETEOSoxide)PECVDProcessOverview1)Oxide(PEsilaneoxideandPETEOSoxide)TEOS(Si(OC2H5)4)沉积时,前驱体被认为是如下粒子:
Si(OC2H5)n(OH)4-n或者Si(OC2H5)nO4-nn=0~3。这些粒子是通过电子
碰撞分解TEOS产生的。例如,当n=1~4时e+Si(OC2H5)n(OH)4-n
Si(OC2H5)n-1(OH)4-n+1+C2H4+e或者通过O原子与TEOS及其前驱物反应产生这样的粒子,如
O+Si(OC2H5)n(OH)4-n
Si(OC2H5)n-1(OH)4-n+1+C2H4O
在高度稀释的TEOS/O2混合气体中,哪种前驱物的浓度最高。在不断生长的薄膜上,,吸附的前驱物会与吸附的O原子反应,使前驱物进一步分解产生Si-OH并使C/H进一步氧化,生产CO2和H2OPECVDProcessOverview2)氮化硅(Nitride)
优点:具有高绝缘强度,漏电低,对水汽和可动离子(Na+)有很好的阻挡作用;
缺点:具有高的介电常数(k值~7,SiO2~4.1)
用途:通常用作最后的passivationlayer;作为下层金属的barr
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