半导体工艺及设备:薄膜沉积工艺和设备

作者:admin  来源:Semika  发布时间:2024-05-15  访问量:1256

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化学气相沉积(CVD)




化学气相沉积(CVD)通过热分解和/或气体化合物的反应在衬底表面形成薄膜。CVD法可以制作的薄膜层材料包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物,以及一些金属化合物、合金等。


化学气相沉积是目前很重要的微观制造方法,因为它有如下的这些特点


1. 沉积物种类多: 可以沉积金属薄膜、非金属薄膜,也可以按要求制备多组分合金的薄膜,以及陶瓷或化合物层。

2. CVD反应在常压或低真空进行,镀膜的绕射性好,对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔都能均匀镀覆。

3. 能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。由于反应气体、反应产物和基材的相互扩散,可以得到附着力好的膜层,这对表面钝化、抗蚀及耐磨等表面增强膜是很重要的。

4. 由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多,由此可以得到纯度高、结晶完全的膜层,这是有些半导体膜层所必须的。

5. 利用调节沉积的参数,可以有效地控制覆层的化学成分、形貌、晶体结构和晶粒度等。

6. 设备简单、操作维修方便。

7. 反应温度太高,一般要850~ 1100℃下进行,许多基体材料都耐受不住CVD的高温。采用等离子或激光辅助技术可以降低沉积温度。


化学气相沉积过程分为三个重要阶段:


1、反应气体向基体表面扩散

2、反应气体吸附于基体表面

3、在基体表面发生化学反应形成固态沉积物及产生的气相副产物脱离基体表面


最常见的化学气相沉积反应有:


热分解反应、化学合成反应和化学传输反应等。


CVD的主要有下面几种反应过程:


i). 多晶硅 Polysilicon

SiH4  —>  Si + 2h2 (600℃)

沉积速度 100 - 200 nm /min

可添加磷(磷化氢)、硼(二硼烷)或砷气体。多晶硅也可以在沉积后用扩散气体掺杂。


ii). 二氧化硅 Dioxide

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2  (300 - 500℃)

SiO2用作绝缘体或钝化层。通常添加磷是为了获得更好的电子流动性能。

当硅在氧气中存在时,SiO2会热生长。氧气来自氧气或水蒸气。环境温度要求为900 ~ 1200℃。选择性氧化后的硅片表面如下图所示:


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氧气和水都会通过现有的SiO2扩散,并与Si结合形成额外的SiO2。水(蒸汽)比氧气更容易扩散,因此使用蒸汽的生长速度要快得多。


氧化物用于提供绝缘和钝化层,形成晶体管栅极。干氧用于形成栅极和薄氧化层。蒸汽被用来形成厚厚的氧化层。绝缘氧化层通常在1500nm左右,栅极层通常在200nm到500nm间。


iii). 氮化硅 Siicon Nitride

3SiH4 + 4NH3 —> Si3N4 + 12H2

(硅烷)     (氨)         (氮化物)


化学气相沉积CVD 设备


CVD反应器有三种基本类型:


◈  大气化学气相沉积(APCVD: Atmospheric pressure CVD)

◈  低压CVD (LPCVD:Low pressure CVD,LPCVD)

◈  超高真空化学气相沉积(UHVCVD: Ultrahigh vacuum CVD)

◈  激光化学气相沉积(LCVD: Laser CVD,)

◈  金属有机物化学气相沉积(MOCVD:Metal-organic CVD)

◈  等离子增强CVD (PECVD)


低压CVD工艺的设备示意图如下图所示。


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下图是一个离子增强型CVD设备的结构,用于沉积碳,制备类金钢石涂层。


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物理气相沉积(PVD)




在真空条件下,采用物理方法,将材料源(固体或液体) 表面材料气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。


物理气相沉积不仅可沉积金属膜、合金膜, 还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。


物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤:


(1)镀料的气化:即使镀料蒸发,升华或被溅射,也就是通过镀料的气化源。

(2)镀料原子、分子或离子的迁移:由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后,产生多种反应。

(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。


物理气相沉积技术工艺过程无污染,耗材少。成膜均匀致密,与基体的结合力强。


该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域,可制备具有耐磨、耐腐蚀、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层 。


物理气相沉积也有多种工艺方法:


◈  真空蒸度 Thin Film Vacuum Coating

◈  溅射镀膜  PVD-Sputtering

◈  离子镀膜  Ion-Coating