alias: TF,thin film

date: 2022-07-23 20:13
类型: 项目笔记
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![[A=工艺=CVD image 1.png]]

钝化层(Si3N4、Al2O3)、金属膜(Al)、氧化层(SiO2)，制备这些薄膜的材料有：[[A=能带理论|半导体]]材料（[[A=材料=Si|Si]]、GaAs等），金属材料（Au、Al等），无机绝缘材料（ SiO2 、Si3N4 、Al2O3 等），半绝缘材料（多晶硅、非晶硅等）。

薄膜的类型

介质膜：SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、PSG、BSG、Si3N4
[[A=能带理论|半导体]]：[[A=材料=Si|Si]]、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs、V2O3
[[A=能带理论|导体]]：Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2、掺杂多晶硅
超导体：Nb3Sn、NbN、Nb4N5

CVD=化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition)

使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成）在衬底上淀积一层薄膜材料的过程
具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点
CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等

  • 低温CVD氧化层：低于500℃
  • 中等温度淀积：500～800℃
  • 高温淀积：900℃左右
  • 常压化学气相淀积(APCVD)： 用于生长掺杂与不掺杂的二氧化硅 ^d2f0eb
  • 低压化学气相淀积(LPCVD)： 用于生长多晶硅与氮化硅
  • 等离子增强化学气相淀积(PECVD)： 可以降低反应所需温度，常用于生长氮化硅，作最后钝化层使用

![[A=材料=SiO2#^135a9b]]

![[A=材料=poly#^5c4072]]

![[A=材料=SiN#^a479c3]]

CVD工艺特点

  1. CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成; 设备简单，重复性好；
  2. 薄膜的成分精确可控、配比范围大；
  3. 淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米，且能大量生产；
  4. 淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。

化学气相沉积反应必须满足三个挥发性标准：
(1) 在沉积温度下，反应剂必须具备足够高的蒸汽压，使反应剂以合理的速度引入反应室。如果反应剂在室温下都是气体，则反应装置可以简化；如果在室温下挥发性很低，则需要用携带气体 carrier gas 将反应剂引入反应室，在这种情况下，接反应器的气体管路需要加热 (加热带)，以免反应剂凝聚。
(2) 除沉积物质外，反应产物必须是挥发性的。
(3) 沉积物本身必须具有足够低的蒸汽压，使反应过程中的沉积物留在加热基片上。

CVD 应用

  • [[A=材料=poly|多晶硅]]：SiH4/Ar(He) 620℃
  • [[A=材料=SiN|Si3N4]]: SiH2Cl2 +NH3 750~800℃
  • PSG: SiH4 +PH3 +O2 450℃
  • BSG: B2H6 +O2 450℃
  • [[A=材料=SiO2|SiO2]]: SiH2Cl2 +NO2 910℃

化学气相沉积反应的激活能

化学气相沉积反应所需要的激活能通常来源于热能、等离子体和激光等。

  1. 热能激活方式
    热能激活方式的化学气相沉积需要一定的热能，即反应环境需达到一定温度，通常所需的温度与反应气体压力有关，压力越小，所需的温度越高。化学气相沉积根据反应气体压力可分为常压化学气相沉积（简称APCVD）和低压化学气相沉积（简称LPCVD）。
  2. 等离子体激活方式
    等离子体增强化学气相沉积(PECVD)：是指在低真空条件下，利用直流电压（DC）、交流电压（AC）、射频（RF）、微波（MW）或电子回旋共振（ECR）等方法实现气体辉光放电，在沉积反应器中产生等离子体。由于等离子体中正离子、电子在电场的作用下能量提高，加速运动，这些带电粒子与中性反应气体分子不断碰撞，使反应气体电离或被激活成为活泼的活性基团，很容易成膜，可以大大降低沉积温度。
  3. 激光激活方式
    激光增强化学气相沉积

AP 管

常压化学气相沉积是半导体制造工业中早期用来沉积氧化层和硅外延层的，现在仍然使用。常压化学气相沉积是指在大气压下进行的一种化学气相沉积的方法，反应温度介于300～500℃。这种工艺所需的系统简单，反应速度快，并且沉积速率可超过10000Å/min，特别适于介质积，但是它的缺点是均匀性较差，气体消耗量大，且台阶覆盖能力差，所以常压化学气相沉积一般用在厚的介质沉积。

LP管

随着半导体工艺特征尺寸的减小，对薄膜的均匀性要求及膜厚误差要求的不断提高，出现了低压化学气相沉积。低压化学气相沉积就是将反应室内的压强降至0.2～2 Torr，反应温度介于500～900℃。相对常压化学气相沉积来讲，低压化学气相沉积薄膜厚度均匀性好、台阶覆盖性好、沉积速率快、生产效率高、沉积的薄膜性能更好，因此应用更广泛。低压化学气相沉积经常用于多晶硅、氮化硅膜、氧化铝以及某些金属膜的沉积。

外延沉积

单晶硅的化学气相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片。在外延生长过程中，衬底起到籽晶的作用，外延层则保持了与衬底相同的晶体结构和晶向
如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质外延；如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异质外延
特点：

  • 生长的外延层能与衬底保持相同的晶向
  • 外延层厚度比氧化和CVD得到的厚度都大
  • 利用外延层可以有效控制准三维结构深度
  1. 外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶生长需要进行杂质掺杂。
  2. 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件的制备尤为重要。
  3. 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备，如GaN

气相外延(VPE)（Vapor Phase Epitaxy）

使化学气体中半导体成分结晶在衬底表面，从而生长出半导体层的过程称为汽相外延。

  1. 汽相外延生长具有生长温度低和纯度高的优点
  2. 汽相外延技术为器件的实际制造工艺提供了更大的灵活性
  3. 汽相外延生长的外延层和衬底层间具有非常明显清晰的分界
    因此，汽相外延技术是制备器件中半导体薄膜的最重要的技术手段

金属有机物CVD(MOCVD)

MOCVD是1968年马纳赛维特（Manasevit）首先提出，已经发展成为化合物半导体材料的主要生长手段
基本原理：利用II，III族元素的烷基化合物的蒸气与V族或者VI族的氢化物或者烷基化合物气体混合，在一定温度下发生热解，合成反应，在衬底上沉积出化合物半导体材料

很像硅烷+磷烷

  1. title: 适应性强，可以生长大部分化合物半导体材料
  2. | 化合物  | 源               | 生长温度      |   |
  3. |------|-----------------|-----------|---|
  4. | GaAs | (CH3)3Ga －AsH3  | 650～750   |   |
  5. | GaP  | (CH3)3Ga －PH3   | 700～800   |   |
  6. | GaN  | (CH3)3Ga －NH3   | 950～1050  |   |
  7. | AlN  | (CH3)3Al －NH3   | 1250      |   |
  8. | InP  | (C2H5)3In －PH3  | 650～725   |   |
  9. | InAs | (C2H5)3In －AsH3 | 650～700   |   |
  10. | ZnS  | (C2H5)2Zn －H2S  | 750       |   |
  1. 可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的组分，电学和光学性质
  2. 可以生长原子级的超薄层以及多层、异质结构材料，超晶格，量子阱等微结构材料
  3. 可以生长大面积均匀薄膜，膜的均匀性和电学性重复性较好，易于产业化
  4. MOCVD介于LPE和MBE二者之间(速率、纯度)

互补金属氧化物半导体(CMOS)外延

液相外延 （Liquid Phase Epitaxy）

采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延