化學(xué)氣相淀積

化學(xué)氣相淀積指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的過程。在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采用CVD方法制備。

化學(xué)氣相沉積CVD (Chemical Vapor Deposition)化學(xué)氣相淀積是把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑引入反應(yīng)室，在晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成所需的固態(tài)薄膜并淀積在其表面。在芯片制造過程中，大部分所需的薄膜材料，不論是導(dǎo)體、半導(dǎo)體，或是介電材料，都可以用化學(xué)氣相淀積來制備，如二氧化硅膜、氮化硅膜、多晶硅膜等。它具有淀積溫度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度與淀積時間成正比，均勻性與重復(fù)性好，臺階覆蓋好，操作方便等優(yōu)點。其中淀積溫度低和臺階覆蓋好對超大規(guī)模集成電路的制造十分有利。因此是集成電路生產(chǎn)過程中最重要的薄膜淀積方法。常用的有常壓化學(xué)氣相淀積、低壓化學(xué)氣相淀積以及等離子體增強化學(xué)氣相淀積等。

CVD是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)沉積物的工藝過程。它一般包括三個步驟:(1)產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì);(2)將揮發(fā)性物質(zhì)輸運到沉積區(qū);(3)于基體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)產(chǎn)物。

反應(yīng)器是CVD裝置最基本的部件。根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的不同,可將CVD技術(shù)分為開管氣流法和封管氣流法兩種基本類型。

封管法這種反應(yīng)系統(tǒng)是把一定量的反應(yīng)物和適當(dāng)?shù)幕w分別放在反應(yīng)器的兩端,管內(nèi)抽真空后充入一定量的輸運氣體,然后密封,再將反應(yīng)器置于雙溫區(qū)內(nèi),使反應(yīng)管內(nèi)形成一溫度梯度。溫度梯度造成的負(fù)自由能變化是傳輸反應(yīng)的推動力,于是物料就從封管的一端傳輸?shù)搅硪欢瞬⒊练e下來。封管法的優(yōu)點是:(1)可降低來自外界的污染;(2)不必連續(xù)抽氣即可保持真空;(3)原料轉(zhuǎn)化率高。其缺點是:(1)材料生長速率慢,不利于大批量生產(chǎn);(2)有時反應(yīng)管只能使用一次,沉積成本較高;(3)管內(nèi)壓力測定困難,具有一定的危險性。

開管法開管氣流法的特點是反應(yīng)氣體混合物能夠連續(xù)補充,同時廢棄的反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出沉積室。按照加熱方式的不同,開管氣流法可分為熱壁式和冷壁式兩種。熱壁式反應(yīng)器一般采用電阻加熱爐加熱,沉積室室壁和基體都被加熱,因此,這種加熱方式的缺點是管壁上也會發(fā)生沉積。冷壁式反應(yīng)器只有基體本身被加熱,故只有熱的基體才發(fā)生沉積。實現(xiàn)冷壁式加熱的常用方法有感應(yīng)加熱,通電加熱和紅外加熱等。

由 化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)所形成的膜層致密且均勻, 膜層與基體的結(jié)合牢固, 薄膜成分易控, 沉積速度快, 膜層質(zhì)量也很穩(wěn)定,某些特殊膜層還具有優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能, 因而易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)。但是, CVD的沉積溫度通常很高, 在 900℃～2000℃之間,容易引起零件變形和組織上的變化, 從而降低機體材料的機械性能并削弱機體材料和鍍層間的結(jié)合力,使基片的選擇、沉積層或所得工件的質(zhì)量都受到限制。CVD技術(shù)正朝著中、低溫和高真空兩個方向發(fā)展, 并與等離子體、激光、超聲波等技術(shù)相結(jié)合, 形成了許多新型的 CVD技術(shù)。

隨著工業(yè)生產(chǎn)要求的不斷提高, CVD的 工 藝 及 設(shè) 備 得到不斷改進(jìn), 現(xiàn)已獲得了更多新的膜層, 并大大提高了膜層的性能和質(zhì)量。與此同時交叉、綜合地使用復(fù)合的方法, 不僅啟用了各種新型的加熱源, 還充分運用了各種化學(xué)反應(yīng)、高頻電磁( 脈沖、射頻、微波等) 及等離子體等效應(yīng)來激活沉積離子, 成為技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。CVD技術(shù)由于采用等離子體、激光、電子束等輔助方法降低了反應(yīng)溫度, 使其應(yīng)用的范圍更加廣闊, 下一步應(yīng)該朝著減少有害生成物, 提高工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的方向發(fā)展。同時, CVD反應(yīng)沉積溫度的更低溫化, 用 CVD更精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)與性能技術(shù)的開發(fā), 厚膜涂層技術(shù)、利用殘余應(yīng)力提高材料強度的技術(shù)、大型 連 續(xù)CVD薄 膜 及 涂 層 制 備 技 術(shù) 、新 材 料 的 合 成 技術(shù) , 具 有 新 的 結(jié) 構(gòu) 的 反 應(yīng) 器 的 研 制 , 新 的 涂 層 材 料 及 具 有新的更能的材料體系的探索等, 將會成為今后研究的主要課題。