影響CVD沉積層質(zhì)量的因素

1、影響沉積影響沉積層質(zhì)量的因素層質(zhì)量的因素 質(zhì)量取決于： 沉積反應(yīng)機(jī)理的內(nèi)在聯(lián)系、反應(yīng)條件、襯底、源物質(zhì)、載氣和反應(yīng)器裝置等因素 沉積層質(zhì)量主要表現(xiàn)： 化學(xué)組成及純度 晶格結(jié)構(gòu)完整性和 物理化學(xué)性能等影響沉積影響沉積層質(zhì)量的因素層質(zhì)量的因素 7.1 7.1 沉積沉積參數(shù)對(duì)淀積層質(zhì)量的影響參數(shù)對(duì)淀積層質(zhì)量的影響 7.1.1 7.1.1 反應(yīng)混合物的供應(yīng)反應(yīng)混合物的供應(yīng) 7.1.2 7.1.2 沉積沉積溫度溫度 7.1.3 7.1.3 襯底材料襯底材料 7.1.4 7.1.4 系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速 7.1.5 7.1.5 反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素 7.1.6 7.

2、1.6 源材料的純度源材料的純度7.1.1. 7.1.1. 反應(yīng)混合物的供應(yīng)反應(yīng)混合物的供應(yīng)決定材料層質(zhì)量重要因素之一決定材料層質(zhì)量重要因素之一 氣相沉積的必要條件：氣相過(guò)飽和度 氣相物種的分壓決定了： 固相的成核和生長(zhǎng)； 沉積速率和材料的結(jié)構(gòu)狀況 最佳反應(yīng)物分壓及相對(duì)比例需實(shí)驗(yàn)選擇 反應(yīng)物分壓過(guò)大，表面反應(yīng)和成核過(guò)快，損害結(jié)構(gòu)的完善性，甚至導(dǎo)致多晶沉積； 分壓過(guò)小，成核密度太小，不易得到均勻的外延層 反應(yīng)物分壓之間的相互比例反應(yīng)物分壓之間的相互比例 反應(yīng)物分壓之間的相互比例決定沉積物的化學(xué)計(jì)量 例如III-V族、IIVI族化合物半導(dǎo)體、Nb3Sn和Nb3Ge等超導(dǎo)材料，特別GaAs1-xPx

3、、Ga1-xInxSb、AlxGa1-xAs等混晶材料，主要靠調(diào)整氣相反應(yīng)物分壓比獲得所需化學(xué)組成的淀積物，形成一定禁帶寬度和物理性能的材料。TMA-TMG-DEZn-H2Al0.3Ga0.7As/GaAs（630）氣相反應(yīng)物分壓氣相反應(yīng)物分壓對(duì)沉積對(duì)沉積層純度的影響例層純度的影響例Ga-AsClGa-AsCl3 3-H-H2 2流速的影響流速的影響AsClAsCl3 3-Ga-N-Ga-N2 2AsClAsCl3 3流速流速載流子濃度載流子濃度7.1.2 7.1.2 沉積沉積溫度主要的工藝條溫度主要的工藝條件件同一反應(yīng)體系，在不同溫度下，沉積物形態(tài)可以各異（單晶、多晶、無(wú)定形物，甚至不淀積）

4、 溫度影響沉積過(guò)程各步驟及它們的相互關(guān)系，對(duì)沉積物質(zhì)量影響的程度與沉積機(jī)制有關(guān)： 提高沉積溫度對(duì)表面過(guò)程速率影響更為顯著： 導(dǎo)致表面控制向質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制轉(zhuǎn)化 提高成晶粒子的遷移能力和能量 外延層單晶性和表面形貌得到改善襯底溫度的影響襯底溫度的影響 在相同的氣相分壓下，由在相同的氣相分壓下，由于沉積于沉積溫度不同，固相組成相差懸溫度不同，固相組成相差懸殊。通常，在熱力學(xué)因素殊。通常，在熱力學(xué)因素對(duì)沉積對(duì)沉積過(guò)程起控制作用的體系中，過(guò)程起控制作用的體系中，固相組成與氣相分壓固相組成與氣相分壓、沉積、沉積溫度具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以致溫度具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以致可以通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算定量預(yù)言這些因可以通過(guò)熱

5、力學(xué)計(jì)算定量預(yù)言這些因素。素。 沉積沉積溫度溫度對(duì)沉積對(duì)沉積物化學(xué)組成的影響物化學(xué)組成的影響 沉積沉積溫度影響溫度影響 氣相過(guò)飽和度氣相過(guò)飽和度 和氣態(tài)物種和氣態(tài)物種 的相對(duì)活性的相對(duì)活性3PCl 氣體供應(yīng)速度（克分子/分）圖 6-1 GaAs-PCl3-H2系統(tǒng)中，GaAs1-xPx晶體薄膜的化學(xué)組成與沉積溫度，供氣速度的關(guān)系襯底溫度的影響自摻雜效應(yīng)襯底溫度的影響自摻雜效應(yīng)溫度升高：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)材料的雜質(zhì)污染程度提高。溫度升高：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)材料的雜質(zhì)污染程度提高。襯底材料雜質(zhì)的襯底材料雜質(zhì)的自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)：通過(guò)氣相或界面擴(kuò)散：通過(guò)氣相或界面擴(kuò)散異質(zhì)外延生長(zhǎng)，因材料的熱失配形成的異質(zhì)外延生長(zhǎng)

6、，因材料的熱失配形成的熱應(yīng)力熱應(yīng)力造成的界面缺陷擴(kuò)造成的界面缺陷擴(kuò)散隨溫度升高而加劇。散隨溫度升高而加劇。襯底溫度應(yīng)該盡可能的低襯底溫度應(yīng)該盡可能的低： 避免自摻雜效應(yīng)避免自摻雜效應(yīng) 降低界面層的熱失配降低界面層的熱失配沉積沉積溫度影響溫度影響 實(shí)踐表明，沉積溫度對(duì)雜質(zhì)的摻入影響顯著；不同晶面，影響程度不同。 例如在GaAs氣相外延中，沉積溫度對(duì)(100)面影響最大。載流子濃度隨溫度的變化跟沉積速率的趨向一樣，表明溫度改變雜質(zhì)的沉積動(dòng)力學(xué)。如圖所示圖圖 GaAs外延層的載流子濃度外延層的載流子濃度與沉積與沉積溫度溫度的關(guān)系（的關(guān)系（GaAsCl3H2系統(tǒng)系統(tǒng)）降降低沉積低沉積溫度新體系選擇溫度

7、新體系選擇 Ga-AsClGa-AsCl3 3-N-N2 2系統(tǒng)系統(tǒng) 代替代替 Ga-AsClGa-AsCl3 3-H-H2 2系統(tǒng)，系統(tǒng)， 生長(zhǎng)溫度降到生長(zhǎng)溫度降到 600600650650， 其界面載流子其界面載流子 分分布得到顯布得到顯著改善。著改善。圖圖 GaAsCl3N2和和GaAsCl3H2系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，GaAs外延層的縱向載流子濃外延層的縱向載流子濃度分布度分布沉積沉積溫度的影響溫度的影響-AsCl3-Ga-N2載流子濃度載流子濃度遷移率遷移率沉積沉積溫度的影響溫度的影響TMA-TMG=DEZn-HTMA-TMG=DEZn-H2 2AlAl0.30.3GaGa0.70.7As/

8、As/GaAsGaAs（a）(b)降降低沉積低沉積溫度溫度 襯底溫度應(yīng)該盡可能的低，并精確控制沉積區(qū)溫度 合理選擇反應(yīng)體系 目前，大規(guī)模集成電路工藝中，己廣泛采用以金屬有機(jī)化合物為源（如Ga(CH3)3-AsH3-H2）的所謂低溫(300500)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以代替舊有的高溫氧化、高溫?cái)U(kuò)散等工藝。7.1.3 7.1.3 襯底材料的影響襯底材料的影響 化學(xué)氣相沉積法制備無(wú)機(jī)薄膜材料，是在一種固態(tài)基體表面(襯底)上進(jìn)行的。 基體材料是影響沉積層質(zhì)量的關(guān)鍵因素。 襯底材料的選擇 襯底材料的影響 襯底晶面取向襯底材料的選擇襯底材料的選擇 襯底材料的選擇襯底材料的選擇： 異異質(zhì)外延中對(duì)襯底材料的一般

9、要求質(zhì)外延中對(duì)襯底材料的一般要求： (1)(1)淀積溫度下，熱力學(xué)穩(wěn)定，不發(fā)生熱分解；淀積溫度下，熱力學(xué)穩(wěn)定，不發(fā)生熱分解； (2)(2)淀積溫度下，化學(xué)穩(wěn)定，不易受反應(yīng)氣氛的侵蝕；淀積溫度下，化學(xué)穩(wěn)定，不易受反應(yīng)氣氛的侵蝕； (3)(3)晶格類(lèi)型和晶格常數(shù)盡可能與外延材料相近；晶格類(lèi)型和晶格常數(shù)盡可能與外延材料相近； (4)(4)熱膨脹系數(shù)盡可能與外延材料的相近；熱膨脹系數(shù)盡可能與外延材料的相近； (5)(5)熱導(dǎo)性能好，可抗熱沖擊熱導(dǎo)性能好，可抗熱沖擊 (6)(6)切、磨、拋、化學(xué)清洗等處理工藝易于進(jìn)行；切、磨、拋、化學(xué)清洗等處理工藝易于進(jìn)行； (7)(7)成本低，適于大量應(yīng)用。成本低，適

10、于大量應(yīng)用。 襯底晶面取向襯底晶面取向 襯底晶面取向襯底晶面取向 ：影：影響沉積響沉積速率，也嚴(yán)重影速率，也嚴(yán)重影響沉積響沉積層質(zhì)量。層質(zhì)量。 晶面上晶面上原子的種類(lèi)和密度原子的種類(lèi)和密度、生長(zhǎng)臺(tái)階排布生長(zhǎng)臺(tái)階排布的狀況，影響成核的狀況，影響成核和生長(zhǎng)。和生長(zhǎng)。 晶面的晶面的極性極性，決定了從氣相中吸附雜質(zhì)的種類(lèi)和相對(duì)數(shù)量。，決定了從氣相中吸附雜質(zhì)的種類(lèi)和相對(duì)數(shù)量。 晶面取向嚴(yán)重影響外延層的純度和物理參量，如晶面取向嚴(yán)重影響外延層的純度和物理參量，如表中表中所列數(shù)所列數(shù)據(jù)。據(jù)。晶面取向?qū)ν庋訉由L(zhǎng)的影響晶面取向?qū)ν庋訉由L(zhǎng)的影響襯底取向?qū)σr底取向?qū)aAsGaAs外延層性能影響外延層性能影響（

11、110）（100）層厚（層厚（umum）載流子濃度載流子濃度襯底晶面取向襯底晶面取向SiSi外延層形貌的影響外延層形貌的影響SiHCl3-H2(111)(100)襯底表面狀況與表面處理襯底表面狀況與表面處理 襯底材料表面處理的重要性 表面附著物和各種機(jī)械損傷是假的活性成核中心，使外延層生長(zhǎng)取向無(wú)序或造成嚴(yán)重的宏觀缺陷。 表面處理： 切、磨、拋光、化學(xué)和超聲清洗 原位氣相化學(xué)腐蝕：消除機(jī)械熱應(yīng)力； 暴露晶體新鮮表面。In Situ 氣相腐蝕氣相腐蝕（001)Si/(1120)藍(lán)寶石藍(lán)寶石,960C,HCl-H24X!0-10cm-22X!0-10cm-2In Situ 氣相腐蝕氣相腐蝕7.1.4

12、7.1.4系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速 系統(tǒng)內(nèi)總壓直接影響封管系統(tǒng)輸運(yùn)速率，由此波及生長(zhǎng)層的系統(tǒng)內(nèi)總壓直接影響封管系統(tǒng)輸運(yùn)速率，由此波及生長(zhǎng)層的質(zhì)量。質(zhì)量。 常壓開(kāi)管系統(tǒng)很少考慮總壓力的影響；常壓開(kāi)管系統(tǒng)很少考慮總壓力的影響； 低壓低壓CVDCVD顯著改顯著改善善沉沉積積層的均勻性和附著性；層的均勻性和附著性；TiNTiN、SiSi、SiOSiO2 2。 氣體總流速：在開(kāi)管氣流系統(tǒng)中，氣體總流速影響反應(yīng)物向氣體總流速：在開(kāi)管氣流系統(tǒng)中，氣體總流速影響反應(yīng)物向生長(zhǎng)表面的輸運(yùn)速率，以致改變過(guò)程的控制步驟。一般提高生長(zhǎng)表面的輸運(yùn)速率，以致改變過(guò)程的控制步驟。一般提高總流速，過(guò)程由質(zhì)量

13、轉(zhuǎn)移控制向表面控制轉(zhuǎn)化，生長(zhǎng)速率顯總流速，過(guò)程由質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制向表面控制轉(zhuǎn)化，生長(zhǎng)速率顯著提高。著提高。氣體總流速對(duì)材料純度的影響氣體總流速對(duì)材料純度的影響例如例如，In-PClIn-PCl3 3-H-H2 2系統(tǒng)外延生長(zhǎng)系統(tǒng)外延生長(zhǎng)InPInP時(shí)，在低流速下，生長(zhǎng)層質(zhì)時(shí)，在低流速下，生長(zhǎng)層質(zhì)量高；量高； 從圖從圖6-46-4可以看到：可以看到：氣體流速增大一倍，氣體流速增大一倍，載流子濃度增大載流子濃度增大 2 23 3倍。倍。 提高流速加快提高流速加快 氣相雜質(zhì)向氣相雜質(zhì)向 生長(zhǎng)層的輸運(yùn)生長(zhǎng)層的輸運(yùn)圖圖 6-4 未摻雜未摻雜InP外延層載流子濃度外延層載流子濃度與氣體流速的關(guān)系（與氣體流速的

14、關(guān)系（InPCl3H2系系統(tǒng)）統(tǒng)）圖圖 6-4 未摻雜未摻雜InP外延層載流子濃度與氣體流外延層載流子濃度與氣體流速的關(guān)系（速的關(guān)系（InPCl3H2系統(tǒng)）系統(tǒng)）7.1.5 7.1.5 反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素 反應(yīng)系統(tǒng)的密封性反應(yīng)系統(tǒng)的密封性：系統(tǒng)必須嚴(yán)格密封：系統(tǒng)必須嚴(yán)格密封, , 避免空氣中氧和水避免空氣中氧和水汽等向淀積系統(tǒng)滲漏，特別生長(zhǎng)非氧化物材料。汽等向淀積系統(tǒng)滲漏，特別生長(zhǎng)非氧化物材料。 反應(yīng)管的結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)管的結(jié)構(gòu)形式：決定氣體的混合程度和均勻性，影響淀：決定氣體的混合程度和均勻性，影響淀積速率和淀積層的均勻性。流體力學(xué)的理論模型闡明氣流狀積速率和淀積層的均勻性。流

15、體力學(xué)的理論模型闡明氣流狀態(tài)規(guī)律，指導(dǎo)反應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)態(tài)規(guī)律，指導(dǎo)反應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 反應(yīng)管及氣體管道的材料反應(yīng)管及氣體管道的材料：反應(yīng)容器的污染不容忽視。：反應(yīng)容器的污染不容忽視。 7.1.7.1. 6.6.源材料的純度源材料的純度 器件質(zhì)量材料質(zhì)量源材料(包括載氣)的純度之間的關(guān)系 高純?cè)?，高純金屬有機(jī)化合物等的研制生產(chǎn)、提純技術(shù)和高純測(cè)試手段發(fā)展的重要性7 72 2 表面形貌和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)表面形貌和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 表表面形貌面形貌： 生生長(zhǎng)表面的外觀特征及表面缺陷長(zhǎng)表面的外觀特征及表面缺陷 表面缺陷表面缺陷： 宏觀缺陷：表面上的雜物、裂縫、多晶堆積等及成因宏觀缺陷：表面上的雜物、裂縫、多晶堆積

16、等及成因 一定取向晶面的特征形貌及生長(zhǎng)面上的生長(zhǎng)錐、凹坑等缺陷一定取向晶面的特征形貌及生長(zhǎng)面上的生長(zhǎng)錐、凹坑等缺陷具有規(guī)律性，與生長(zhǎng)過(guò)程及條件密切有關(guān)具有規(guī)律性，與生長(zhǎng)過(guò)程及條件密切有關(guān)外延層表面形貌外延層表面形貌 低指數(shù)取向的外延層表面：低指數(shù)取向的外延層表面： 可可能平整如鏡面能平整如鏡面 較高指數(shù)的晶面：較高指數(shù)的晶面： 易出現(xiàn)臺(tái)階狀、波浪狀、魚(yú)鱗狀和網(wǎng)格狀等特征形貌易出現(xiàn)臺(tái)階狀、波浪狀、魚(yú)鱗狀和網(wǎng)格狀等特征形貌 外延層表面形貌的周期性鍵鏈（外延層表面形貌的周期性鍵鏈（PBCPBC）模型）模型：晶體是由：晶體是由最強(qiáng)最強(qiáng)的化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來(lái)的的化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來(lái)的“鍵鏈鍵鏈” 周期性重復(fù)形成的周

17、期性重復(fù)形成的周期性鍵鏈（周期性鍵鏈（PBCPBC）模型）模型 F F面面（平整光亮的表面）：平面（平整光亮的表面）：平面( (hklhkl) )至少有兩條周期至少有兩條周期“鍵鍵鏈鏈”，該平面內(nèi)的化學(xué)鍵最強(qiáng)。生長(zhǎng)過(guò)程中傾向于首先發(fā)育，該平面內(nèi)的化學(xué)鍵最強(qiáng)。生長(zhǎng)過(guò)程中傾向于首先發(fā)育成厚度為成厚度為d dhklhkl的片層，然后采取逐層生長(zhǎng)方式，易獲得平整的片層，然后采取逐層生長(zhǎng)方式，易獲得平整光亮的表面；光亮的表面； S S面面（階梯狀表面）：僅與一條（階梯狀表面）：僅與一條PBCPBC平行的平面，其厚度為平行的平面，其厚度為d dhklhkl的薄層可以用的薄層可以用F F面的薄片堆積形成階梯

18、狀表面；面的薄片堆積形成階梯狀表面； K K面面：若平面內(nèi)一條：若平面內(nèi)一條PBCPBC也沒(méi)有，表面布滿(mǎn)坎坷，只含有吸附也沒(méi)有，表面布滿(mǎn)坎坷，只含有吸附能等于晶格能一半的半晶位置，而無(wú)平臺(tái)和棱能等于晶格能一半的半晶位置，而無(wú)平臺(tái)和棱階。階。假想的立方晶體模型假想的立方晶體模型 FSK表面形貌與生長(zhǎng)條件的關(guān)系表面形貌與生長(zhǎng)條件的關(guān)系 如在GaAs的Ga-HCl-AsH3-H2系統(tǒng)氣相外延中，角錐(小丘)和凹坑表面缺陷的成因。角錐與灰塵、鎵滴或者Ga203淀積無(wú)直接的關(guān)系；與HCl流量有關(guān)。HCl量小于某值時(shí)出現(xiàn)凹坑，大于某值時(shí)出現(xiàn)角錐。即凹坑的出現(xiàn)可能與淀積區(qū)的GaCl含量不足有關(guān)，而丘臺(tái)(角錐)的形成是