半导体系列(五十六)——薄膜淀积(三)

发布者:admin 发布时间:2019-10-26 03:29 浏览次数:

  顾名思义,在常压CVD系统中反应和淀积是在常压下进行的。该系统有许多类别(参见下图)。

  首先被广泛采用的CVD是在双极型器件中硅外延膜的淀积。基本系统的设计仍在使用(参见下图)。它基本上是一个水平管式的反应炉,但有些显著的差别。首先,炉管有一个方形的截面。然而,主要的区别还在于加热的方法和晶圆的托架结构。

  晶圆被排放一个扁平的石墨层板上,并放置在炉管内。炉管上缠绕着与射频(RF)发生器连接的铜线圈。在线圈内传输的射频流经石英管和管内未被加热的流动气体,此为冷壁系统。当射频传播至石墨托架时,与石墨托架的分子耦合反应,引起石墨的温度升高。这种加热的方法称为感应(induction)式。

  托架的热量以传导的方式输送给晶圆,薄膜淀积在晶圆的表面(托架表面也同时被淀积)。该系统存在的一个问题是,在横向流动的气流中伴随着气流的向下流动。系统需要的是层流气流,这样有利于减小涡流。但是,如果晶圆被平放在反应室内,接近晶圆表面的气流由于反应而被损耗,从而导致沿托架方向的淀积的薄膜逐渐变薄。该问题可通过调整石英晶圆托架倾斜得到改善(参见下图)。

  在水平系统中,对较大直径的晶圆水平式放置,其装载密度低,并且较大的晶圆托架也会限制淀积的均匀性。

  桶式辐射加热系统(参见下图)解决了这些问题。该系统的反应室是一种柱状的不锈钢桶,在内部表面放置了高密度的石英加热器。晶圆被放置在石墨的支架上。该支架向桶的中心方向旋转。与水平系统相比,旋转后的晶圆可以有比较均匀的薄膜厚度。

  来自灯泡的热能辐射到晶圆表面,淀积在晶圆表面发生。虽然反应室的壁被部分加热,然而该系统接近于冷壁系统。直接的热辐射产生控制良好和生长均匀的薄膜。在热传输系统中,晶圆的加热从底部开始,当薄膜生长时,晶圆的表面有一些微小的但可以测量出来的温度下降。在桶式系统中,晶圆的表面总是面对着光源,这样可获取均匀的温度和薄膜的生长速率。

  1987年,应用材料公司引人了一种大的桶式系统应用于较大的晶圆,具有热感应系统的特点。该桶式反应室的主要优势在于通过每个周期,增加晶圆数,提高了生产效率。该系统广泛应用在900℃-1250℃范围内的外延淀积。

  饼式或垂直A:(I)系统受到了小型生产线和R&D实验室的钟爱(参见下图)。在该系统中,晶圆被放置在旋转的石墨托架上,并通过在托架下面的射频线圈,以传导感应的方式给晶圆加热。反应气体通过管路流人,在晶圆的上方流出。垂直气流具有持续供应新反应气体的巛,以此将向下流动气体的损耗降到最小。旋转和垂直气流的结合产生良好的薄膜均匀性。类似于水平管式系统,饼式能够容纳的晶圆数量有限,在较小系统中的生产率受到限制。

  Gemini“研究公司提出了生产水平的饼式设计的差异,在于反应是采用电阻式辐射加热和具有机械手自动装载功能的大容量的托架。

  两种水平热传导的APCVD系统的功能是将反应室外的气体混合在一起,并将气体“喷洒”在晶圆上。其中,一种设计是将被加热的板式晶圆托架在一系列的气体中前后移动(参见下图);另一种设计(参见下图)是晶圆在传送带上的运动,传送带处于高压之下,喷洒反应气体。

  最初的CVD设计之一即为水平热传导APCVD系统(参见图12.17),用于淀积二氧化硅钝化膜。在该系统中,晶圆被装载在不锈钢的反应室内可拆卸的热板上,其中,用热板加热晶圆和反应室壁(热壁系统),反应室内充满了反应气体。

  常压CVD系统的均匀性和工艺控制依赖于温度控制和系统中气流的动态特性。影响薄膜淀积的均匀性和阶梯覆盖性的因素之一是反映室内分子的平均自由程。分子自由程是一个分子在反应室内与另一种物体或分子,或晶圆支架碰撞前移动的平均距离(路程)。碰撞改变了粒子的运动方向。自由程越长,薄膜淀积的均匀性越高。决定平均自由程大小的主要因素是系统内的压力。降低反应室内的压力可以增加平均自由程和薄膜的均匀性,也降低了淀积的温度。

  1974年,在业界得益于此的是Unicorp公司。在摩托罗拉公司的许可下,该公司引进了低压化学气相淀积(LPCVD)系统。此系统工作压力低于几百毫托陶。LPCVD的主要优点包括:

  但该系统必须使用真空泵,以降低反应室内的压力。用于I-PCVD系统的真空泵的类型将在后面进行讨论。返回搜狐,查看更多


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