低压化学气相沉积工艺


LPCVD是指在低于大气压状态下由前驱物沉积薄膜的热工艺。在典型状态下沉积速率取决于表面反应速率,也就是与温度有关。温度能够被精确控制从而得到良好的片内,片间和批间均匀性。Tystar在下列LPCVD工艺中有多年的经验,其专业水平在业界享誉盛名:

通过低压化学气相沉积制备非晶硅薄膜

多晶硅薄膜的生长温度是600-650℃,非晶硅薄膜的生长温度是在500-550℃。低温可以得到较低的应力和较小的晶粒。沉积后退火处理可以降低应力并再结晶,使较大晶粒和非晶薄膜本征压应力转变为张应力。压应力和张应力相互交织,整体压力可以保持较低的状态,这时是不需要低温退火的。小晶粒具有较低的导热系数并且较易被氢氟酸腐蚀。在600-650℃,多晶硅薄膜晶向主要是110,工艺温度越高晶向越趋向于100.

  • 典型薄膜厚度:0.1 - 2 µm
  • 批产能: 50
  • 沉积速率: 1-3 nm/MIN. (10 - 30 Å/MIN.)
  • 沉积温度: 500 - 550 °C
  • 折射率 AT 550nm
  • 均匀性指标: < 3% USING 1σ
  • 工艺气体: SILANE SIH4

应用范围:LCD 薄膜晶体管,薄膜光伏电池

通过低压化学气相沉积制备掺杂多晶硅薄膜

掺杂工艺例如反应气体增加磷烷和三氯化硼气体可以改变晶硅导电率和应力。掺杂多晶硅需要使用笼型舟这样可以得到更好的均匀性。加入磷烷可以使多晶硅沉积速率减小,而掺入硼则会增加多晶硅沉积速率。原位掺杂可以通过多步工艺步骤得到较好的厚度均匀性,它也是在低温环境下沉积的。它的缺点包括工艺复杂,厚度均匀性差,增加炉管清洗的难度。粗晶粒多晶硅可以达到细晶粒掺杂不能达到的程度.


应用范围:多晶硅可以用于电阻器,场效应管栅极,基于氢化非晶硅的薄膜电阻,动态记忆元板,沟槽填充,双极性晶体管发射器。掺杂多晶硅的传导性能足以应用于内部链接,静电器件,压阻电敏应变器。多晶硅(尤其是掺杂多晶硅)在MEMS 领域经常被用作结构材料.

  • 典型薄膜厚度: 2.0 µm
  • 沉积速率: 6-20 nm/min
  • 折射率 AT 550 nm
  • 使用特气: SILANE, PHOSPHINE 或者 BORON TRICHLORIDE
  • 均匀性指标: < 3%

通过低压化学气相沉积制备多晶硅薄膜 (SiH4)

制备多晶硅最常用的工艺气体是硅烷 (SiH4).多晶硅薄膜也可以用其他气体制备,如乙硅烷(参考后一项),二氯甲硅烷,三氯甲硅烷。每一种都有自身的优势,这取决于应用范围。多晶硅薄膜也可以进行原位掺杂(使用磷烷,参考磷掺杂多晶硅的制备).

  • 典型薄膜厚度: 0.1 - 2 μm
  • 批产能: 50 (18 FLAT ZONE) 或者 100 (34 FLAT ZONE)
  • 沉积速率: 6 - 20 nm/MIN. (60 - 200 Å/MIN.)
  • 沉积气体: SILANE SiH4
  • 沉积温度: 580 - 850 °C
  • 折射率: 3.5 - 5.5
  • 均匀性指标: < 3% USING 1σ
  • 残余应力: 50 - 100 MPa

应用范围:MEMS结构层,电阻,MOSFET 栅极,动态记忆元板,沟槽填充,双极性晶体管发射端,光伏电池等.

通过低压化学气相沉积制备多晶硅薄膜 (Si2H6)

相较于硅烷,使用乙硅烷制备多晶硅和非晶硅薄膜具有很多优势,较高的沉积速率,较低的温度,较好的均匀性和平滑性。在低温下生长会留有很多成核位置,所以晶粒较大。这也导致产生很多晶界陷阱,低电阻率和高的载子移动率.

通过低压化学气相沉积制备低温氧化硅薄膜,掺杂低温氧化硅薄膜,硼磷硅玻璃,硼硅玻璃,磷硅玻璃

低温氧化硅薄膜主要用作牺牲层,扩散掩膜,离子注入掩膜,刻蚀掩膜,绝缘层和钝化等。这些工艺相较于常规热氧化是在很低的温度(400-450℃)运行的,所以可以兼容很多材料。薄膜材料质量相对差一些,较低的介电系数,阶梯覆盖性不一致性较高以及氢杂质的掺入导致较低的薄膜密度和氢氟酸刻蚀速率的增加。沉积后退火处理可以提高薄膜密度以及使得刻蚀更加均匀。掺杂的氧化工艺可以减低回流物的熔点,增加它自身的被刻蚀速率(这样使得作为牺牲层的它更具吸引力),以及降低了应力。磷也可以吸收钠离子.


磷硅玻璃会影响多晶硅表面生长属性。例如605℃的多晶硅沉积,晶向111会取代晶向100并且应力也会相对低一些。在两个磷硅玻璃层之间采用退火工艺获得掺杂多晶硅,这样可以减低应力.


因硅烷可以自发与氧气反应,为避免炉管内不可接受的浓度下降,采用了单独的进气方式。良好的温度控制需要采用轻质加热炉体,使用笼型舟来提高工艺均匀性.

  • 典型薄膜厚度: 0.05 - 3 µm
  • 折射率在 AT 550 nm / 1.45 - 1.47
  • 批产能: 25
  • 沉积速率: 15-22.5 nm / MIN
  • 气体: SILANE, OXYGEN, PHOSPHINE, AND BORON TRICHLORIDE
  • 均匀性指标: < 5%
  • 掺杂率: 6.5 - 7.0%

通过低压化学气相沉积制备高温氧化硅薄膜

高温氧化薄膜是使用笑气和二氯二氢硅来制备的。薄膜质量和热氧化工艺类似,但是它不消耗硅衬底.

  • 典型薄膜厚度: 0.45 μm
  • 批产能: 50
  • 沉积速率: 5-10 nm/MIN. (50 - 100 Å/MIN.)
  • 沉积气体: DICHLOROSILANE, NITROUS OXIDE
  • 沉积温度: 800 - 900 °C
  • 折射率: 1.45 - 1.47

应用范围: 闪存, 浅沟槽隔离,墙间隔区,多晶硅层间介电层

通过低压化学气相沉积制备氧化硅薄膜(正硅酸乙酯)

TEOS是正硅酸乙酯Si(OCH2CH3)4的简写. TEOS分子是正方体结构.它在室温下是无色液体,味道接近酒精味道.它的沸点是169℃,但在45℃就可以蒸发.它的蒸汽压力在室温下是1.5Torr. 它是具有易燃性,吸入其蒸汽可致中毒.其蒸气或雾对眼睛、皮肤、粘膜和呼吸道有刺激作用,接触后能引起头痛、恶心和呕吐.慢性挥发会伤及内脏,如肝脏,血液,肾和肺.


关于TEOS 低压气相沉积工艺,蒸汽可以通过鼓泡器或者液体注射器带进工艺炉管内.无论那种情况,这些液体被缓慢加热至略超过室温,这样可以增加局部压力.通入工艺腔的气体应不含水分,这样避免产生聚合物. TEOS 和水汽反应会生成聚合物会逐步降低TEOS的局部压力,进而影响薄膜特征(称为漂移).


在TEOS 氧化硅工艺中,TEOS 大多是通过惰性气体携带进入650~850℃的工艺腔体内.TEOS 分子会分裂和吸附在晶片表面.临近的乙烷基和烃基会形成稳定的产品,然后从表面热分解成O-SI-O 和副产品.另外,TEOS 自身具备良好的氧原子,添加氧气可以提高反应速率.氮气一般作为携带气体.


这种单一的前驱低压气相沉积氧化工艺相较于LTO 有很多优势,保型的台阶覆盖,较好的质量,纯度更高,回流特性和热稳定性.它的缺点是它是在高温环境(625 - 725 °C)下运行的,不适合于铝衬底.

  • 典型薄膜厚度: 0.05 - 3 µm
  • 批产能: 50 (18" FLAT ZONE) 或者 100 (34" FLAT ZONE)
  • 折射率在 AT 550 nm / 1.41 - 1.46
  • 沉积速率: 15-25 nm/min (150 - 250 µm/min)
  • 气体: TEOS (99.9999%)/O2
  • 均匀性指标: < 5% FOR 8"/LI>
  • 典型TEOS 温度: 35 - 50 °C
  • 典型沉积温度: 625 - 725 °C GRADIENT
  • 典型沉积压力: A FEW TORR 或者 LOWER
  • 典型气体流量: 与TYSTAR 工程师确认
  • 衬底材料: SILICON, SILICON NITRIDE, III-V SEMICONDUCTORS, AND ETC.

TEOS 低压化学气相沉积主要用于沉积介电材料,隔离层,遮掩层材料和光波导材料的的氧化物。关于更多 TEOS/O2 工艺信息,请致电Tel: (310) 781-9219 或发邮件至 sales@tystar.com

通过低压化学气相沉积制备氮化硅薄膜

氮化硅是一种硬的,致密的材料。它主要用作扩散膜,钝化层,氧化掩膜,刻蚀掩膜,离子注入掩膜,隔离,封装,机械保护,微机电系统结构,介电层,光波导,多核和蚀刻停止层。二氯二氢硅的使用既可以提高均匀性又可以提高刻蚀速率。工艺参数关系如下

  • 提高温度可以降低应力
  • 增加压力和温度可以增加沉积速率
  • 增加沉积速率会降低均匀性

薄膜应力与温度的关系是指炉管的温度梯度不能单纯只依靠从炉口到炉尾的气体消耗而补偿,所以安装了一个罗茨泵以用来提高抽速,这样的话维持特定压力时可以通入更多的气体。增加气体流量可以缓解气体消耗的影响.


为避免氮化硅薄膜出现雾化,当装卸载的时候,需要考虑一些措施来防止NH4Cl副产品的回流。Tystar 创新型主抽阀可以解决这个问题,当主抽阀关闭时,它允许一个小的氮气流从炉管到泵继续的吹扫.

通过低压化学气相沉积制备低应力氮化硅薄膜

低应力氮化一般采用DCS 和NH3 高流量比(典型 ~6)这种富硅沉积可以得到非常低的拉应力,该应力一般取决于气体混合比例和工艺温度。工艺压力通常是几托或者更低,增加压力和工艺温度会升高沉积速率但会降低均匀性.

应用范围:MEMS 结构,扩散缓冲层,钝化层,氧化掩膜,刻蚀掩膜,离子注入掩膜,隔离层,封装,机械保护,栅极介电层,光波导,化学机械研磨和蚀刻停止层

  • 典型薄膜厚度: 0.1-2 MICROM: 0.1 - 2 µm
  • 批产能: 550 nm / 2.0 - 2.3
  • 批产能: 50
  • 沉积速率: 3-4.5 nm / MIN
  • 气体: DICHLOROSILANE, AMMONIA
  • 均匀性指标: < 5%
  • 应力: 50-300 MPa
  • 沉积温度: 800 - 840 °C FLAT

化学计量氮化硅薄膜

  • 典型薄膜厚度: 0.1 - 2 µm
  • 折射率在: 550 nm / 1.98 - 2.0
  • 批产能: 50
  • 沉积速率: 3 - 4.5 nm / MIN
  • 气体: DICHLOROSILANE, AMMONIA
  • 均匀性指标: < 3%
  • 应力: 1000-1250 MPa
  • 沉积气体比: 3:1
  • 沉积温度: 800 - 830 °C GRADIENT

通过低压化学气相沉积制备氮氧化硅薄膜 (SiNxOy)

增加笑气到氮化硅工艺中可以制备氮氧化薄膜,它能提供钝化和氮化物的机械性能和低的介电常数以及氧化物的低应力。氮氧化硅薄膜应用于微机电系统和存储器器件和减反射层。它的热膨胀系数和折射率都可以由参数的更改而变化。 例如,折射率可以通过增加氮的比例,增加温度和压力而改变.

  • 典型薄膜厚度: 0.1 - 2 µm
  • 折射率在: 550 nm / 1.5 - 2.0
  • 批产能: 50 (18 FLAT ZONE) OR 100 (34 FLAT ZONE)
  • 沉积速率: 1.5 - 8nm/MIN. 15 - 80 Å/MIN.
  • 气体: DICHLOROSILANE, AMMONIA, NITROUS OXIDE
  • 均匀性指标: < 5%
  • 沉积温度: 770 - 910 °C

应用范围:光波导,多种探测和折射,钝化层,减反射摸

通过低压化学气相沉积制备锗硅薄膜 (Si-Ge) LPCVD

锗硅器件比标准硅的运行速度提升了一个数量级,它可以达到3GHz,因此它在无线多媒体器件有广泛的应用市场。锗硅技术是使用异质结够和双极晶体管作为其基本元件。与硅比较起来,锗的电子迁移率较高。通过改良硅加工技术,它可以应用在比较难加工材料和氮化镓器件的工艺上.


锗硅器件要求沉积一层薄的、含有少量的锗的单晶硅。这些硅晶层可以通过外延技术制备,但是相较于常规低压气相沉积设备运行的硅片工艺,它要更加注意因氧残留而产生的沾污问题。商业化的锗硅薄膜沉积要求采用超高真空(UHV)设备的设计概念,设备成本较高。新的Tystar锗硅低压气相沉积设备是基于类似的单晶外延层的热壁沉积设备和几所大学共同开发的,其中低压气相沉积法制备的锗硅薄膜中的的锗浓度可以是0到100%。采用锗硅低压气相沉积设备沉积单晶硅的的设计是在升级低压气相沉积系统后得到的,这样可以改善泄漏率和氧残留.


Tystar 锗硅化学气相沉积系统是新研发出来产品,该产品是基于Tystar的化学气相沉积技术、设备设计和生产制造,也包括气体和蒸汽输送控制系统、工艺控制器和具有良好气体控制设备设计的热壁热反应器.


Tystar锗硅低压气相沉积系统的设计理念是:产能25片/批、衬底可达8/200毫米。Tystar硅-锗LPCVD反应器主要用于研发实验室、试验和小规模生产.

  • 沉积温度: 350 - 550 °C
  • 典型薄膜厚度: 0.3 μm
  • 批产能: 25
  • 沉积速率: 7-13nm/MIN. (70 - 130 Å/MIN.)
  • 气体: GERMANE (GeH4), DISILANE (Si2H6), SILANE (SiH4), PHOSPHINE (PH3), BORON TRICHLORIDE (BCl3)
  • 增加三氯化硼和降低磷烷含量都会影响硅锗前驱气体分解从而降低沉积速率.

应用范围:GHz谐振器、混合信号电路、异质结双极晶体管、CMOS晶体管、热电装置,射频开关和多种现代电子设备.

通过低压化学气相沉积制备半绝缘性多晶硅薄膜(SIPOS)

半绝缘多晶硅薄膜工艺是一个低压化学气相沉积沉积高电阻的多晶硅层的工艺。它主要用于制造高压半导体器件。半绝缘多晶硅薄膜弥补了二氧化硅膜的不足,比如二氧化硅/硅界面的正电荷聚集、碱金属离子在高温和高电场下高迁移率。这些问题导致高压器件电压维持水平降低和击穿,器件不稳定性和考虑到二氧化硅层离子迁移而造成受损,可靠性也会因此而下降。半绝缘多晶硅薄膜主要应用于高压器件钝化层以用来延伸PN结/二氧化硅界面距离来得到高电场.


用于半绝缘多晶硅薄膜的沉积的设备是一个标准的半导体低压气相沉积设备。它要求有一根可以均匀加热到620℃到680摄氏度的真空密闭石英管、一个真空泵和在沉积工艺中维持持续气流为2-5mTorr基本压力的控制系统,和气体供应系统(硅烷和一氧化二氮)以及氮气吹扫、压力控制和回冲系统。它还要有一个合适的可编程程序控制器以获得可重复的且能够控制的结果。为了获得好的厚度均匀性,则要求采用一个特殊的笼式石英舟,它与LTO工艺中所用的笼舟相似。基本上半绝缘多晶硅薄膜工艺与其他低压气相沉积工艺非常相似。可控工艺变量为:

  • 典型膜厚: 0.45 μm
  • 批产能: 50
  • 沉积速率: 5 - 10 nm/MIN. (50 - 100 Å/MIN.)
  • 沉积气体: DICHLOROSILANE, NITROUS OXIDE
  • SiH4 流量. 高流量会提高沉积速率.
  • N2O 流量: SiH4 和 N2O 流量比决定电阻率. 高浓度 N2O 制备出高电阻率的SIPOS薄膜。 SIPOS 薄膜电阻率范围为 100 - 1000 Ω cm.
  • 温度范围: 620 - 680 °C. 较高的反应温度能够提高沉积速率,但是高温会形成多晶硅,低温会形成非晶硅。
  • 压力:沉积压力可以通过改变供应气体或通入额外的氮气来控制。反应气体流量高时,沉积速率增加,在恒定的工艺气流下,通过增加的氮气稀释,会显著提高薄膜厚度均匀性.

在SIPOS中氧原子的含量可以达到 0~35%,均匀性通常是 ± 1.5 At.%. SIPOS薄膜电阻率取决于硅烷和笑气的比例.


应用范围:高压半导体器件,发射极,太阳能光伏电池和减反射膜

通过低压化学气相沉积制备多晶碳化硅

碳化硅因其特有的强度,导热系数和极端环境下的稳定性而成为电子和微机电系统的常用材料.

  • 典型膜厚: 0.3 μm
  • 批产能: 25
  • 沉积速率: 6 - 9nm/MIN. (60 - 90 Å/MIN.)
  • 沉积气体: METHYLSILANE, DICHLOROSILANE, HYDROGEN, ACETYLENE, AMMONIA
  • 沉积温度: 700 - 900 °C
  • 残余应力: 200 - 1400 MPA

一些常用前驱气体包括:

  • SiH4 + C2H4
  • SiH2Cl2 + C2H2
  • 1,3-Disilabutane
  • Methylsilane

NH3 通常用于 n-型掺杂 (CH3)3Al 用于 p-型. 工艺菜单能够使有机硅在低温下运行的1,3-disilabutane,然而,它有很多缺点,比如价格昂贵,液体和纯度偏低。它的纯度影响工艺,导致工艺的变化. 所以推荐使用甲基硅烷,一些工艺关系如下

  • 增大压力范围 0.17 - 1.7 TORR 会增大压力并降低沉积速率.
  • 800 °C 左右,薄膜应力最小,沉积速率最大.
  • 使用二氯二氢硅替代甲基硅烷可以降低9%的应力.

应用范围: 高温耐化学MEMS,高功率高压器件,钝化层,共鸣器

外延硅

冷壁反应器常规用于生长外延硅,但是,冷壁工艺因受制于产能的局限性而变得价格昂贵。回顾过去的四分之一的世纪,通过升级改造,低压气相沉积也可以被用来沉积外延硅和同时原位激活有源区.


硅外延是在850-1150ºC,压力条件在50 Torr 和常压 环境下生长的。一般来说,低压环境下的工作温度可以低一些。 配备的涡轮分子泵可以在沉积之前去除氧残留和水蒸气,另外它与反应气体存在互锁关系以防止提前反应。 根据该系统的高真空和高温要求,炉管两端需要真空密封并且配备水冷法兰。

  • 典型膜厚: 20 nm - 1.0 μm
  • 批产能: > 25 (18 FLAT ZONE) 或者 > 50 (34 FLAT ZONE)
  • 沉积速率: 3 - 15nm/MIN. (30 - 150 Å/MIN.)
  • 沉积气体: DICHLOROSILANE (SiH2Cl2)
  • 沉积温度: 830 - 950 ◦C
  • 沉积压力 50 TORR TO ATMOSPHERIC

应用范围: 现代微电子设备,光伏电池发射极

通过低压化学气相沉积法制备纳米材料

在过去的30年间,Tystar 公司和多个大学和国家研究室合作研发了很多工艺菜单用于与纳米材料反应器. 采用Tystar 反应器或绝热反应器在低压或常压下可以制备多种纳米材料.

如您需要更多关于纳米CVD的信息,请致电Tel: (310) 781-9219 或发邮件至 sales@tystar.com