第3章 硅晶薄膜制備

硅晶薄膜制備3.1概述3.2硅晶薄膜種類3.3硅外延生長3.4淀積工藝3.1概述薄膜材料是典型的二維材料，相對于體材料而言，薄膜的重要物理特性之一是顆粒尺寸細小，表面性質(zhì)極為突出，存在一系列與表面界面有關(guān)的物理效應。利用這個特性可以實現(xiàn)各種元器件的集成化和微型化。另外，功能膜的某些性能可以在制備時通過特殊的薄膜工藝技術(shù)實現(xiàn)。然而，顆粒尺寸主要取決于淀積條件和退火溫度。薄膜的主要問題是附著力問題。附著力依賴于基片的表面條件，包括粗糙度、清潔度以及在膜的早期生長階段淀積物吸收能量的多少或更多數(shù)量晶核中心的形成。3.2

硅晶薄膜的種類多晶硅

根據(jù)制備溫度可以將多晶硅薄膜制備工藝分為兩大類。以600℃為分界，一類是高溫工藝，制備溫度高于600℃，制備工藝簡單，但是需要較昂貴的石英材料作襯底。另一類是低溫工藝，制備溫度小于600℃，制備工藝較復雜，但是可以使用玻璃作襯底，價格便宜，可以大量制作。非晶硅

非晶硅又稱無定形硅。單質(zhì)硅的一種形態(tài)。棕黑色或灰黑色的微晶體。硅不具有完整的金剛石晶胞，純度不高。熔點、密度和硬度也明顯低于晶體硅。非晶硅是一種直接能帶半導體，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有許多所謂的“懸鍵”，也就是沒有和周圍的硅原子成鍵的電子，這些電子在電場作用下就可以產(chǎn)生電流，并不需要聲子的幫助，因而非晶硅可以做得很薄，還有制作成本低的優(yōu)點。二氧化硅

二氧化硅在集成電路制造中起著非常重要的作用，他不僅是器件摻雜的掩蔽層，而且還是器件表面的保護層和鈍化膜。3.3硅外延生長外延是指在單晶襯底上按襯底晶向生長單晶薄膜的工藝過程，生長有外延層的晶片叫做外延片，襯底材料可以是硅，鍺，砷化鎵等半導體材料，也可以是陶瓷，藍寶石等絕緣材料。一般外延層的厚度為2～20μm，而襯底Si厚度為610μm（150mm直徑片）和725μm（200mm片）。氣相外延生長原理

氣相SiCl4外延是在加熱的硅襯底表面與氫氣反應還原出硅原子淀積在硅片表面上，發(fā)生的化學反應：SiCl4＋2H2→Si＋4HCl↑硅烷熱分解反應式為：SiH4→Si＋2H2↑氣相外延流程裝片通氫氣清除石英管內(nèi)中空氣升溫，一般為1100~1200℃通氫氣消除表面氧化層或HCl去除表面損傷層。去除HCl和雜質(zhì)通氫氣及摻雜源，獲得經(jīng)過摻雜的硅層關(guān)閉氫氣，恒溫數(shù)分鐘。緩慢降溫，300℃下可以取片硅液相外延生長原理

溶于熔體中的硅淀積在硅單晶襯底上，并形成單晶薄膜。在生長過程中溶于熔體中的硅是過飽和的。這里的熔體，也稱熔劑，不是水、酒精等液體，而是低熔點金屬的熔體，硅外延用的熔體是錫，也可用鎵、鋁。硅在熔體中的溶解度隨溫度變化而變化。以錫為溶劑時，硅的溶解度隨溫度降低而減少。分子束外延生長法分子束外延（MBE）是一種最新的晶體生長技術(shù)。將襯底置于超高真空腔中，將需要生長的單晶物質(zhì)按元素不同分別放在噴射爐中。每種元素加熱到適當?shù)臏囟?，使其以分子流射出，即可生長極?。ㄉ踔潦菃卧訉樱┑膯尉雍蛶追N物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。

圖3-2現(xiàn)代硅分子束外延系統(tǒng)示意圖3.4淀積工藝淀積工藝是指在晶片上淀積一層薄膜的過程。IC制造中主要用于制造絕緣膜、鈍化膜、導電的電極以及元器件之間的互連線等。淀積不同性質(zhì)的薄膜，工藝方法也不同，大體上可分為化學氣相淀積(Chemicalvapordeposition,CVD)和物理氣相淀積（Physicalvapordeposition，PVD）。3.4.1化學氣相沉積化學氣相沉積是通過化學反應的方式，利用加熱、等離子激勵或光輻射等各種能源，在反應器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學反應形成固態(tài)沉積物的技術(shù)。簡單來說就是：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導入到一個反應室內(nèi),然后他們相互之間發(fā)生化學反應，形成一種新的材料，沉積到基片表面上。CVD技術(shù)的基本要求(1)反應劑在室溫或不太高的溫度下最好是氣態(tài)或有較高的蒸氣壓而易于揮發(fā)成蒸汽的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，且有很高的純度；(2)通過沉積反應易于生成所需要的材料沉積物，而其他副產(chǎn)物均易揮發(fā)而留在氣相排出或易于分離；(3)反應易于控制。CVD技術(shù)的特點（1）沉積反應如在氣固界面上發(fā)生則沉積物將按照原有固態(tài)基底（又稱襯底）的形狀包覆一層薄膜。（2）涂層的化學成分可以隨氣相組成的改變而改變從而獲得梯度沉積物或得到混合鍍層（3）采用某種基底材料，沉積物達到一定厚度以后又容易與基底分離，這樣就可以得到各種特定形狀的游離沉積物器具。（4）在CVD技術(shù)中也可以沉積生成晶體或細粉狀物質(zhì)，或者使沉積反應發(fā)生在氣相中而不是在基底表面上，這樣得到的無機合成物質(zhì)可以是很細的粉末，甚至是納米尺度的微粒稱為納米超細粉末。（5）CVD工藝是在較低壓力和溫度下進行的，不僅用來增密炭基材料，還可增強材料斷裂強度和抗震性能是在較低壓力和溫度下進行的。常用的CVD技術(shù)有(1)常壓化學氣相沉積、(2)低壓化學氣相沉積、(3)等離子體增強化學氣相沉積。沉積方式優(yōu)點缺點APCVD反應器結(jié)構(gòu)簡單沉積速率快低溫沉積階梯覆蓋能差粒子污染LPCVD高純度階梯覆蓋能力極佳產(chǎn)量高，適合于大規(guī)模生產(chǎn)高溫沉積低沉積速率PECVD低溫制程高沉積速率階梯覆蓋性好化學污染粒子污染在輝光放電的低溫等離子體內(nèi)，“電子氣”的溫度約比普通氣體分子的平均溫度高10～100倍，即當反應氣體接近環(huán)境溫度時，電子的能量足以使氣體分子鍵斷裂并導致化學活性粒子（活化分子、離子、原子等基團）的產(chǎn)生，使本來需要在高溫下進行的化學反應由于反應氣體的電激活而在相當?shù)偷臏囟认录纯蛇M行，也就是反應氣體的化學鍵在低溫下就可以被打開。所產(chǎn)生的活化分子。原子集團之間的相互反應最終沉積生成薄膜。物理氣相沉積分類PVD第一類第二類蒸發(fā)(Evaporation)濺射(Sputtering)離子鍍(Ionplating)脈沖激光沉積(Pulsedlaserdeposition)1蒸發(fā)技術(shù)（Evaporation）根據(jù)蒸發(fā)源的不同進行分類：a.電阻熱蒸發(fā)（thermalevaporation）熱蒸發(fā)：

蒸發(fā)材料在真空室中被加熱，其原子或分子從表面溢出飽和蒸氣壓PV定義：在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸氣在與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力稱為該溫度下的飽和蒸氣壓幾種介質(zhì)材料的蒸氣壓與溫度的關(guān)系材

料到達下列蒸汽壓的溫度熔

點（C）10-5(Torr)10-410-310-210-11760Al2O3MgOZrOSiO2ZnS1050104087011501130925128012601430980144014101620122010501640160018201380112018601800205018301220300029003600222720342672271017101850b.反應蒸發(fā)（reactiveevaporation）原理：在一定反應氣氛中蒸發(fā)金屬或低價化合物，使之在淀積過程中發(fā)生化學反應而生成所需的高價化合物薄膜。如：2Ti（激活蒸汽）+N2（激活氮氣）=2TiN2SiO+O2（激活氧氣）=2SiO2發(fā)生反應的地方：1、蒸發(fā)源表面（盡可能避免）2、蒸發(fā)源到基板的空間（概率很少）3、基板表面（希望發(fā)生）2.濺射（Sputtering）濺射的基本原理

荷能粒子轟擊固體表面（靶材），固體原子或分子獲得入射粒子的部分能量，而從固體表面射出的現(xiàn)象稱為濺射具體濺射方式很多，例如直流濺射、射頻濺射、磁控濺射等。濺射過程的機理解釋：

（1）離子轟擊局部瞬時加熱而蒸發(fā)（因與實驗觀察不符而被否定）（2）動量理論(級聯(lián)碰撞理論)離子撞擊在靶上，把一部分動量傳遞給靶原子，如果原子獲得的動能大于升華熱，那么它就脫離點陣而射出。（2）射頻（高頻）濺射可濺射絕緣體。高頻范圍：5~30MHz（一般rf＝13.56MHz）（3）磁控濺射磁控原理與普通濺射技術(shù)相結(jié)合，利用磁場的特殊分布控制電場中電子的運動軌跡，改進濺射的工藝磁控濺射主要有三種形式：平面型、圓柱型、S槍（4）反應濺射應用濺射技術(shù)制備介質(zhì)膜通常有兩種方法：高頻濺射反應