第4章薄膜的制備

一、氧化膜的制備二、化學(xué)氣相淀積三、外延生長(zhǎng)四、物理汽相淀積第4章薄膜的制備1芯片加工過(guò)程包含在wafer表面生長(zhǎng)多種膜層，導(dǎo)電膜層和絕緣膜層對(duì)于制作半導(dǎo)體芯片而言是非常重要的。制作膜層的方法有很多，不同作用、不同位置的薄膜制作方法也不同。常用的方法有氧化、化學(xué)氣相淀積以及物理氣相淀積等。2氧化二氧化硅具有阻止雜質(zhì)侵入的作用，另外它還有極其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和絕緣性。因?yàn)檫@些性質(zhì)，二氧化硅層在硅集成電路中起著非常重要的作用。1.二氧化硅的結(jié)構(gòu)二氧化硅由硅-氧四面體組合而成，有結(jié)晶型和無(wú)定型兩種，兩者都是由硅-氧四面體組成的，不同的是，結(jié)晶型是由硅-氧四面體在空間按照一定規(guī)則排列所組成，而無(wú)定型則是隨機(jī)排列。氧化工藝生長(zhǎng)成的是無(wú)定型的二氧化硅。32.二氧化硅的性質(zhì)（1）物理性質(zhì)二氧化硅的物理性質(zhì)用各種物理參量來(lái)表征，如密度、折射率、電阻率、介電強(qiáng)度、介電常數(shù)以及熱膨脹系數(shù)等。氧化方法密度（g/cm3）電阻率（Ω·CM）介電常數(shù)介電強(qiáng)度（106V/cm）干氧2.24～2.273×1015～2×10163.4(10KHz)9濕氧2.18～2.213.82(1MHz)水氧2.00～2.201015～10173.2(10KHz)6.8～9熱分解淀積2.09～2.15107～108外延淀積2.37×1014～8×10143.54(1MHz)5～64（2）化學(xué)性質(zhì)二氧化硅是硅最穩(wěn)定的化合物，不溶于水，只能和氫氟酸發(fā)生反應(yīng)。二氧化硅與氫氟酸作用發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：在生產(chǎn)中，光刻擴(kuò)散窗口和引線孔窗口等，就是利用了二氧化硅的這種性質(zhì)。53.二氧化硅的用途由于制備簡(jiǎn)單并且與硅之間接觸良好，使得二氧化硅成為應(yīng)用最普遍的膜材料。（1）掩蔽雜質(zhì)半導(dǎo)體器件在制作各個(gè)區(qū)時(shí)最常采用的方法是先在wafer表面生長(zhǎng)一層氧化膜，刻蝕掉需要摻雜區(qū)域的氧化膜形成摻雜窗口，雜質(zhì)通過(guò)窗口進(jìn)入wafer。離子注入時(shí)，也可用作阻擋層，以降低注入對(duì)wafer表面的損傷。6（2）柵氧層在MOS技術(shù)中，常用氧化膜作MOS管的絕緣柵介質(zhì)，這是由于二氧化硅具有高的電阻率和高的介電強(qiáng)度，幾乎不存在漏電流。

7（3）表面鈍化和保護(hù)在wafer表面生長(zhǎng)一層二氧化硅可以束縛硅的懸掛鍵，阻止wafer表面硅電子的各種活動(dòng)，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，起到鈍化保護(hù)的作用。它能防止電性能退化，減少由于潮濕、離子或其它外部污染的原因?qū)е侣╇娏鞯漠a(chǎn)生。在制造過(guò)程中，還可防止wafer受到機(jī)械擦傷。（4）絕緣介質(zhì)二氧化硅是良好的絕緣體，可用于多層金屬布線結(jié)構(gòu)中上下兩層金屬間的絕緣層，防止短路。8（5）介質(zhì)隔離芯片制作中的隔離方法PN結(jié)隔離、介質(zhì)隔離，介質(zhì)隔離通常選擇的就是二氧化硅。例如，LOCOS工藝中，晶體管的隔離就是在晶體管之間生長(zhǎng)厚的二氧化硅膜；CMOS工藝中的場(chǎng)氧就是用來(lái)隔離PMOS的有源區(qū)和NMOS的有源區(qū)的。94.熱氧化法生長(zhǎng)二氧化硅膜二氧化硅的生長(zhǎng)方法有很多種，熱氧化、熱分解淀積、濺射、蒸發(fā)等。

由于熱氧化的氧化反應(yīng)發(fā)生在硅-二氧化硅交界面，接觸到的雜質(zhì)、污染比較少，形成的二氧化硅質(zhì)量也就較高，所以，多采用熱氧化法生長(zhǎng)氧化膜。熱氧化法包括干氧、水氧和濕氧三種方法，通常采用干濕干的氧化模式。10（1）干氧氧化干氧氧化是在高溫下，氧分子與硅直接反應(yīng)生成二氧化硅，反應(yīng)為：氧化溫度約為1000～1200℃，為了防止外部氣體對(duì)氧化的影響，爐內(nèi)的氣壓要高于爐外的氣壓。干氧生長(zhǎng)的氧化膜表面干燥、結(jié)構(gòu)致密，光刻時(shí)與光刻膠接觸良好、不易產(chǎn)生浮膠，但氧化速率極慢。11干氧氧化系統(tǒng)12（2）水汽氧化水汽氧化是指在高溫下，硅與高純水蒸汽反應(yīng)生成二氧化硅膜，反應(yīng)式為：

對(duì)高純水加熱產(chǎn)生高純水蒸氣，水汽進(jìn)入氧化爐與硅片反應(yīng)生成二氧化硅膜。水汽氧化氧化速率較快，但膜層不致密，質(zhì)量很差，特別是對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用較差，所以這種方法基本不采用。13水氧氧化系統(tǒng)14（3）濕氧氧化濕氧氧化中，用攜帶水蒸氣的氧氣代替干氧。氧化劑是氧氣和水的混合物，反應(yīng)過(guò)程如下：氧氣通過(guò)95℃的高純水；氧氣攜帶水汽一起進(jìn)入氧化爐在高溫下與硅反應(yīng)。濕氧氧化相當(dāng)于干氧氧化和水汽氧化的綜合，其速率也介于兩者之間。具體的氧化速率取決于氧氣的流量、水汽的含量。氧氣流量越大，水溫越高，則水汽含量越大，氧化膜的生長(zhǎng)速率和質(zhì)量越接近于水汽氧化的情況。反之，就越接近于干氧氧化。155.氧化生長(zhǎng)模式（1）硅消耗無(wú)論是濕氧還是干氧，在氧化過(guò)程中，硅-二氧化硅的界面都會(huì)由硅表面移向內(nèi)部，即氧化過(guò)程要消耗硅。16（2）硅-二氧化硅界面在界面處，有的硅原子沒(méi)有和氧原子鍵合，累積了大量正電荷。界面處還存在一些陷阱電荷、可動(dòng)電荷等，這些電荷會(huì)使MOS器件的開(kāi)啟電壓變化不定。氧化工藝，通常采用在氫氣或氫-氮混合氣氛中低溫退火的方式降低界面電荷的密度。（100）晶面的界面電荷密度最低，這是常選擇（100）晶面硅襯底的原因。17（3）影響氧化物生長(zhǎng)的因素除了溫度和氧化劑外，還有其它一些因素會(huì)影響氧化物的生長(zhǎng)。壓力效應(yīng)，氧化的速率與氧化劑運(yùn)動(dòng)到硅表面的速率有關(guān)，而壓力可以強(qiáng)迫氧分子更快的通過(guò)正在生長(zhǎng)的氧化層，所以壓力越高，氧化速率越快。高壓氧化的優(yōu)點(diǎn)是：縮短氧化時(shí)間或者降低氧化溫度。在氧化速率不變的前提下，每增加一個(gè)大氣壓的壓力，氧化爐內(nèi)的溫度可降低30℃。高壓氧化比較適合生長(zhǎng)厚的場(chǎng)氧層。18雜質(zhì)濃度，III-V族雜質(zhì)可以提高氧化劑在二氧化硅中的擴(kuò)散速率，所以重?fù)诫s硅的氧化速率高于輕摻雜硅。通常在氧化爐中，都會(huì)先通入含氯氣體來(lái)清洗石英管以及wafer表面，加入氯氣也會(huì)提高氧化速率。晶面方向，（111）晶面的原子密度比（100）晶面的大，因此，硅-二氧化硅界面處的反應(yīng)速率也較快。但從氧化質(zhì)量的角度來(lái)看，（100）晶面的缺陷密度較低，這也是生產(chǎn)制造中采用（100）晶面的原因。196.氧化誘生堆垛層錯(cuò)氧化誘生堆垛層錯(cuò)（OISF），是一種插入到晶格中的、在有限范圍內(nèi)的、額外的原子平面，通常位于{111}晶面內(nèi)，靠近Si-SiO2界面處。OISF會(huì)造成雙極晶體管中管道的短路，使MOS器件漏電。摻入氯氣的氧化會(huì)大大減少OISF的密度，所以，經(jīng)常采用摻氯氧化的方法。摻氯氧化不但可以降低OISF的密度，還可以減少鈉離子的沾污，提高少數(shù)載流子的壽命，也就提高了器件的電性能和可靠性。207.熱分解淀積氧化膜將含硅的化合物進(jìn)行熱分解，在wafer表面淀積一層二氧化硅膜，就是熱分解淀積工藝。這種工藝中，硅不參加反應(yīng)，只起到襯底的作用。而且氧化溫度很低，又稱為“低溫淀積”工藝。含硅的化合物有兩種：烷氧基硅烷和硅烷。21（1）烷氧基硅烷熱分解法烷氧基硅烷分解的反應(yīng)如下：

淀積時(shí)，系統(tǒng)的真空度要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，密封性要好；氧基硅烷的溫度要適當(dāng)，流速控制要好，溫度太高，生長(zhǎng)速率過(guò)快，質(zhì)量不好，流速太大，生長(zhǎng)速率快，質(zhì)量也不好；時(shí)間不能太長(zhǎng)，一旦氧基硅烷變成黃色就不能使用。22（2）硅烷熱分解法硅烷熱分解淀積是將硅烷在氧氣氣氛中加熱，反應(yīng)生成二氧化硅，淀積在wafer上，這種方法生成的氧化膜質(zhì)量較好，生長(zhǎng)溫度也較低。反應(yīng)如下淀積時(shí)，反應(yīng)室內(nèi)氣流要均勻，流量控制也要適當(dāng)；反應(yīng)溫度要嚴(yán)加控制；注意安全，硅烷是易燃易爆氣體，使用前應(yīng)稀釋至3%～5%的體積濃度。23制備氧化膜的方法還有反應(yīng)濺射法、真空蒸發(fā)法和外延法等。下表是二氧化硅的常見(jiàn)用途及其相應(yīng)的制備方法。作用目的生長(zhǎng)方法柵氧層MOS管的柵極絕緣層干氧氧化生長(zhǎng)至20～幾百?場(chǎng)氧層MOS器件中起隔離作用濕氧氧化至2500～15000?雜質(zhì)掩蔽層選擇性摻雜干-濕-干氧化法墊氧化層在氮化硅與硅之間起緩沖作用熱氧化法注入阻擋層減小注入損傷熱氧化法絕緣層多層金屬之間的絕緣層淀積法248.熱處理在Wafer加工過(guò)程中的很多工序都需要高溫加熱，加熱過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很多負(fù)效應(yīng)，需要進(jìn)行熱處理來(lái)降低這些負(fù)效應(yīng)的影響。（1）退火退火的目的是消除材料內(nèi)因缺陷而累積的應(yīng)力。方法是將待退火的材料在適當(dāng)?shù)臏囟认聰R置一段時(shí)間，利用熱能，使材料內(nèi)的原子有能力進(jìn)行晶格位置的重新排列，降低缺陷密度。25（2）快速熱處理進(jìn)行氧化、擴(kuò)散等工序時(shí)，爐溫很高，退火時(shí)的溫度雖然較低，但時(shí)間又很長(zhǎng)，這樣，已經(jīng)形成的區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)有可能會(huì)繼續(xù)擴(kuò)散，改變了器件的結(jié)深、雜質(zhì)濃度，影響器件性能。快速熱處理（RTP）是在非常短的時(shí)間內(nèi)，將單個(gè)wafer加熱至400～1300℃的一種熱處理方法。它的優(yōu)點(diǎn)有：雜質(zhì)擴(kuò)散長(zhǎng)度最短；沾污少；加工時(shí)間短。269.二氧化硅膜質(zhì)量檢測(cè)氧化膜的質(zhì)量主要表現(xiàn)在表面無(wú)斑點(diǎn)、裂紋、白霧和針孔等缺陷；厚度達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，薄厚均勻；可動(dòng)離子含量低，符合要求等。二氧化硅膜的質(zhì)量，直接關(guān)系到半導(dǎo)體芯片的性能。因此，其質(zhì)量必須達(dá)到預(yù)定的要求。（1）氧化膜厚度的測(cè)量比色法，膜的厚度不同，在光的照射下，由于光的干涉，會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色。根據(jù)干涉次數(shù)與顏色，就27能估測(cè)出膜的厚度。但誤差太大，且當(dāng)膜厚超過(guò)7500?時(shí)，色彩變化不明顯，因此僅限于測(cè)量1000～7000?之間的氧化膜厚度。氧化膜顏色氧化膜厚度（?）1次干涉2次干涉3次干涉4次干涉灰色100黃褐色300棕色500藍(lán)色800紫色1000275046506500深藍(lán)色1500300049006850綠色1850330052007200黃色2100370056007500橙色225040006000紅色25004300625028光干涉法，光干涉法需要將氧化膜腐蝕出一個(gè)斜面，用短波長(zhǎng)的單色光垂直入射至斜面處，用顯微鏡觀察斜面處的干涉條紋。根據(jù)條紋的個(gè)數(shù)即可計(jì)算出膜的厚度：，式中，D為二氧化硅膜的厚度，N為干涉條紋數(shù)，λ為入射光波長(zhǎng)，n為二氧化硅的折射率。光干涉法比較適合測(cè)量厚度在200nm以上的氧化膜。29橢偏光法的測(cè)量精度高達(dá)10?，且可同時(shí)測(cè)出薄膜的折射率，它還是一種非破壞性測(cè)量方法。橢偏光法是用橢圓偏振光照射被測(cè)樣品，觀察反射光偏振狀態(tài)的改變，從而測(cè)出樣品上膜的厚度或光學(xué)常數(shù)。光源發(fā)出自然光，經(jīng)過(guò)起偏器后成為線偏振光，其偏振30方向由起偏器決定，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器可改變偏振光的偏振方向。此線偏振光經(jīng)過(guò)四分之一波長(zhǎng)片后變?yōu)闄E圓偏振光，該偏振光經(jīng)過(guò)樣品反射后通常仍為橢圓偏振光，但橢圓率和長(zhǎng)短軸的方位變了。對(duì)于厚度一定的薄膜，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器可使發(fā)射后的光變?yōu)榫€偏振光。這時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，可找到消光狀態(tài)。在消光狀態(tài)下，一定的膜厚對(duì)應(yīng)一定的起偏器方位角P和檢偏器方位角A。測(cè)量時(shí)，只要讀出P和A的值，就可以計(jì)算出膜厚和折射率，橢偏光儀還可以用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)ず窬鶆蛐?、鑒別膜層的成分，測(cè)量材料的消光系數(shù)等。31（2）氧化膜缺陷的檢測(cè)膜厚不均勻，膜層表面顏色一致就說(shuō)明膜厚均勻，若顏色有較明顯的變化，則說(shuō)明膜厚不均。二氧化硅膜厚度不均勻會(huì)影響其雜質(zhì)掩蔽功能、使絕緣性變差等。氧化爐內(nèi)的氧氣或水汽不均勻、爐溫變化不定以及恒溫區(qū)太短等都是造成膜厚不均的原因。要得到厚度均勻的氧化層，必須有長(zhǎng)而溫度的恒溫區(qū)，對(duì)氧化氣體的流量、爐溫都要嚴(yán)格控制。

表面斑點(diǎn)，斑點(diǎn)一般肉眼無(wú)法看到，要通過(guò)顯微鏡觀察。產(chǎn)生表面斑點(diǎn)的原因一般有：wafer表面清洗不32徹底，殘留了一些雜質(zhì)顆粒，這些雜質(zhì)在高溫下粘附在二氧化硅膜表面形成斑點(diǎn)；石英管在高溫下工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，脫落的顆粒落在wafer表面，出現(xiàn)斑點(diǎn)；wafer清洗后水跡未干、濕氧過(guò)程中有水滴落在wafer上，都會(huì)使二氧化硅膜表面出現(xiàn)斑點(diǎn)。為了避免斑點(diǎn)的出現(xiàn)，要仔細(xì)清潔wafer表面、清洗石英管、嚴(yán)格控制水溫以及氧氣流量。

針孔，針孔會(huì)破壞氧化膜的雜質(zhì)掩蔽能力，會(huì)造成器件漏電流增大，甚者會(huì)使器件擊穿而失效。由于wafer拋光效果不好，存在嚴(yán)重位錯(cuò)，在位錯(cuò)處不能形成二氧33化硅，于是產(chǎn)生針孔。針孔對(duì)器件的危害很大，且不易發(fā)現(xiàn)，因此要采用化學(xué)腐蝕法、電解染色法、陽(yáng)極氧化法以及電解鍍銅法等方法檢驗(yàn)它。為了消除針孔，應(yīng)嚴(yán)格選擇襯底材料，表面應(yīng)平整、光亮，而且要加強(qiáng)清潔。

鈉離子污染，鈉離子主要來(lái)源于生產(chǎn)環(huán)境。去離子水直接接觸晶圓，水質(zhì)直接影響表面質(zhì)量。鈉離子的含量可由水的電阻率來(lái)表征，要求25℃時(shí)水的電阻率高于18MΩ。在高溫下，鈉離子會(huì)穿過(guò)石英管管壁進(jìn)入氧化爐內(nèi)，影響氧化膜的質(zhì)量，因此生產(chǎn)上用的都是雙層管壁的石英管。34化學(xué)氣相淀積淀積是指在wafer上淀積一層膜的工藝，淀積薄膜的工藝有很多種，化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積、蒸發(fā)等很多。化學(xué)氣相淀積（CVD）是通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在wafer表面淀積一層固態(tài)薄膜的工藝。CVD法淀積薄膜可用以下幾個(gè)步驟解釋薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程：參加反應(yīng)的氣體傳輸?shù)絯afer表面；反應(yīng)物擴(kuò)散至wafer表面并吸附在其上；wafer表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膜分子和副產(chǎn)物；膜分子沿wafer表面向膜生長(zhǎng)區(qū)擴(kuò)散并與晶格結(jié)合成膜；反應(yīng)副產(chǎn)物隨氣流流動(dòng)至排氣口，被排出淀積區(qū)。35化學(xué)氣相淀積根據(jù)反應(yīng)氣體壓力可分為常壓化學(xué)氣相淀積（簡(jiǎn)稱APCVD）、次大氣壓化學(xué)氣相淀積（簡(jiǎn)稱SACVD）、低壓化學(xué)氣相淀積（簡(jiǎn)稱LPCVD）、超低壓化學(xué)氣相淀積（簡(jiǎn)稱ULPCVD）。若按反應(yīng)激活方式來(lái)分，有熱活化式CVD、等離子體增強(qiáng)CVD以及光量子CVD。361.常壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)APCVD是指在大氣壓下進(jìn)行的一種化學(xué)氣相淀積的方法，這種工藝所需的系統(tǒng)簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快，并且淀積速率可超過(guò)10000埃/min，特別適于介質(zhì)積，但是它的缺點(diǎn)是均勻性較差，氣體消耗量大，且臺(tái)階覆蓋能力差，所以，APCVD一般用在厚的介質(zhì)淀積，常用來(lái)淀積用于層間絕緣、表面平坦化等功能的氧化膜。372.低壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)（LPCVD）低壓CVD就是將反應(yīng)室內(nèi)的壓強(qiáng)降至0.1～5Torr，反應(yīng)溫度介于300～900℃。相對(duì)APCVD來(lái)講，LPCVD系統(tǒng)成本更低、產(chǎn)量更高、淀積的薄膜性能更好，因此應(yīng)用更廣泛。

LPCVD經(jīng)常用于多晶硅和氮化硅膜的淀積。383.等離子體增強(qiáng)型淀積（PECVD）PECVD是一種射頻輝光放電的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)，是在LPCVD的基礎(chǔ)上增加了高頻電場(chǎng)，使氣體電離形成由光子、電子、受激分子和原子構(gòu)成的等離子體。帶電粒子在電場(chǎng)的作用下能量提高加速運(yùn)動(dòng)，與反應(yīng)氣體不斷碰撞，使反應(yīng)氣體電離或被激活成為活潑的活性基團(tuán)，很容易成膜。等離子體帶來(lái)的好處有：工藝溫度低；對(duì)深寬比高的溝槽填充好；制備的薄膜與硅片之間粘附性好；淀積39速率高；膜的致密性高等。所以，比較適合淀積熱穩(wěn)定性差的材料。PECVD主要生長(zhǎng)用于鈍化和多層布線電介質(zhì)的氮化硅和二氧化硅。40外延生長(zhǎng)外延是指在硅單晶襯底（wafer）上生長(zhǎng)一層硅單晶薄膜的工藝，新生的單晶薄膜即外延層。外延生長(zhǎng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：外延層的厚度、電阻率、均勻性、晶格完整性等可控性較強(qiáng)，對(duì)器件的、可靠性以及穩(wěn)定性都有很好的影響；可在外延層及襯底之間得到突變型雜質(zhì)分布；雜質(zhì)含量較襯底材料低；尤其正外延式生長(zhǎng)方式應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用于雙極晶體管時(shí)可同時(shí)提高集電結(jié)的擊穿電壓和降低集電極的串聯(lián)電阻，應(yīng)用于MOS晶體管時(shí)防止閂鎖效應(yīng)。411.外延分類(lèi)根據(jù)外延層與襯底的材料可以將外延生長(zhǎng)分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延，同質(zhì)外延又可分為真同質(zhì)外延和準(zhǔn)同質(zhì)外延，異質(zhì)外延亦可分為真異質(zhì)外延以及準(zhǔn)異質(zhì)外延；根據(jù)摻雜濃度的不同可分為正外延和反外延；根據(jù)生長(zhǎng)方式的不同有間接外延和直接外延。422.硅氣相外延生長(zhǎng)（1）清潔硅外延生長(zhǎng)的目的是得到一層缺陷少、厚度及雜質(zhì)濃度均可以控制的單晶薄膜，它的先決條件是襯底必須干凈、無(wú)缺陷，而且襯底的表面溫度夠高，或者可提供非熱能能量，使吸附原子有足夠的動(dòng)能移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，達(dá)到外延生長(zhǎng)的目的。所以，要對(duì)硅襯底進(jìn)行清潔。43常用的的清潔方法有兩種：將襯底置于溫度高于1000℃的氫氣氣氛中，使硅表面的自然氧化層與氫氣反應(yīng)生成一氧化硅和水氣，反應(yīng)如下：將襯底置于溫度高于850℃的超高真空中，使氧化層自然脫附，用等離子體刻蝕去除二氧化硅。44（2）裝爐裝爐就是將清潔好的wafer放在已處理好的石墨基座上，裝入反應(yīng)爐內(nèi)。裝爐之前，應(yīng)先通入氮?dú)饣驓錃鈨艋磻?yīng)爐，接著再通入氯化氫氣體。反應(yīng)爐有立式、桶式、臥式三種，都使用射頻加熱方式，生產(chǎn)上大多采用臥式反應(yīng)爐。臥式反應(yīng)爐45桶式反應(yīng)爐立式反應(yīng)爐46（3）換氣將氫氣通入反應(yīng)室以排除室內(nèi)的空氣。氫氣的流速不能太大，否則，會(huì)將爐壁上的雜質(zhì)吹落到wafer上。（4）升溫將反應(yīng)室內(nèi)的空氣完全排除才可升溫，升溫速度很快，只需幾分鐘的時(shí)間，溫度就可達(dá)到1200℃左右。（5）氣相拋光氣相拋光就是用化學(xué)腐蝕的方法除掉wafer表面的氧化層和晶格損傷。氣相拋光包括氯化氫拋光、水汽拋47光以及氯氣拋光三種，通常采用氯化氫拋光。（6）外延生長(zhǎng)拋光結(jié)束排空室內(nèi)氣體后，通入反應(yīng)氣體，確定好溫度、氣體流量，即可開(kāi)始生長(zhǎng)。生長(zhǎng)過(guò)程中，溫度、流量不應(yīng)波動(dòng)，否則，生長(zhǎng)速率會(huì)發(fā)生變化，繼而影響外延層的厚度均勻性、摻雜均勻性。48反應(yīng)物生長(zhǎng)氣壓溫度（℃）生長(zhǎng)速率（μm/min）常壓1150～13000.2～2.0低壓1100～12500.1～0.6常壓1100～12500.2～2.0低壓1050～12000.1～0.8常壓1050～11500.1～1.0低壓1000～11000.1～0.6常壓900～11000.1～0.5反應(yīng)氣體通常是氫氣和硅氯化物，上表列出了幾種硅氯化物外延生長(zhǎng)的生長(zhǎng)條件及對(duì)外延層性質(zhì)的影響，可以看出氣體中Cl的含量越高，生長(zhǎng)速率越快，但所需的反應(yīng)溫度也就越高，同時(shí)生成更多的氯化氫氣體，對(duì)wafer造成腐蝕，嚴(yán)重影響摻雜效果。氣體中H的含量越高，反應(yīng)溫度越低，但生長(zhǎng)速率卻越慢，另外會(huì)生成多晶，且易氧化形成硅粉，外延層的缺陷密度也比使用其它反應(yīng)物生長(zhǎng)時(shí)要高。所以目前最普遍使用的是。49反應(yīng)物生長(zhǎng)氣壓溫度（℃）生長(zhǎng)速率（μm/min）常壓1150～13000.2～2.0低壓1100～12500.1～0.6常壓1100～12500.2～2.0低壓1050～12000.1～0.8常壓1050～11500.1～1.0低壓1000～11000.1～0.6常壓900～11000.1～0.5反應(yīng)氣體通常是氫氣和硅氯化物，上表列出了幾種硅氯化物外延生長(zhǎng)的生長(zhǎng)條件及對(duì)外延層性質(zhì)的影響。50外延生長(zhǎng)的溫度很高，這是因?yàn)椋挥性谧銐虻臏囟认拢柙硬拍茉趙afer表面擴(kuò)散，找到合適的位置固定下來(lái)形成單晶薄膜。但不同的反應(yīng)氣體，反應(yīng)過(guò)程也不同。51在高倍電子顯微鏡下，可觀察到外延生長(zhǎng)的過(guò)程，生長(zhǎng)過(guò)程可分解為以下步驟：反應(yīng)氣體分子從氣相轉(zhuǎn)移到到生長(zhǎng)層表面；反應(yīng)氣體分子被生長(zhǎng)層表面吸附；在生長(zhǎng)層表面，反應(yīng)物完成化學(xué)反應(yīng)，生成硅原子和其它副產(chǎn)物；副產(chǎn)物從生長(zhǎng)層表面脫離；副產(chǎn)物排出反應(yīng)室；硅原子在生長(zhǎng)層表面擴(kuò)散；硅原子擴(kuò)散至晶格形成處，與其它硅原子結(jié)合形成晶核；晶核生長(zhǎng)成單晶外延層。5253外延層有P型、N型之分，也有重?fù)诫s與輕摻雜之分。摻雜是通過(guò)對(duì)硅氯化物的摻雜來(lái)完成的，通常的做法是加入磷化氫、砷化氫或硼化氫，使得硅中含有P、As或B雜質(zhì)。也可在外延結(jié)束后，采用離子注入、擴(kuò)散的方式摻入雜質(zhì)。（7）閉源降溫、取片外延生長(zhǎng)結(jié)束，停止提供反應(yīng)氣體及摻雜源，通入高純氫氣保持恒溫片刻，再緩慢降溫，溫度降至室溫后，將氮?dú)馔ㄈ胧覂?nèi)排空氫氣，打開(kāi)反應(yīng)器，取出生長(zhǎng)好外延層的wafer。543.外延層檢測(cè)（1）外延層電阻率的測(cè)量半導(dǎo)體器件大多制作在外延層上，外延層電阻率對(duì)器件有很大的影響。常用的測(cè)量電阻率的方法有三探針、四探針以及電容-電壓法。三探針測(cè)量速度快、無(wú)破壞性，可精確測(cè)量電阻率為0.1～5Ω·cm的外延層。55測(cè)量步驟如下：確定測(cè)量點(diǎn)，先在樣品中心位置確定一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，在對(duì)角線上平均選擇四點(diǎn)，共五個(gè)測(cè)量位置作為測(cè)量點(diǎn)。

測(cè)量擊穿電壓，將標(biāo)準(zhǔn)樣品經(jīng)過(guò)研磨、拋光去除掉表面的沾污、缺陷，置于氟化氫溶液中浸泡15min后，用去離子水沖洗至中性。用三探針測(cè)試儀分別測(cè)出五個(gè)測(cè)量點(diǎn)的擊穿電壓，求平均值；求電阻率，每臺(tái)測(cè)試儀都有專(zhuān)用的-ρ關(guān)系曲線，根據(jù)曲線查出對(duì)應(yīng)的電阻率。5657（2）厚度測(cè)量外延層厚度的測(cè)量方法有稱重法、層錯(cuò)法、磨角法以及紅外干涉法等。

紅外干涉法，由于紅外入射光束直徑小，可逐點(diǎn)測(cè)量，所以紅外干涉法的測(cè)量結(jié)果比較精確。但只限于測(cè)量襯底電阻率低于，外延層電阻率高于的外延層的厚度。

58層錯(cuò)法，層錯(cuò)法利用了不同層錯(cuò)形狀的邊長(zhǎng)與外延層厚度的關(guān)系。測(cè)量步驟如下：用腐蝕液腐蝕wafer，顯示出層錯(cuò)形狀；用顯微鏡測(cè)層錯(cuò)邊長(zhǎng)，計(jì)算外延層厚度。59物理氣相淀積物理氣相淀積（PVD）是以物理方式進(jìn)行薄膜淀積的一種技術(shù)，金屬薄膜一般都是用這種方法淀積的。PVD主要有三種技術(shù)：蒸鍍、濺鍍以及分子束外延生長(zhǎng)。1.蒸發(fā)在早期，金屬薄膜都是通過(guò)物理蒸發(fā)淀積形成的。但由于蒸發(fā)的淀積速率低，臺(tái)階覆蓋能力、溝槽填充能力都較差，上個(gè)世紀(jì)70年代，就已逐漸被濺射所代替。蒸發(fā)按加熱源的不同分為真空蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種。60（1）真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)就是在真空室中，把所要蒸發(fā)的金屬加熱到相當(dāng)高的溫度，使其原子或分子獲得足夠的能量，脫離金屬材料表面的束縛而蒸發(fā)到真空中，淀積在基片表面形成一層薄的金屬膜。61蒸發(fā)流程如下：選擇金屬源、清潔處理、打開(kāi)機(jī)械泵閥門(mén)、真空室閥門(mén)、電源、機(jī)械泵開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟鐘罩、掛鋁絲、抽真空、基片加熱、蒸發(fā)、取片。通常鋁層的厚度為1～2μm，太薄，不易鍵合；太厚，不易光刻。鋁層的厚度取決于蒸發(fā)源與基片之間的距離、基片溫度、真空室內(nèi)的真空度以及蒸發(fā)時(shí)間，控制好這些參數(shù)，就可以得到厚度理想的膜層。62（2）電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)是利用高電壓加速并聚焦電子束，直接打到源表面使金屬熔化并蒸發(fā)到基片表面形成薄膜。電子束蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：膜層純度高、鈉離子含量低；膜層均勻；膜層晶粒致密均勻；原料節(jié)??；應(yīng)用廣泛。63電子束蒸發(fā)的核心是偏轉(zhuǎn)電子槍?zhuān)娮訕尩墓ぷ鬟^(guò)程如下：①燈絲加熱后發(fā)射出大量電子，電子在陽(yáng)極作用下加速（加速電場(chǎng)是可調(diào)的）飛入磁場(chǎng)；②電子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)度或電子速度可改變電子的運(yùn)動(dòng)半徑，使之準(zhǔn)確的擊中蒸發(fā)源；③擊中蒸發(fā)源的電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使鋁蒸發(fā)。

642.濺射濺射是利用等離子體轟擊被濺射物質(zhì)使其原子或分子逸出，淀積到基片表面形成薄膜的一種物理氣相淀積方法。濺射具有以下優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)大面積基片膜層的均勻淀積；膜的厚度、臺(tái)階覆蓋能力等特性的可控性好；可不改變合金成分進(jìn)行薄膜淀積；可通過(guò)原位濺射刻蝕清除掉基片表面的沾污的自然氧化層。65（1）濺射的步驟向高真空室內(nèi)通入放電所需的惰性氣體；在高空電場(chǎng)作用下使氣體放電，產(chǎn)生大量離子；離子在電場(chǎng)作用下加速能量升高，以高速去轟擊靶材料；離子的動(dòng)能高于材料的原子、分子結(jié)合能，使靶材料的原子或分子逸出；逸出的原子或分子飛向基片，在基片表面淀積成膜。（