集成電路制造工藝 課件 5外延

薄膜制備外延膜制備——外延工藝氧化膜制備——氧化工藝多晶硅和其他介質(zhì)膜制備——CVD工藝金屬膜制備——PVD工藝厚膜和薄膜薄膜集成電路是將整個(gè)電路的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件以及它們之間的互連引線，全部用厚度在1微米以下的金屬、半導(dǎo)體、金屬氧化物、多種金屬混合相、合金或絕緣介質(zhì)薄膜，并通過真空蒸發(fā)、濺射和電鍍等工藝制成的集成電路。厚膜集成電路是在陶瓷片或玻璃等絕緣物體上，外加晶體二極管、晶體管、電阻器或半導(dǎo)體集成電路等元器件構(gòu)成的集成電路，一般用在電視機(jī)的開關(guān)電源電路中或音響系統(tǒng)的功率放大電路中。部分彩色電視機(jī)的伴音電路和末級(jí)視放電路也使用厚膜集成電路。區(qū)別有兩點(diǎn)：1.膜厚。厚膜電路的膜厚一般大于10μm，薄膜的膜厚小于10μm，大多處于小于1μm；2.制造工藝。厚膜電路一般采用絲網(wǎng)印刷工藝，薄膜電路采用的是真空蒸發(fā)、磁控濺射等工藝方法。薄膜集成電路薄膜制備第一講外延膜的制備外延(epitaxy)：來源于希臘語epi——upon在上面taxy——arranged安排外延定義在單晶襯底上生長(zhǎng)一薄層有一定要求的、與襯底晶向相同的一單晶膜的技術(shù)。指在一定條件下，通過一定方法獲得所需原子，并使這些原子有規(guī)則地排列在襯底上；在排列時(shí)控制有關(guān)工藝條件，使排列的結(jié)果形成具有一定導(dǎo)電類型、一定電阻率、一定厚度晶格完美的新單晶層的生成過程。外延生長(zhǎng)的最終目的是：沉積一層缺陷少，且可控制厚度及摻入雜質(zhì)的單晶薄膜。新生單晶層按襯底晶相延伸生長(zhǎng)，稱為外延層。長(zhǎng)了外延層的襯底稱為外延片。正向外延/反向外延同質(zhì)外延/異質(zhì)外延InPBufferLowerWaveguideMQWUpperWaveguideInPProtectorInPSubstrate非CVD技術(shù)等離子增強(qiáng)CVD（PECVD)化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)外延生長(zhǎng)快速熱處理CVD（RTCVD)金屬有機(jī)物CVD（MOCVD)超高真空CVD（UHVCVD)激光、可見光、X射線輔助CVD分子束外延離子束外延成簇離子束外延液相外延外延的作用制作雙極晶體管的埋層改善雙極晶體管的性能，解決高頻功率器件的擊穿電壓與集電極串聯(lián)電阻對(duì)集電區(qū)電阻率要求之間的矛盾CMOS電路一般制作在一層很薄的輕摻雜p型外延層上；減少硅拋光片表面的微缺陷、表面粗糙、表面或靠近表面處的SiOx沉積等；這樣可以避免硅氧化介質(zhì)層的不完整，減少漏電流，避免閂鎖效應(yīng)。外延的作用N阱工藝中的閂鎖效應(yīng)（Latch-Up）閂鎖效應(yīng)（Latch-Up）閂鎖效應(yīng)電路模型外延生長(zhǎng)與摻雜技術(shù)的目的類似，都是形成具有一定導(dǎo)電類型和雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體層，其質(zhì)量要求主要有下面幾條：1、具有一定的厚度，且厚度均勻。2、摻雜濃度(表現(xiàn)為電阻率)均勻并符合設(shè)計(jì)要求。3、位錯(cuò)、層錯(cuò)、麻坑、霧狀缺陷、傷痕等缺陷盡量少4、雜質(zhì)分布滿足要求。外延層質(zhì)量要求外延生長(zhǎng)分類同質(zhì)外延：外延層和襯底為同一材料。異質(zhì)外延：外延層和襯底是不同的材料。按反應(yīng)室形狀：臥式反應(yīng)室、立式反應(yīng)室按生長(zhǎng)環(huán)境狀態(tài)：氣相外延/液相外延/固相外延新發(fā)展起來的外延技術(shù)：低壓外延——減少自摻雜效應(yīng)選擇外延——改進(jìn)器件隔離，多采用SiO2為選擇性生長(zhǎng)的掩膜SOS技術(shù)——SilicononSapphire/Spinel(藍(lán)寶石/尖晶石）氣相外延（VPE，也叫熱CVD）：利用硅的氣態(tài)化合物或液態(tài)化合物的蒸汽在襯底表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成單晶硅。是一種在IC制造中最普遍采用的硅外延工藝。能在含有外延生長(zhǎng)所需原子的化合物的氣相環(huán)境中，通過一定方法獲取外延生長(zhǎng)所需原子，使其按規(guī)定要求排列而生成外延層。其時(shí)也可以說是一種薄膜淀積。

APCVD,

LPCVD,PECVD,MOCVD,MBE等固相外延：應(yīng)用于離子注入后的退火過程，使產(chǎn)生的非晶區(qū)在低溫退火過程中通過固相外延轉(zhuǎn)化為晶體；液相外延：由液相直接在襯底表面生長(zhǎng)外延層的方法。一種比較粗糙的方法是把熔融的半導(dǎo)體物質(zhì)注入底層上，經(jīng)過一段時(shí)間后結(jié)晶，然后把多于的液體去除。wafer的表面可以重新研磨拋光形成外延層。很明顯這個(gè)liquid-phaseepitaxy的缺點(diǎn)是重新研磨的高成本和外延層厚度精確控制的難度。分子束外延（MBE：molecularbeamepitaxy）：這是一種在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長(zhǎng)”在基片上形成薄膜。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：使用的襯底溫度低(400-800℃)，膜層生長(zhǎng)速率慢，束流強(qiáng)度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結(jié)構(gòu)材料。

水平臥式反應(yīng)室立式反應(yīng)室MOCVD/MOVPEMetalorganicChemicalVaporDepositionAIXTRON200MOCVD設(shè)備由源供給系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)和流量控制系統(tǒng)、反應(yīng)室及溫度控制系統(tǒng)、尾氣處理和安全防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)以及自動(dòng)操作及電控系統(tǒng)等組成；

源材料多為易燃、易爆、毒性大的物質(zhì)；

反應(yīng)室種類有立式和臥式兩種，加熱方式有高頻感應(yīng)加熱和輻射加熱之分，工作氣壓有常壓和低壓之分；MOCVD的操作可以由電腦自動(dòng)控制，也可手動(dòng)控制；自動(dòng)控制操作需要專門的配套PC機(jī)，存有各種不同生長(zhǎng)程序的特定軟盤。MOCVD氫氣和氮?dú)饧兓鱉OCVD金屬有機(jī)源（在恒溫槽中）特氣柜（AsH3SiH4PH3

）MOCVDSiH4氣路結(jié)構(gòu)MOCVDMANYFOLD(多路控制器)MOCVD生長(zhǎng)室門及導(dǎo)軌MOCVD生長(zhǎng)室MOCVD生長(zhǎng)室ARn+BHn→AB+nRHA、B是組成外延材料的元素，R是有機(jī)基團(tuán)；常用的A組分Ga,In,Al,Mg,Zn,一般為：TMGa,TEGa,TMIn,TEIn,TMAl,TEAl,Cp2Mg,

(C2H5)2Mg,DMZn,DEZn，多為液態(tài)源。常用的B組分通常采用其氫化物，例如AsH3,PH3,NH3,SiH4,SeH2等。MOCVD已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在生長(zhǎng)Ⅲ/Ⅴ族和Ⅱ/Ⅵ族化合物的外延生長(zhǎng)上，如GaAs：生長(zhǎng)氣體：H2，TMGa或TEGa，AsH3摻雜P型：DMZn（二甲基鋅)摻雜N型：SiH4一般選用中等生長(zhǎng)溫度：600℃左右分子束外延MBE外延生長(zhǎng)前處理——襯底清潔硅外延（EpitaxialSi）生長(zhǎng)摻雜引入外延生長(zhǎng)缺陷GaAs外延生長(zhǎng)外延工藝過程襯底清潔：目的：去除自然氧化物，殘留雜質(zhì)，顆粒等，產(chǎn)生潔凈的襯底表面清潔方法：濕法化學(xué)清洗（RCA清洗）濕法化學(xué)清洗（RCA清洗）：在一系列的溶液中浸泡。（1）去除有機(jī)殘留物：在氧化/緩沖溶液中去除，典型的溶液是氨水、雙氧水、水按5:1:1的體積比混合，在清洗槽中70-80℃下進(jìn)行。（2）去除重堿離子和陽離子：在含鹵素溶液中去除，通常將水、鹽酸、雙氧水按6:1:1混合加熱到75-80℃浸泡10-15min，再經(jīng)去離子水漂洗，最后用壓縮氮?dú)飧稍?。其結(jié)果是在硅表面留下一層薄的不含金屬離子和有機(jī)物雜質(zhì)的氧化層。a：于1000℃以上的高溫，在氫氣中預(yù)熱，使原生二氧化硅形成可揮發(fā)性的一氧化硅和水氣，再同氯化氫氣體反應(yīng)去除一層薄的硅以清除可能殘留的雜質(zhì)。SiO2（s）+H2（g）＝SiO（g）+H2O（g）Si（s）+2HCl（g）＝SiCl2（g）+H2（g）b：在高于850℃以上的溫度，在超高真空中用Ar濺射或Ar/H2蝕刻使原生二氧化硅脫附，再高溫退火以消除產(chǎn)生的缺陷。c：在稀釋或緩沖的HF溶液中漂洗，時(shí)間小于10秒。（3）自然氧化層的去除：每一步操作以在去離子水中的清洗結(jié)束。脫水性檢驗(yàn)法：裸硅表面水會(huì)很快流掉，如果硅表面有氧化層，水流走得較慢，會(huì)有幾分鐘的含水狀態(tài)。對(duì)于有圖形的圓片，若裸硅的面積足夠大，也可以用此法檢驗(yàn)硅表面氧化物的去除檢驗(yàn)：特點(diǎn)：缺陷少，性質(zhì)佳，但制備溫度最高，難度最高，因此在工業(yè)應(yīng)用上受限。應(yīng)用：生長(zhǎng)較厚的膜（1-10μm）以在膜中制造二極元件和CMOS元件，一般用在IC的最前段。硅外延（EpitaxialSi）生長(zhǎng)硅氣相外延硅外延層一般采用氣相外延的方法制備常用硅的氣相源：Silane

硅烷 SiH4Dichlorosilane

二氯硅烷DCS SiH2Cl2Trichlorosilane

三氯硅烷TCSSiHCl3Tetrachlorosilane

四氯化硅 SiCl4硅外延生長(zhǎng)模型平臺(tái)、臺(tái)階、扭轉(zhuǎn)生長(zhǎng)過程：利用化學(xué)氣體反應(yīng)后產(chǎn)生硅原子吸附于基體表面，并移動(dòng)到適當(dāng)?shù)木Ц裎恢蒙L(zhǎng)而成。具體方法有以下兩種：(1)硅烷熱分解SiH4＝Si十2H2優(yōu)點(diǎn)：溫度較低，可以在低達(dá)600℃下進(jìn)行缺點(diǎn)：均勻性差，無法避免均相成核形成的顆粒

(2)硅氯化物在加熱的硅襯底表面與氫氣反應(yīng)還原出硅原子淀積在硅表面上。其反應(yīng)為：SiCl4十2H2＝Si十4HCl

氣體分子中氯原子的數(shù)目越少，所需的反應(yīng)溫度越低，現(xiàn)在SiH2Cl2（DCS）成為普遍使用的反應(yīng)源。硅氯化物生長(zhǎng)外延的技術(shù)難點(diǎn)：（1）外延生長(zhǎng)與蝕刻的競(jìng)爭(zhēng)（2）均勻性問題：二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)1）缺陷位于有源區(qū)域，產(chǎn)生額外漏電，導(dǎo)致器件失效。2）缺陷捕獲圓片中的其他雜質(zhì)，間接造成失效。3）缺陷將引起額外的雜質(zhì)擴(kuò)散，改變晶體管的特性。外延生長(zhǎng)缺陷：缺陷的危害性堆垛層錯(cuò)：最常見的外延硅生長(zhǎng)缺陷，可以通過清洗的改善而降低。尖峰(Spike)：是外延層表面的突起

缺陷的數(shù)目和密度受生長(zhǎng)過程個(gè)的各種條件影響，如襯底溫度，反應(yīng)腔氣壓，反應(yīng)生長(zhǎng)物及圓片表面清洗過程。缺陷種類外延層厚度的測(cè)量1）博里葉變換紅外光譜法：常用方法2）電學(xué)方法：四探針測(cè)量法，C-V分析法，擴(kuò)展電阻法，染色法等

不同類型的襯底，外延生長(zhǎng)晶粒的成核速度遵循這樣的次序，SiO2<Si3N4<Si選擇性生長(zhǎng)低壓，SiH2Cl2與HCl的混合氣體生長(zhǎng)GaAs外延生長(zhǎng)：條件：襯底溫度650～800℃固體As＋H2需要800～850℃金屬有機(jī)物CVD：

通常用于高質(zhì)量的GaAs外延生長(zhǎng)，能夠生成薄的，原子級(jí)成分突變的極佳外延層

分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)實(shí)際上是一種超高真空“蒸發(fā)”方法。即在10-10～10-11Torr的超高真空環(huán)境下，加熱外延層組分元素使之形成定向分子流，即分子束(這時(shí)真空度降至10-9Torr)，該分子束射向具有一定溫度的襯底(一般為400一800℃)，就淀積于襯底表面形成單晶外延層。生長(zhǎng)速度一般在0.01～0.3m／min之間。分子束外延的優(yōu)點(diǎn)是：外延層質(zhì)量好，雜質(zhì)分布及外延層厚度均受控；但其生長(zhǎng)速度慢，且設(shè)備相當(dāng)昂貴。分子束外延技術(shù)(MBE)：

采用分子束外延技術(shù)，雖然可以根據(jù)生長(zhǎng)速度，通過控制生長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)原子層膜厚的控制。但在這種方法中，由于溫度、氣流、分子束強(qiáng)度等因素不可避免地存在隨機(jī)起伏，生長(zhǎng)速度也隨之變化，很難通過控制時(shí)間來實(shí)現(xiàn)原子層級(jí)的膜厚控制。近幾年出現(xiàn)的原子層外延則比較好地解決了這一問題。該方法的核心是實(shí)現(xiàn)了以原子層為單位的自限制生長(zhǎng)機(jī)構(gòu)。具體做法是：在生長(zhǎng)過程中，交替向外延反應(yīng)室中提供Ⅲ族和Ⅴ族氣體源，使外延層只能以單層原子層的速率生長(zhǎng)，通過控制這種交替提供Ⅲ族和Ⅴ族氣體源的次數(shù)也就控制了生長(zhǎng)的外延層中原子層的層數(shù)。原子層外延技術(shù)

外延生長(zhǎng)設(shè)備必須采用局部加熱的方法，即只在放硅襯底的位置加熱。生產(chǎn)中常用高頻加熱方法：硅