第3章 硅晶薄膜制备

硅晶薄膜制备3.1概述3.2硅晶薄膜种类3.3硅外延生长3.4淀积工艺3.1概述薄膜材料是典型的二维材料，相对于体材料而言，薄膜的重要物理特性之一是颗粒尺寸细小，表面性质极为突出，存在一系列与表面界面有关的物理效应。利用这个特性可以实现各种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备时通过特殊的薄膜工艺技术实现。然而，颗粒尺寸主要取决于淀积条件和退火温度。薄膜的主要问题是附着力问题。附着力依赖于基片的表面条件，包括粗糙度、清洁度以及在膜的早期生长阶段淀积物吸收能量的多少或更多数量晶核中心的形成。3.2

硅晶薄膜的种类多晶硅

根据制备温度可以将多晶硅薄膜制备工艺分为两大类。以600℃为分界，一类是高温工艺，制备温度高于600℃，制备工艺简单，但是需要较昂贵的石英材料作衬底。另一类是低温工艺，制备温度小于600℃，制备工艺较复杂，但是可以使用玻璃作衬底，价格便宜，可以大量制作。非晶硅

非晶硅又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。二氧化硅

二氧化硅在集成电路制造中起着非常重要的作用，他不仅是器件掺杂的掩蔽层，而且还是器件表面的保护层和钝化膜。3.3硅外延生长外延是指在单晶衬底上按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程，生长有外延层的晶片叫做外延片，衬底材料可以是硅，锗，砷化镓等半导体材料，也可以是陶瓷，蓝宝石等绝缘材料。一般外延层的厚度为2～20μm，而衬底Si厚度为610μm（150mm直径片）和725μm（200mm片）。气相外延生长原理

气相SiCl4外延是在加热的硅衬底表面与氢气反应还原出硅原子淀积在硅片表面上，发生的化学反应：SiCl4＋2H2→Si＋4HCl↑硅烷热分解反应式为：SiH4→Si＋2H2↑气相外延流程装片通氢气清除石英管内中空气升温，一般为1100~1200℃通氢气消除表面氧化层或HCl去除表面损伤层。去除HCl和杂质通氢气及掺杂源，获得经过掺杂的硅层关闭氢气，恒温数分钟。缓慢降温，300℃下可以取片硅液相外延生长原理

溶于熔体中的硅淀积在硅单晶衬底上，并形成单晶薄膜。在生长过程中溶于熔体中的硅是过饱和的。这里的熔体，也称熔剂，不是水、酒精等液体，而是低熔点金属的熔体，硅外延用的熔体是锡，也可用镓、铝。硅在熔体中的溶解度随温度变化而变化。以锡为溶剂时，硅的溶解度随温度降低而减少。分子束外延生长法分子束外延（MBE）是一种最新的晶体生长技术。将衬底置于超高真空腔中，将需要生长的单晶物质按元素不同分别放在喷射炉中。每种元素加热到适当的温度，使其以分子流射出，即可生长极薄（甚至是单原子层）的单晶层和几种物质交替的超晶格结构。

图3-2现代硅分子束外延系统示意图3.4淀积工艺淀积工艺是指在晶片上淀积一层薄膜的过程。IC制造中主要用于制造绝缘膜、钝化膜、导电的电极以及元器件之间的互连线等。淀积不同性质的薄膜，工艺方法也不同，大体上可分为化学气相淀积(Chemicalvapordeposition,CVD)和物理气相淀积（Physicalvapordeposition，PVD）。3.4.1化学气相沉积化学气相沉积是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。CVD技术的基本要求(1)反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而易于挥发成蒸汽的液态或固态物质，且有很高的纯度；(2)通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物，而其他副产物均易挥发而留在气相排出或易于分离；(3)反应易于控制。CVD技术的特点（1）沉积反应如在气固界面上发生则沉积物将按照原有固态基底（又称衬底）的形状包覆一层薄膜。（2）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而改变从而获得梯度沉积物或得到混合镀层（3）采用某种基底材料，沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。（4）在CVD技术中也可以沉积生成晶体或细粉状物质，或者使沉积反应发生在气相中而不是在基底表面上，这样得到的无机合成物质可以是很细的粉末，甚至是纳米尺度的微粒称为纳米超细粉末。（5）CVD工艺是在较低压力和温度下进行的，不仅用来增密炭基材料，还可增强材料断裂强度和抗震性能是在较低压力和温度下进行的。常用的CVD技术有(1)常压化学气相沉积、(2)低压化学气相沉积、(3)等离子体增强化学气相沉积。沉积方式优点缺点APCVD反应器结构简单沉积速率快低温沉积阶梯覆盖能差粒子污染LPCVD高纯度阶梯覆盖能力极佳产量高，适合于大规模生产高温沉积低沉积速率PECVD低温制程高沉积速率阶梯覆盖性好化学污染粒子污染在辉光放电的低温等离子体内，“电子气”的温度约比普通气体分子的平均温度高10～100倍，即当反应气体接近环境温度时，电子的能量足以使气体分子键断裂并导致化学活性粒子（活化分子、离子、原子等基团）的产生，使本来需要在高温下进行的化学反应由于反应气体的电激活而在相当低的温度下即可进行，也就是反应气体的化学键在低温下就可以被打开。所产生的活化分子。原子集团之间的相互反应最终沉积生成薄膜。物理气相沉积分类PVD第一类第二类蒸发(Evaporation)溅射(Sputtering)离子镀(Ionplating)脉冲激光沉积(Pulsedlaserdeposition)1蒸发技术（Evaporation）根据蒸发源的不同进行分类：a.电阻热蒸发（thermalevaporation）热蒸发：

蒸发材料在真空室中被加热，其原子或分子从表面溢出饱和蒸气压PV定义：在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸气在与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸气压几种介质材料的蒸气压与温度的关系材

料到达下列蒸汽压的温度熔

点（C）10-5(Torr)10-410-310-210-11760Al2O3MgOZrOSiO2ZnS1050104087011501130925128012601430980144014101620122010501640160018201380112018601800205018301220300029003600222720342672271017101850b.反应蒸发（reactiveevaporation）原理：在一定反应气氛中蒸发金属或低价化合物，使之在淀积过程中发生化学反应而生成所需的高价化合物薄膜。如：2Ti（激活蒸汽）+N2（激活氮气）=2TiN2SiO+O2（激活氧气）=2SiO2发生反应的地方：1、蒸发源表面（尽可能避免）2、蒸发源到基板的空间（概率很少）3、基板表面（希望发生）2.溅射（Sputtering）溅射的基本原理

荷能粒子轰击固体表面（靶材），固体原子或分子获得入射粒子的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射具体溅射方式很多，例如直流溅射、射频溅射、磁控溅射等。溅射过程的机理解释：

（1）离子轰击局部瞬时加热而蒸发（因与实验观察不符而被否定）（2）动量理论(级联碰撞理论)离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果原子获得的动能大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。（2）射频（高频）溅射可溅射绝缘体。高频范围：5~30MHz（一般rf＝13.56MHz）（3）磁控溅射磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中电子的运动轨迹，改进溅射的工艺磁控溅射主要有三种形式：平面型、圆柱型、S枪（4）反应溅射应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：高频溅射反应