集成电路制造工艺 课件 5外延

薄膜制备外延膜制备——外延工艺氧化膜制备——氧化工艺多晶硅和其他介质膜制备——CVD工艺金属膜制备——PVD工艺厚膜和薄膜薄膜集成电路是将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件以及它们之间的互连引线，全部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、溅射和电镀等工艺制成的集成电路。厚膜集成电路是在陶瓷片或玻璃等绝缘物体上，外加晶体二极管、晶体管、电阻器或半导体集成电路等元器件构成的集成电路，一般用在电视机的开关电源电路中或音响系统的功率放大电路中。部分彩色电视机的伴音电路和末级视放电路也使用厚膜集成电路。区别有两点：1.膜厚。厚膜电路的膜厚一般大于10μm，薄膜的膜厚小于10μm，大多处于小于1μm；2.制造工艺。厚膜电路一般采用丝网印刷工艺，薄膜电路采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法。薄膜集成电路薄膜制备第一讲外延膜的制备外延(epitaxy)：来源于希腊语epi——upon在上面taxy——arranged安排外延定义在单晶衬底上生长一薄层有一定要求的、与衬底晶向相同的一单晶膜的技术。指在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上；在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度晶格完美的新单晶层的生成过程。外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少，且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。正向外延/反向外延同质外延/异质外延InPBufferLowerWaveguideMQWUpperWaveguideInPProtectorInPSubstrate非CVD技术等离子增强CVD（PECVD)化学气相沉积（CVD）技术外延生长快速热处理CVD（RTCVD)金属有机物CVD（MOCVD)超高真空CVD（UHVCVD)激光、可见光、X射线辅助CVD分子束外延离子束外延成簇离子束外延液相外延外延的作用制作双极晶体管的埋层改善双极晶体管的性能，解决高频功率器件的击穿电压与集电极串联电阻对集电区电阻率要求之间的矛盾CMOS电路一般制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；减少硅抛光片表面的微缺陷、表面粗糙、表面或靠近表面处的SiOx沉积等；这样可以避免硅氧化介质层的不完整，减少漏电流，避免闩锁效应。外延的作用N阱工艺中的闩锁效应（Latch-Up）闩锁效应（Latch-Up）闩锁效应电路模型外延生长与掺杂技术的目的类似，都是形成具有一定导电类型和杂质浓度的半导体层，其质量要求主要有下面几条：1、具有一定的厚度，且厚度均匀。2、掺杂浓度(表现为电阻率)均匀并符合设计要求。3、位错、层错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等缺陷尽量少4、杂质分布满足要求。外延层质量要求外延生长分类同质外延：外延层和衬底为同一材料。异质外延：外延层和衬底是不同的材料。按反应室形状：卧式反应室、立式反应室按生长环境状态：气相外延/液相外延/固相外延新发展起来的外延技术：低压外延——减少自掺杂效应选择外延——改进器件隔离，多采用SiO2为选择性生长的掩膜SOS技术——SilicononSapphire/Spinel(蓝宝石/尖晶石）气相外延（VPE，也叫热CVD）：利用硅的气态化合物或液态化合物的蒸汽在衬底表面进行化学反应生成单晶硅。是一种在IC制造中最普遍采用的硅外延工艺。能在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中，通过一定方法获取外延生长所需原子，使其按规定要求排列而生成外延层。其时也可以说是一种薄膜淀积。

APCVD,

LPCVD,PECVD,MOCVD,MBE等固相外延：应用于离子注入后的退火过程，使产生的非晶区在低温退火过程中通过固相外延转化为晶体；液相外延：由液相直接在衬底表面生长外延层的方法。一种比较粗糙的方法是把熔融的半导体物质注入底层上，经过一段时间后结晶，然后把多于的液体去除。wafer的表面可以重新研磨抛光形成外延层。很明显这个liquid-phaseepitaxy的缺点是重新研磨的高成本和外延层厚度精确控制的难度。分子束外延（MBE：molecularbeamepitaxy）：这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低(400-800℃)，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。

水平卧式反应室立式反应室MOCVD/MOVPEMetalorganicChemicalVaporDepositionAIXTRON200MOCVD设备由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理和安全防护报警系统以及自动操作及电控系统等组成；

源材料多为易燃、易爆、毒性大的物质；

反应室种类有立式和卧式两种，加热方式有高频感应加热和辐射加热之分，工作气压有常压和低压之分；MOCVD的操作可以由电脑自动控制，也可手动控制；自动控制操作需要专门的配套PC机，存有各种不同生长程序的特定软盘。MOCVD氢气和氮气纯化器MOCVD金属有机源（在恒温槽中）特气柜（AsH3SiH4PH3

）MOCVDSiH4气路结构MOCVDMANYFOLD(多路控制器)MOCVD生长室门及导轨MOCVD生长室MOCVD生长室ARn+BHn→AB+nRHA、B是组成外延材料的元素，R是有机基团；常用的A组分Ga,In,Al,Mg,Zn,一般为：TMGa,TEGa,TMIn,TEIn,TMAl,TEAl,Cp2Mg,

(C2H5)2Mg,DMZn,DEZn，多为液态源。常用的B组分通常采用其氢化物，例如AsH3,PH3,NH3,SiH4,SeH2等。MOCVD已经被广泛应用在生长Ⅲ/Ⅴ族和Ⅱ/Ⅵ族化合物的外延生长上，如GaAs：生长气体：H2，TMGa或TEGa，AsH3掺杂P型：DMZn（二甲基锌)掺杂N型：SiH4一般选用中等生长温度：600℃左右分子束外延MBE外延生长前处理——衬底清洁硅外延（EpitaxialSi）生长掺杂引入外延生长缺陷GaAs外延生长外延工艺过程衬底清洁：目的：去除自然氧化物，残留杂质，颗粒等，产生洁净的衬底表面清洁方法：湿法化学清洗（RCA清洗）湿法化学清洗（RCA清洗）：在一系列的溶液中浸泡。（1）去除有机残留物：在氧化/缓冲溶液中去除，典型的溶液是氨水、双氧水、水按5:1:1的体积比混合，在清洗槽中70-80℃下进行。（2）去除重碱离子和阳离子：在含卤素溶液中去除，通常将水、盐酸、双氧水按6:1:1混合加热到75-80℃浸泡10-15min，再经去离子水漂洗，最后用压缩氮气干燥。其结果是在硅表面留下一层薄的不含金属离子和有机物杂质的氧化层。a：于1000℃以上的高温，在氢气中预热，使原生二氧化硅形成可挥发性的一氧化硅和水气，再同氯化氢气体反应去除一层薄的硅以清除可能残留的杂质。SiO2（s）+H2（g）＝SiO（g）+H2O（g）Si（s）+2HCl（g）＝SiCl2（g）+H2（g）b：在高于850℃以上的温度，在超高真空中用Ar溅射或Ar/H2蚀刻使原生二氧化硅脱附，再高温退火以消除产生的缺陷。c：在稀释或缓冲的HF溶液中漂洗，时间小于10秒。（3）自然氧化层的去除：每一步操作以在去离子水中的清洗结束。脱水性检验法：裸硅表面水会很快流掉，如果硅表面有氧化层，水流走得较慢，会有几分钟的含水状态。对于有图形的圆片，若裸硅的面积足够大，也可以用此法检验硅表面氧化物的去除检验：特点：缺陷少，性质佳，但制备温度最高，难度最高，因此在工业应用上受限。应用：生长较厚的膜（1-10μm）以在膜中制造二极元件和CMOS元件，一般用在IC的最前段。硅外延（EpitaxialSi）生长硅气相外延硅外延层一般采用气相外延的方法制备常用硅的气相源：Silane

硅烷 SiH4Dichlorosilane

二氯硅烷DCS SiH2Cl2Trichlorosilane

三氯硅烷TCSSiHCl3Tetrachlorosilane

四氯化硅 SiCl4硅外延生长模型平台、台阶、扭转生长过程：利用化学气体反应后产生硅原子吸附于基体表面，并移动到适当的晶格位置生长而成。具体方法有以下两种：(1)硅烷热分解SiH4＝Si十2H2优点：温度较低，可以在低达600℃下进行缺点：均匀性差，无法避免均相成核形成的颗粒

(2)硅氯化物在加热的硅衬底表面与氢气反应还原出硅原子淀积在硅表面上。其反应为：SiCl4十2H2＝Si十4HCl

气体分子中氯原子的数目越少，所需的反应温度越低，现在SiH2Cl2（DCS）成为普遍使用的反应源。硅氯化物生长外延的技术难点：（1）外延生长与蚀刻的竞争（2）均匀性问题：二维生长和三维生长1）缺陷位于有源区域，产生额外漏电，导致器件失效。2）缺陷捕获圆片中的其他杂质，间接造成失效。3）缺陷将引起额外的杂质扩散，改变晶体管的特性。外延生长缺陷：缺陷的危害性堆垛层错：最常见的外延硅生长缺陷，可以通过清洗的改善而降低。尖峰(Spike)：是外延层表面的突起

缺陷的数目和密度受生长过程个的各种条件影响，如衬底温度，反应腔气压，反应生长物及圆片表面清洗过程。缺陷种类外延层厚度的测量1）博里叶变换红外光谱法：常用方法2）电学方法：四探针测量法，C-V分析法，扩展电阻法，染色法等

不同类型的衬底，外延生长晶粒的成核速度遵循这样的次序，SiO2<Si3N4<Si选择性生长低压，SiH2Cl2与HCl的混合气体生长GaAs外延生长：条件：衬底温度650～800℃固体As＋H2需要800～850℃金属有机物CVD：

通常用于高质量的GaAs外延生长，能够生成薄的，原子级成分突变的极佳外延层

分子束外延生长技术实际上是一种超高真空“蒸发”方法。即在10-10～10-11Torr的超高真空环境下，加热外延层组分元素使之形成定向分子流，即分子束(这时真空度降至10-9Torr)，该分子束射向具有一定温度的衬底(一般为400一800℃)，就淀积于衬底表面形成单晶外延层。生长速度一般在0.01～0.3m／min之间。分子束外延的优点是：外延层质量好，杂质分布及外延层厚度均受控；但其生长速度慢，且设备相当昂贵。分子束外延技术(MBE)：

采用分子束外延技术，虽然可以根据生长速度，通过控制生长时间实现原子层膜厚的控制。但在这种方法中，由于温度、气流、分子束强度等因素不可避免地存在随机起伏，生长速度也随之变化，很难通过控制时间来实现原子层级的膜厚控制。近几年出现的原子层外延则比较好地解决了这一问题。该方法的核心是实现了以原子层为单位的自限制生长机构。具体做法是：在生长过程中，交替向外延反应室中提供Ⅲ族和Ⅴ族气体源，使外延层只能以单层原子层的速率生长，通过控制这种交替提供Ⅲ族和Ⅴ族气体源的次数也就控制了生长的外延层中原子层的层数。原子层外延技术

外延生长设备必须采用局部加热的方法，即只在放硅衬底的位置加热。生产中常用高频加热方法：硅