第3章_7_外延工艺

3.7外延工艺外延工艺属于化学气相淀积，化学气相淀积(CVD)是利用化学反应的方式在反应室内将反应物（通常为气体）生成固态的生成物，并沉积在晶片表面的一种薄膜沉积技术。CVD已成为半导体生产过程中最重要的薄膜沉积方式。在目前的超大规模集成电路生产过程中，部分金属材料还使用溅镀之外，所有其它材料均以CVD法沉积。主要的介电材料有SiO2、Si3N4、PSG（磷硅玻璃）、BPSG（硼磷硅玻璃），导体有WSix、W及多晶硅，半导体有硅。用于制作单晶硅薄膜的CVD，通常均以另一种名称称呼：外延(epitaxy)。材料方式SiO2AP,LP,PEPSGAP,PEBPSGAP,PESiN4PEPolysiliconLPWSixLPWLPCVD法的步骤：1.参加反应的气体的混合物被输运到沉积区–2.反应物分子由主气流扩散到衬底的表面–3.反应物分子吸附在衬底表面上–4.吸附物分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反应，生成硅原子和化学反应副产物，硅原子沿衬底表面迁移并结合进入晶体点阵。–5.反应副产物分子从衬底表面解吸–6.副产物分子由衬底表面外扩散到主气流中，然后排出淀积区反应物和载气（如H2）一起被引入反应器中，而晶片一般维持在650℃到850℃的范围。必须有足够的砷的过蒸汽压，以防止衬底和生长层的热分解。3.7.1外延生长原理1气相外延–外延是指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术，新单晶的晶向取决于衬底，由衬底向外外延而成。–外延方法很多，硅半导体器件中通常采用硅的气相外延法。其过程是：四氯化硅（SiCl4)或硅烷（SiH4)，在加热的硅衬底表面与氢发生反应或自身发生热分解，还原成硅，并以单晶形式沉积在硅衬底表面。2424242HSiSiHHClSiHSiCl2外延生长设备外延系统应满足如下要求：–(1)气密性好–(2)温度均匀且精确可控，能保证衬底均匀地升温与降温；–(3)气流均匀分布–(4)反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控–(5)管道、阀门用不锈钢制造，并保证连接可靠。–(6)要使用多个流量计使反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控。–(7)石墨基座由高纯墨制成。加热采用射频感应加热方式。工艺（SiCl4)：1、处理硅片–2、基座的HCl腐蚀去硅程序（1）N2预冲洗（2）H2预冲洗（3）升温（两步）（4）HCl排空、腐蚀（5）H2冲洗（6）N2冲洗3、外延生长（1）N2预冲洗（2）H2预冲洗（3）升温（两步）（4）HCl排空、抛光（5）H2清洗（6）外延生长（7）H2清洗-降低自掺杂效应（8）降温（9）N2清洗3.7.3介质材料CVD1、SiO2用途：在大规模集成电路的制造技术中CVD法SiO2的使用和氧化法SiO2互为补充。采用下列两种反应：后者已TEOS为主的SiO2LPCVD，阶梯覆盖能力甚佳，应用较广。OHHCSiOHOCSiHSiOOSiH2422750~65045222450~4002424)(22、磷硅玻璃（PSG）和硼磷硅玻璃（BPSG)磷硅玻璃（PSG）最大的用途是作为半导体元件的保护层。前者用常压CVD，温度约为400°C，外观较纯SiO2的结果来得平滑。其玻态转变温度亦较SiO2得低。后者用PECVD法硼磷硅玻璃（BPSG)就是在上述的PSG内，再加入少量硼的一种同时含硼与磷的二氧化硅。BPSG广泛应用于尚未进行金属沉积前的表面平坦化介质材料。225223224252223457227824HNOPSiOPHONSiHHOPSiOOPHSiH3、氮化硅氮化硅的用处：场氧化掩蔽膜、钝化层4、多晶硅CVD23424433223:63273HHSiNNHSiHHHClClNHNSiNHClSiHx242HSiSiH3.7.4金属材料CVD硅化钨（Polycide结构）钨：在一些需要多层金属层的VLSL工艺中，以LPCVD法所淀积的钨，已被大多数的半导体厂商用在作为上下金属层的中间金属连接物。2446143272HSiFWSiSiHWF2446264632633232HHFSiFWSiHWFHFWHWFSiFWSiWFCVD反应室是整个CVD设备的心脏任何一个CVD系统均包含一个反应室、一组气体传输系统、排气系统及工艺控制系统3.7.5CVD反应室低压LPCVD低压化学气相淀积LPCVD反应器等离子体化学气相淀积PECVD反应器资料：扩展的PECVD制造大面积太阳能电池基于非晶硅（a-Si:H）和微晶硅（μc-Si:H）的薄膜太阳能电池模块日渐成为低成本、大尺度光伏（PV）应用的最佳选择。这类模块的吉瓦级产品需要大面积的均匀吸收层，同时也需要很高的吸收层的沉积速度。采用具有知识产权保护的AKT等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工具，可以以很高的速率沉积非常均匀的薄膜，并且具有很高的产率和工艺灵活性。在面积从0.43到5.7m2的衬底上，沉积层的均匀性控制在±10%（不包括20mm的边缘部分）范围内（图1），这足以证明该方法良好的沉积均匀性。CVD的安全问题气体性质气体性质SiH4有毒,易燃,自燃NH3毒、腐蚀SiH2Cl2有毒,易燃,腐蚀H2无毒、易燃PH3剧毒、易燃O2无毒、助燃B2H6剧毒、易燃N2O有毒、不易燃AsH3剧毒、易燃N2堕性HCl毒、腐蚀Ar惰性国内方大公司的MOCVD反应装置高密度等离子体化学气相沉积设备主要技术指标：极限真空：优于10-1Pa；工作气压：10-1-103Pa；衬底温度：室温-400℃；样品尺寸：Φ100mm；主要用途：淀积介质种类：多晶硅，氮化硅，二氧化硅等多功能等离子体CVD设备（PlasmaEnhancedCVD）主要性能指标：PECVD极限真空度≤6.7x10-4Pa；漏率：≤10-6Pa.L/S；样品加热盘：RT-400oC磁控溅射室真空度≤1.0x10-4Pa；漏率：≤10-6Pa.L/S；样品加热盘：RT-800oC仪器功能及附件：直流靶+射频靶磁控溅射；一次可以制备6个样品；低温PECVD仪器使用范围：可用于制备高介电氧化物薄膜材料，同时PECVD设备具有了低温下获取高质量薄膜。当前MOCVD主要供应商只有两家,美国Veeco，德国Aixtron。日本的酸素（？）公司MOCVD只在本国出售。台湾工研院机械与系统研究所已组成台湾MOCV产业联盟，大陆13所、48所、55所、上海、宁波、佛山有一定技术资源和基础，目前还有一批研究人员回国。MOCVD1MOCVD2MOCVD3MOCVD43.7.5外延新技术1分子束外延10-8~10-9Pa，加热外延层组分元素使之形成定向分子流，即分子束。该分子束射向具有一定温度的衬底（一般为400~800℃），沉积在表面形成单晶外延层。生长速度：0.01~0.03µm/min。外延层质量好，杂质分布及外延层厚度可控。生长速度慢，且设备昂贵。分子束外延分子束外延（MBEmolecularbeamepitaxy）是在超高真空（10-8Pa）一个或多个热原子或热分子束和晶体表面反应的外延工艺。MBE能够非常精确地控制化学组成和参杂浓度。厚度只有原子层量级的单晶多层结果可用MBE制作。因此，MBE法可用来精确制作半导体异质结构，其薄膜层可从几分之一微米到单层原子。对砷化镓而言，厚度一般在1微米。中科院物理所的分子束外延设备