半导体薄膜技术基础.docx

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1、半导体薄膜技术基础1 .绪论1.1. 薄膜技术的发展趋势1.1.1. 随着电子器件越来越小，响应速度越来越快，要求薄膜技术朝着亚微米和纳米尺度发展，这类薄膜制造技术包括单晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜和有机分子膜。1.2. 薄膜制造技术主要有哪几种1.2.1. 物理气相沉积PVD磁控溅射工艺 溅射工艺是以一定能量的粒子（离子，中性原子，分子）轰击固体表面,使固体近表面的原子或者分子获得足够的能量而逸出固体表面的工艺 包括溅射刻蚀和薄膜沉积 优点：设备简单，易于控制，镀膜面积大和附着力强真空蒸发工艺 将固体材料置于高真空环境下加热，使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上，以获得薄膜的工艺方法。 一般能得到

2、多晶膜或者无定形膜，历经成核和成膜两个过程 主要工艺参数：衬底温度越低，蒸发速度越高，薄膜的晶粒越细密分子束外延MBE 分子束外延是一种新的晶体生长技术，其方法是将半导体衬底放置在超高真空的腔体中，需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中，由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在半导体衬底上生长出极薄的单晶体和几种物质交替的超晶格结构。1.2.2. 化学气相沉积CVD金属有机化合物气相沉积MOCVD1.2.3. 离子注入1.2.4. 涂覆Spin-coating类似光刻均匀胶的方式，通过旋转涂覆的方式在半导体衬底上获得厚度一致的薄膜材料的工艺方法主要工艺参数：旋转速度，时间，所旋涂

3、材料的粘度1.3. MOCVD工艺有哪些优点和特点1.3.1. 特点 原材料一般是川族、II族元素的有机化合物和V、V1族元素的氨化物等 目标产物是I11-V族、I1-V1族化合物半导体及其多元固溶体的薄层单晶材料 反应方式：在热分解反应在衬底上进行气相外延常压或者低压(IOYOOTorr) 衬底温度：500-1200Co132.优点 几乎可以生长所有的化合物和合金半导体 适合生长各种异质结构材料 可以生长超薄的外延层，台阶覆盖率好，能够获得很陡的界面过渡 薄膜生长速度易于控制，可以生长高纯度的材料，能够在大面积的半导体衬底上面生长薄膜，均匀性良好1.4. Spin-coating工艺影响薄膜

4、质量的工艺参数1.4.1. Spin-coating的工艺参数主要由旋转速度、时间和所旋涂材料的粘度决定1.5. MBE主要研究的内容和特点是什么1.5.1. 内容分子束外延主要研究的是不同结构和不同材料的晶体和超晶格生长1.5.2. 特点 工艺温度低 可以严格控制外延层的厚度和薄膜的组成及掺杂浓度 生长速度缓慢，衬底加工面积小2.硅单晶材料学2.1. 硅在自然界中通常是以何种形式存在的2.1.1, 硅在自然界的分布很广，是组成岩石矿物的一种基本元素，以石英砂和硅酸盐的形式最为常见2.1.2, 硅的晶体结构金刚石结构一种复式结构，由两个面心立方晶格套构而成，一个相对于另一个在体对角线的方向上位

5、移对角线长度的1/42.2.2.3. 半导体薄膜技术中最常用的硅化合物有哪几种2.3.1, 氧化硅（SiO2）性质 硼磷神睇等杂质元素在二氧化硅中的扩散速度比在硅中的要慢得多，初期二氧化硅膜被用于掩蔽薄膜 制备工艺主要是高温热氧化工艺 二氧化硅薄膜无定形玻璃状结构，短程有序，密度比石英晶体小，无固定熔点 二氧化硅薄膜化学稳定性高，不溶于水，质与氢氟酸、热磷酸反应 二氧化硅薄膜具有一定的绝缘性，当二氧化硅中的电场强度达到某一数值时，二氧化硅薄膜将会失去其绝缘性，即二氧化硅薄膜的击穿本征击穿反应SQ2薄膜本身特性，热击穿、电击穿、热电混合击穿。非本征击穿由于SiO2薄膜中的针孔、微裂纹、杂质引起的

6、,并不能反应Si02本身的特征2.2.2. 氮化硅(Si3N4)用途在器件中可以用作钝化膜、局部氧化掩蔽膜、扩散掩蔽膜、绝缘介质膜及杂质或缺陷的萃取膜性质 氮化硅薄膜对H20、02、Na、A1、Ga、In等都具有极强的扩散阻挡能Si3N4抗腐蚀性极强，只与氢氟酸反应 作为扩散遮蔽膜时，Si3N4比SiO2薄膜的掩蔽能力强得多 Si3N4直接沉积在硅表面时，界面会存在极大的应力与极高的界面态密度。所以通常采用SiSiO2Si3N4结构该结构也能降低氧化堆垛层错 Si-Si3N4有晶态和非晶态两种，器件加工中Si-Si3N4应为非晶态 Si3N4几乎不与水反应，在浓强酸溶液中缓慢水解成钱盐和二氧化

7、硅，易溶于氢氟酸，不与稀酸反应2.2.3,单质形态下的多晶硅性质 是单晶硅的一种形态 溶于氢氟酸和硝酸的混合酸 高温熔融状态下，化学活性很高，几乎能与任何材料作用 多晶硅可以作为拉制单晶硅的原料子主题1多晶硅与单晶硅的差异 多晶硅的各向异性不如单晶硅明显 导电性不如单晶硅显著 化学活性差异极小2.3, 单晶硅的生长方法是什么2.3.1, 直拉法CZ*含义从石英地堪中的硅胶体中拉制单晶主要用途拉制中、低阻以及重掺杂单晶主要步骤 多晶硅熔化 引晶与颈缩 放肩与等径生长步骤 1在惰性气体环境中高温融化多晶硅材料 2高温环境下保持硅熔融状态，排除气泡 3下种：籽晶接触熔融面的多晶硅表面，转动数分钟，使

8、籽晶与多晶硅熔融界面沾润良好，并控制好温度，使结晶界面形成单晶棱线 4缩颈是直拉法获知区熔法拉制单晶无位错的基础，必须严格控制 5放肩：采用减慢拉制速度和降低熔体温度的方法，逐步增大单晶直径,达到预定值 6等径生长：当达到预定的单晶直径时，提高提高拉制速度，单晶进入等径生长，通过控制拉制速度和熔体温度，补偿液面下降引起温场的变化，达到晶体直径的恒定 7收尾：为避免位错反延，拉晶快要完成的时候提高拉制速度，逐步缩小晶体直径，直到晶体脱落熔体2.3.2.区熔法FZ*含义在区熔法中造成一个熔区，并令其通过多晶棒，把多晶变成单晶主要用途 拉制高、中阻单晶以及大直径晶体 步骤 特点 对多晶形状要求比较严

9、格，成本高 要求多晶棒表面光滑且外形均匀，下端磨成锥形，上端磨出槽以利于牢固地夹住多晶硅棒 提高高频输出功率2.3.3.两者共同点都使用籽晶和缩颈籽晶控制晶向缩颈控制位错2.4.在大直径硅片的使用中，存在哪些影响工艺成品率的因素2.4.1.1硅片电参数的径向均匀性问题杂质浓度呈条纹状分布2.4.2.2硅片的平整度问题翘曲导致挠度增加，而增加厚度可以有效改善这种趋势，如何确定合适的厚度对半导体器件非常重要子主题12.4.3.3硅圆片的表面质量问题加工过程中的损伤和沾污热加工中的氧化层错和气体诱生缺陷2.4.4.4工艺温度的问题为了防止杂质原子的扩散引起结构的退化，集成电路加工过程中应尽量降低温度

10、低温工艺不同材料之间的热膨胀系数的匹配问题不同材料的相平衡点问题和薄膜材料的原子扩散问题2.4.6. 6分析仪器的问题高灵敏度和高分辨率25常见的SiO2薄膜生长有哪些方法2.5.1. 热生长方法用途选择扩散的遮蔽层、钝化膜及集成电路的隔离介质和绝缘介质2.5.2. 热沉积法直接通过加热沉积的方法将SQ2沉积在Si衬底表面，薄膜质量不好用途微波器件表面的钝化膜2.5.3,溅射法工艺温度低半导体器件的电绝缘介质2.5.4. 真空蒸发温度低，设备复杂，SQ2薄膜质量不致密半导体器件的电绝缘介质2.5.5. 外延利用外延技术沉积SQ2薄膜，薄膜致密，生长速度快，但生长温度高，设备复杂集成电路的介质隔

11、离槽2.6.Si3N4薄膜的主要作用有哪些261.钝化膜除HF外不与其他酸反应2.6.2, 局部氧化掩蔽膜除HF外不与其他酸反应2.6.3, 扩散掩蔽膜可以实现SQ2无法实掩蔽的A1、Ga、In等杂质的扩散2.6.4, 绝缘介质膜2.6.5, 杂质或缺陷的萃取膜2.7,硅材料与半导体器件的关系2.7.1. 1集成电路不仅对硅圆片的几何尺寸和表面加工质量提出了要求，而且对硅单晶的内在质量提出了要求2.7.2. 2高密度集成电路要求严格控制单晶硅中杂质与缺陷的密度与分布2.7.3. 3硅单晶材料中的微缺陷对芯片的影响越来越大2.7.4. 4器件参数对单晶硅中杂质和缺陷的密度、分布特点、电活性等更加

12、敏感3,薄膜基础知识3.1. 薄膜的基本应用及常规定义3.1.1, 定义薄膜是指厚度介于单原子到几毫米间的薄金属或有机物层，其在厚度方向上尺寸很小，并且由于表面界面的存在，使物质的连续性发生中断，使薄膜具有与固体材料不同的性质3.1.2, 用途超导薄膜是利用蒸发、喷涂等工艺方法沉积的厚度小于IUm的超导材料速度更快、损耗更小、容量更大导电薄膜半导电薄膜 半绝缘多晶硅薄膜导电薄膜 外延生长的硅单晶薄膜 CVD生长的掺杂多晶硅薄膜、半绝缘多晶硅薄膜铁电薄膜 具有铁电性且厚度为几十纳米到几微米的膜材料称为铁电薄膜 良好的铁电性、压电性、热释电性、电学及非线性光学等特性 制备方法 So1-GE1凝胶法

13、 MOCVD法 P1D法 溅射法电阻薄膜 是一种具有很高阻值精度和极低温度系数的片式电阻器 材料一般是陶瓷基板 制备方法 真空蒸镀 直流或交流溅射 化学沉积半导体薄膜非晶半导体薄膜性质具有和晶态半导体类似的能带结构也有导带、价带和禁带存在大量的缺陷，这些缺陷在禁带中引入一系列局域能级，能影响非晶半导体薄膜的电学和光学性质分类硫系玻璃熔体冷却法或气相沉积法四面体键非晶态半导体 蒸发 溅射 化学气相沉积应用太阳能电池板多晶半导体薄膜应用半导体集成电路制备方法 低压化学气相沉积1PCVD 固相晶化法SPC准分子激光晶化法E1A 金属横向诱导法MI1C 等离子体增强化学气相沉积PECVD钝化膜指在金属

14、表面形成金属氧化物或盐类，这些物质紧密地覆盖在金属表面上形成钝化膜分类 电化学钝化 化学钝化 防腐光电薄膜用途1CD面板3.2. 薄膜内部常见的缺陷321点缺陷空位、空洞、杂质和位错3.3. 薄膜的基本性质3.3.1. 力学性质附着性质主要取决于薄膜与衬底的附着力主要取决于薄膜生长的初始阶段附着物理吸附简单附着 薄膜与衬底的结合力 范德华力 性能的决定因素 衬底表面质量 薄膜与衬底的界面 非常清楚的分界面扩散附着薄膜与衬底的结合力 两种固体之间的相互扩散或溶解 性能的决定因素 子主题1 薄膜与衬底的界面 渐变界面，并不明显 通过中间层附着通过反应蒸发、反应溅射、蒸发或者溅射过渡层、衬底表面掺杂等工艺方法，在薄膜与衬底之间形成一个化合物中间层，从而形成薄膜与衬底之间的中间层附着通过宏观效应附着 机械锁合 当衬底上有微孔或微裂纹时，在薄膜沉积过程