半导体薄膜技术基础.docx

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I1.1.-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移对角线长度的1/42.2. 半导体薄膜技术中最常用的硅化合物有哪几种2.2.1, 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,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低温工艺2.4.5.5工艺的复杂性问题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1.1.4. 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1.1.5. 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离槽2.6, Si3N4薄膜的主要作用有哪些261.钝化膜2.6.1. 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 MOCVD法 P1.D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1.PCVD 固相晶化法SPC准分子激光晶化法E1.A 金属横向诱导法MI1.C 等离子体增强化学气相沉积PECVD钝化膜指在金属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1.CD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，在薄膜沉积过程中，就会有入射原子进入其中，形成薄膜与衬底之间的机械锁合 双电层吸引 利用薄膜和衬底之间的界面产生双电层,通过异性电荷之间的相互吸引而提高薄膜与衬底之间的附着力，其数值接近于范德华力化学吸附通过薄膜与衬底之间形成的化学键，如离子键、共价键和金属键产生的键力而形成的吸附，附着力是薄膜与衬底之间附着强度的具体体现附着力的测试方法 划痕法 拉张法 剥离法 影响附着力的因素薄膜和衬底的材料用表面能量小的薄膜材料覆盖在表面能量大的衬底表面上,会产生很好的浸润，从而增强附着力衬底的表面状态对衬底进行清洁和活化处理薄膜的沉积工艺溅射工艺的附着力大于蒸发工艺薄膜沉积速率越快，薄膜结构越疏松，内用力越大，附着力越小内应力分类固有（本征）应力来源于薄膜中的缺陷非固有（非本征）应力来源于薄膜和衬底之间的、由于热膨胀系数不同或晶格失配等引起的相互作用力影响因素 衬底 工艺沉积过程 薄膜本身的影响机械性能3.3.2.电学性质金属薄膜电导性取决于薄膜的结构、厚度以及加工过程中的温度介质薄膜定义不显示电导特性的绝缘体的总称用途 介电性能各种集成电路和各种MOS半导体器件电导来源 离子型电导 电子型电导 介质薄膜的击穿性定义当施加到介质薄膜上的电场强度达到某一数值时，它便立刻失去绝缘性能，这称为介质薄膜的击穿分类软击穿击穿时并不是烧毁，而是长期稳定地维持低电阻状态硬击穿击穿后如果持续施加电场，则会烧毁本征击穿外电场超过介质薄膜本身抗电强度而产生的击穿非本征击穿薄膜结构缺陷而导致的击穿半导体薄膜单晶半导体薄膜分类硅外延薄膜 定义 原子以单晶的形式排列在单晶衬底上,使最后形成的薄膜层的晶格结构恰好是衬底晶格结构的外延，厚度一般在1.20um 制造方法 化学气相沉积法(CVD) 主要性质 外延膜厚度的均匀性 主要受反应气体流速的影响 流速快 外延膜中间厚边缘薄 流速慢 外延膜中间薄边缘厚 电阻率的均匀性 反应气体中杂质的数量和种类 自掺杂效应 在外延膜的生长过程中，来自衬底中的杂质掺杂抑制自掺杂 在CVD过程中降低气压(1.PCVD) 降低外延膜的生长速率 增大气体流量 使用低蒸气压掺杂剂SOS薄膜(SiOnSappire) 定义 在蓝宝石衬底上异质外延生长的薄膜 异质外延带来的缺点 硅和蓝宝石的热膨胀系数不同，在SOS薄膜中会存在压应力，高密度晶格缺陷 压应力会使硅薄膜的导带能量发生变化,从而引起电导率的变化 结构缺陷会影响电导率和电阻率 硅膜和蓝宝石衬底间存在过渡区(2040nm),还存在衬底的铝掺杂(铝-硅-氧化物) 界面能级密度偏小，导致漏电流I1.-V1.族化合物半导体薄膜 定义 利用CVD工艺，在各种衬底上加工出单晶薄膜 性质 禁带宽度大 直接转换导电类型IIJV族化合物半导体薄膜多晶半导体薄膜电学性质受晶粒尺寸、晶粒间界和晶粒间界处缺陷密度的影响非晶半导体薄膜分类硫硒硅系 制备工艺 真空蒸发 阴极溅射 液相沉积 性质 电子传输性能 激活型导电大的热电势较高的光导性能四面体系氧化物半导体薄膜分类 SnO2 1.n02 Cd2SnO4性质透明导电电气通光性导电性光学对可见光和红外光有较好的选择发射特性3.3.3. 介电性质介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数(PermittiVity),又称诱电率3.3.4. 半导体薄膜特有性质3.4.常见的薄膜衬底有哪几种3.4.1. 玻璃衬底石英玻璃 耐高温，膨胀系数低，耐热震性、化学稳定性和电绝缘性好 能透过紫外线和红外线，只溶于氢氟酸和热磷酸 使用温度IOOOCo高硅酸盐玻璃以二氧化硅为主要成分，含钠钙硅酸盐、钠铝硅酸盐等的玻璃一定的化学稳定性，热稳定性，机械强度和硬度硼硅酸盐玻璃线膨胀系数介于石英玻璃和普通玻璃之间，耐热性和耐久性使用温度550Co普通玻璃以CaO和Na20成分代替高价硼酸盐和难溶的氧化铝成分而制成的玻璃品种透光、隔热、耐磨3.4.2.陶瓷衬底性能 优异的绝缘电阻、耐压、介电损耗等 耐热，传热性能，化学稳定性和强度 影响因素 主要成分的机体类型 非主要成分组成 杂质 玻璃质中间物 分类氧化铝衬底氧化铝的介电性能随着其纯度提高而提高蓝宝石衬底蓝宝石在GHz的超高频范围内的介电损耗小，热导率大微波器件衬底表面非常光洁集成电路和精密薄膜的衬底3.4.3. 单晶体衬底 单晶衬底对外延膜的质量有重要影响 衬底晶体的各向异性会产生裂纹 热膨胀系数不同会产生内应力分类单晶硅良好的各向异性，能导电，具有半导体性质 金刚石 石墨耐高温，热膨胀系数小，导电性好，导热性好良好的化学稳定性，耐酸、耐碱耐有机溶剂腐蚀神化钱半绝缘高阻材料高频、高温、低温性能好，噪声小，抗辐射能力强1.1.4. 塑料衬底1.1.5. 金属衬底3.5, 衬底清洗的目的3.5.1. 在不损伤衬底表面或者结构的情况下，从衬底表面去除物理或者化学沾污3.6, 常用的清洗工艺3.6.1. 湿法清洗现阶段清洗的主要工艺优点能将结构完全清洗缺点进入结构中的清洗液无法排出并干燥成本问题、废液处理问题、环保问题3.6.2. 干法清洗定义通过将沾污转化成挥发性的化合物、刻蚀衬底材料和溅射等方式去除衬底表面沾污，干法清洗工艺可以采用更为灵活的热增强效应，有替代湿法清洗的优势分类溅射清洗热增强清洗气相清洗定义利用液体工艺中对应物质的气相等效物与衬底表面的沾污物质相互作用，从而达到去除沾污目的的一种清洗方法优点器件性能更稳定化学用品的用量有所减少效率高等离子清洗光刻胶去除工艺简单、操作方便、没有残留物光化学清洗3.6.3.气相干洗清洗3.7. 确定半导体薄膜加工所进行的衬底清洗工艺确定的主要依据3.7.1. 沾污的类型3.7.2. 去除沾污的难易程度以及处理液能否顺利排出并干燥3.7.3. 清洗操作过程中的材料损失和表面粗糙度3.8. 常见的RCA清洗工艺步骤及各个步骤的目的3.8.1. 1）配制氢氟酸溶液（1：20.本次100m1.2000m1.）3.8.2. 2）硅片支架清洗、吹干待用3.8.3. 3）取硅片放于支架上，按照顺序放好3.8.4. 4）配3#液（硫酸：H202=3:1,本次660m1.：220m1.）,硫酸最后加,同时另一容器煮水3.8.5. 5）用3#液煮洗,15mi,加热至250Co1拎起支架稍凉片刻3.8.6. 6）将支架放到热水中，冲水3.8.7. 7）配制1#液（氨水：H2O2：H2O=1：1：5-1:1:7）t前两者倒入热水中，加热7585Co,时间1020min（时间不可太长，因为氨水对硅有腐蚀作用，利用络合作用去除重金属杂质），取出硅片支架，放入1#液，15min,取出放到热水中，冲水3.8.8. 8）配制2#液（HCI:H202：H2O=1：1：5,本次24OmI24Om1.1.20Om1.）前两者倒入热水中3.8.9. 9）取出硅片，放入2#液，15mi,取出放热水中，冲水。3.8.10. ）10%的氢氟酸（1:20,本次100m1.2000m1.）时间5-IOs1去除硅表面氧化层3.8.11. 11）去离子水冲洗时间20min3.9. 薄膜厚度检测有哪两种方法3.9.1. 接触检测将细针触及薄膜表面，触针运动并在一定范围内进行扫描优点 操作快捷迅速 触针法 称重法利用薄膜的密度质量和面积，如果可以精确确定、并且假设薄膜的厚度非常一致的情况下使用的方法，精度低石英晶体振荡器法石英晶体具有压电特性，将一支石英管放在反应室的衬底附近，与另一支石英管做对比。在薄膜沉积的过程中，两者振荡的频率会出现差别，从而精确得出薄膜厚度图36石英晶体振荡法测量薄膜密度原理示意图3.9.2,非接触检测利用光学干涉方法对薄膜的厚度进行检测优点没有破坏性在薄膜生长过程中也可以检测薄膜多重反射干涉法通过测量相关条纹的间距和薄膜边缘的干涉条纹的偏移量，就可以得到薄膜厚度参考玻璃片入射光束显微镜物镜参考玻璃片等角反射干涉法使用非单色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情况下，使用光谱仪测量干涉波长3.10, 什么叫薄膜的可靠性3.10. 1.指薄膜在规定条件下，在规定的时间内，完成所需要功能的能力3.11, 薄膜的可靠性应该从哪些方面考虑3.11.1,1薄膜的生成及结构3.11.2.2薄膜功能的极限模型及劣化模型3.11.3.3应力、强度3.11.4.4反应模型和加速试验3.11.5.5元件的接线3.11.6.6故障的判断标准