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1、精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -集成电路工艺薄膜混合集成电路的制作工艺（陕西国防工业职业技术学院710300 ） 摘要：本文主要介绍了多晶硅薄膜制备工艺,阐述了详细的工艺流程,从低压化学气相沉积LPCVD,准分子激光晶化ELA ,固相晶化（SPC ） 快速热退火 RTA, 等离子体增强化学反应气相沉积PECVD 等,进行详细说明.关键词：低压化学气相沉积LPCVD.准分子激光晶化ELA .快速热退火 RTA等离子体增强化学反应气相沉积PECVD多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积，低成本制备的优点.因此,对于多晶硅薄膜材料
2、的争论越来越引起人们的关注,多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：一类是高温工艺,制备过程中温度高于600,衬底使用昂贵的石英,但制备工艺较简洁.另一类是低温工艺,整个加工工艺温度低于600,可用廉价玻璃作 衬底,因此可以大面积制作,但是制备工艺较复杂.1.1 薄膜集成电路的概述在同一个基片上用蒸发，溅射，电镀等薄膜工艺制成无源网路,并组装上分立微型元件，器件 ,外加封装而成的混合集成电路.所装的分立微型元件，器件,可以是微元件，半导体芯片或单片集成电路.1.2 物理气相沉积 - 蒸发物质的热蒸发利用物质高温下的蒸发觉象,可制备各种薄膜材料.与溅射法相比,蒸发法显著特点之一是在较高的真空度条件下,
3、不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程,可以直接沉积到衬底表面上,且可确保所制备的薄膜具有较高纯度.1.3 等离子体帮忙化学气相沉积-PECVD传统的 CVD技术依靠于较高的衬底温度实现气相物质间的化学反应与薄膜沉积.PECVD在低压化学气相沉积进行的同时,利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响.促进反应，降低温度.降低温度防止薄膜与衬底间不必要的扩散与化学反应.防止薄膜或衬底材料结构变化与性能恶化.防止薄膜与衬底中显现较大的热应力等.1. 4低压化学气相沉积LPCVD这是一种直接生成多晶硅的方法.LPCVD是集成电路中所用多晶硅薄膜的制备中普遍 接受的标准方法,具有生长速度快,成膜
4、致密，均匀,装片容量大等特点.多晶硅薄膜可接受硅烷气体通过LPCVD法直接沉积在衬底上,典型的沉积参数是：硅烷压力为 26.6Pa,沉积温度Td=580630,生长速率5第 1 页,共 4 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -10nm/min.由于沉积温度较高,如一般玻璃的软化温度处于500600,就不能接受 廉价的一般玻璃而必需使用昂贵的石英作衬底.LPCVD法生长的多晶硅薄膜,晶粒具有择优取向,形貌呈“V ”字形,内含高密度的微挛晶缺陷,且晶粒尺寸小,载流子迁移率不够大而使其在
5、器件应用方面受到确定限制. 虽然削减硅烷压力有助于增大晶粒尺寸,但往往相伴着表面粗糙度的增加,对载流子的迁 移率与器件的电学稳固性产生不利影响.1.5 固相晶化 SPC所谓固相晶化,是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度.这是一种间接生成多晶硅的方法,先以硅烷气体作为原材料,用LPCVD方法在 550左右沉积a-Si:H薄膜,然后将薄膜在600以上的高温下使其熔化,再在温度稍低的时候显现晶核,随着温度的降低熔融的硅在晶核上连续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜.使用这种方法, 多晶硅薄膜的晶粒大小依靠于薄膜的厚度和结晶温度.退火温度是影响晶化成效的重要因 素,在 700以下的退火温度范
6、畴内,温度越低,成核速率越低,退火时间相等时所能得到的晶粒尺寸越大;而在 700以上,由于此时晶界移动引起了晶粒的相互吞并,使得在此温度范畴内,晶粒尺寸随温度的上升而增大.经大量争论说明,利用该方法制得的多晶硅晶粒尺寸仍与初始薄膜样品的无序程度亲热相关, 等人对初始材料的沉积条件对固相晶化的影响进行了争论,发觉初始材料越无序,固相晶化过程中成核速率越低,晶粒尺寸越大.由于在结晶过程中晶核的形成是自发的,因此,SPC 多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机的.相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒,需要进行氢化处理来提高SPC 多晶硅的性能.这种技术的优点是能制备大面积的薄膜 ,晶粒尺寸大于直接沉积的多晶
7、硅.可进行原位掺杂,成本低,工艺简洁,易于形成生产线.由于SPC 是在非晶硅熔融温度下结晶,属于高温晶化过程,温度高于600, 通常需要 1100 左右,退火时间长达10 个小时以上,不适用于玻璃基底,基底材料接受 石英或单晶硅,用于制作小尺寸器件,如液晶光阀，摄像机取景器等.1.6 准分子激光晶化 ELA激光晶化相对于固相晶化制备多晶硅来说更为理想,其利用瞬时激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面,仅在薄膜表层100nm 厚的深度产生热能效应,使a-Si薄膜在瞬时达到1000左右,从而实现a-Si向 p-Si的转变.在此过程中,激光脉冲的瞬时15 50ns 能量被 a-Si薄膜吸取并转化为
8、相变能,因此,不会有过多的热能传导到薄膜衬底,合理选择激光的波长和功率,使用激光加热就能够使a-Si薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450,可以接受玻璃基板作为衬底,既实 现了 p-Si薄膜的制备,又能中意LCD 及 OEL 对透亮衬底的要求.其主要优点为脉冲宽度短15 50ns ,衬底发热小.通过选择仍可获得混合晶化,即多晶硅和非晶硅的混合体.准分子激光退火晶化的机理：激光辐射到a-Si的表面,使其表面在温度到达熔点时即达到了晶化域值能量密度Ec .a-Si在激光辐射下吸取能量,激发了不平稳的电子- 空穴对,增加了自由电子的导电能量,热电子- 空穴对在热化时间内用无辐射复合的途径将自己
9、的能量传给晶格,导致近表层极其快速的升温,由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级,第 2 页,共 4 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -无辐射跃迁是主要的复合过程,因而具有较高的光热转换效率,如激光的能量密度达到域值能量密度Ec 时,即半导体加热至熔点温度,薄膜的表面会熔化,熔化的前沿会以约10m/s 的速度深化材料内部,经过激光照射,薄膜形成确定深度的融层,停止照射后,融层开头以 108-1010K/s的速度冷却,而固相和液相之间的界面将以1-2m/s 的速度回到表面,冷却之后薄
10、膜晶化为多晶,随着激光能量密度的增大,晶粒的尺寸增大,当非晶薄膜完全熔化时,薄膜晶化为微晶或多晶,如激光能量密度小于域值能量密度Ec ,即所吸取的能量不足以使表面温度升至熔点,就薄膜不发生晶化.一般情形下,能量密度增大,晶粒增大,薄膜的迁移率相应增大,当Si膜接近全部熔化时,晶粒最大.但能量受激光器 的限制,不能无限增大,太大的能量密度反而令迁移率下降.激光波长对晶化成效影响也很大,波长越长,激光能量注入Si膜越深,晶化成效越好.ELA 法制备的多晶硅薄膜晶粒大，空间选择性好,掺杂效率高，晶内缺陷少，电学特性好，迁移率高达到 ,是目前综合性能最好的低温多晶硅薄膜.工艺成熟度高,已有大型的生产线
11、设备,但它也有自身的缺点,晶粒尺寸对激光功率敏捷,大面积均匀性较差.重复性差，设备成本高,爱护复杂.1.7 快速热退火 RTA一般而言,快速退火处理过程包含三个阶段：升温阶段，稳固阶段和冷却阶段.当退 火炉的电源一打开,温度就随着时间而上升,这一阶段称为升温阶段.单位时间内温度的 变化量是很简洁把握的.在升温过程终止后,温度就处于一个稳固阶段.最终,当退火炉 的电源关掉后,温度就随着时间而降低,这一阶段称为冷却阶段.用含氢非晶硅作为初始 材料,进行退火处理.平稳温度把握在600以上,纳米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成,而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着退火过程中的升温快慢而变化.在升温过程中,如单位
12、时间内温度变化量较大时 如 100/s ,就所形成纳米硅晶粒较小 15nm;如单位时间内温度变化量较小 如 1/s ,就纳米硅粒较大23 46nm .进一步的试验说明：延长退火时间和提高退火温度并不能转变所形成的纳米硅晶粒的大小;而在退火时,温度上升快慢直接影响着所形成的纳米硅晶粒大小.为了弄清楚升温量变化快慢对所形成的纳米硅大小晶粒的影响,接受晶体生长中成核理论.在晶体生长中需要两步：第一步是成核,其次步是生长.也就是说.在第一步中需要足够量的生长仔晶.结果显示：升温快慢影响所形成的仔晶密度.如单位时间内温度变化量大,就产生的仔晶密度大;反之 ,如单位时间内温度变化量小,就产生的仔晶密度小.
13、RTA 退火时上升退火温度或延长退火时间并不 能排除薄膜中的非晶部分,薛清等人提出一种从非晶硅中分形生长出纳米硅的生长机理：分形生长.从下到上,只要温度不太高以致相邻的纳米硅岛不熔化,那么即使提高退火温度或延长退火时间都不能完全排除其 中的非晶部分.RTA 退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小,晶体内部晶界密度大,材料缺陷密度高,而且属于高温退火方法,不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅.第 3 页,共 4 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -1.8 等离子体增强化学反应气相沉积PECVD 等离
14、子体增强化学反应气相沉积PECVD法是利用辉光放电的电子来激活化学气相沉积反应的.起初,气体由于受到紫外线等高能宇宙射线的辐射,总不行防止的有略微的电离,存在着少量的电子.在充有淡薄气体的反应容器中引进激发源 例如,直流高压，射频，脉冲电源等,电子在电场的加速作用下获得能量,当它和气体中的中性粒子发生非弹性碰撞时,就有可能使之产生二次电子,如此反复的进行碰撞及电离,结果将产生大量的离子和电子.由于其中正负粒子数目相等.故称为等离子体,并以发光的形式释放出余外的能量,即形成“辉光”.在等离子体中,由于电子和离子的质量相差悬殊,二者通过碰撞交换能量的过程比较缓慢,所以在等离子体内部各种带电粒子各自达到其热力学平稳状态,于是在这样的等离子体中将没有统一的温度,就只有所谓的电子温度和离子温度.此时电子的温度可达104,而分子，原子， 离子的温度却只有25300.所以,从宏观上来看,这种等离子的温度不高,但其内部电子却处于高能状态,具有较高的化学活性.如受激发的能量超过化学反应所需要的热能激活,这时受激发的电子能量1 10eV足以打开分子键,导致具有化学活性的物质产生.因此,原先需要高温下才能进行的化学反应,通过放电等离子体的作用,在较低温度下甚至在常温下也能够发生.争论表面,在等离子体帮忙沉积过程中,离子，荷电集团对
