薄膜的材料及制備工藝

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1、薄厚膜電路工藝薄膜混合集成電路的制作工藝湯冬苗（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)微電310106陜西戶縣710300）中心議題：多晶硅薄膜的制備摘要：本文主要介紹了多晶硅薄膜制備工藝，闡述了具體的工藝流程，從低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)，準(zhǔn)分子激光晶化(ELA)，固相晶化（SPC）快速熱退火(RTA)，等離子體增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(PECVD等，進(jìn)行詳細(xì)說明。關(guān)鍵詞：低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)；準(zhǔn)分子激光晶化(ELA)；快速熱退火(RTA)等離子體增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(PECVD)引言多晶硅薄膜材料同時(shí)具有單晶硅材料的高遷移率及非晶硅材料的可大面積、低成本制備的優(yōu)點(diǎn)。因此，對于多晶硅薄膜材料的研究越

2、來越引起人們的關(guān)注，多晶硅薄膜的制備工藝可分為兩大類：一類是高溫工藝，制備過程中溫度高于600℃,襯底使用昂貴的石英，但制備工藝較簡單。另一類是低溫工藝，整個(gè)加工工藝溫度低于600℃，可用廉價(jià)玻璃作襯底，因此可以大面積制作，但是制備工藝較復(fù)雜。-9-薄厚膜電路工藝1薄膜集成電路的概述在同一個(gè)基片上用蒸發(fā)、濺射、電鍍等薄膜工藝制成無源網(wǎng)路,并組裝上分立微型元件、器件,外加封裝而成的混合集成電路。所裝的分立微型元件、器件，可以是微元件、半導(dǎo)體芯片或單片集成電路。2物理氣相沉積-蒸發(fā)物質(zhì)的熱蒸發(fā)利用物質(zhì)高溫下的蒸發(fā)現(xiàn)象，可制備各種薄膜材料。與濺射法相比，蒸發(fā)法顯著特點(diǎn)之一是在較高的真空度條件下，不僅

3、蒸發(fā)出來的物質(zhì)原子或分子具有較長的平均自由程，可以直接沉積到襯底表面上，且可確保所制備的薄膜具有較高純度。-9-薄厚膜電路工藝3等離子體輔助化學(xué)氣相沉積--PECVD傳統(tǒng)的CVD技術(shù)依賴于較高的襯底溫度實(shí)現(xiàn)氣相物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)與薄膜沉積。PECVD在低壓化學(xué)氣相沉積進(jìn)行的同時(shí)，利用輝光放電等離子體對沉積過程施加影響。促進(jìn)反應(yīng)、降低溫度。降低溫度避免薄膜與襯底間不必要的擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)；避免薄膜或襯底材料結(jié)構(gòu)變化與性能惡化；避免薄膜與襯底中出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力等。-9-薄厚膜電路工藝4低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)　　這是一種直接生成多晶硅的方法。LPCVD是集成電路中所用多晶硅薄膜的制備中普遍采用的

4、標(biāo)準(zhǔn)方法，具有生長速度快，成膜致密、均勻，裝片容量大等特點(diǎn)。多晶硅薄膜可采用硅烷氣體通過LPCVD法直接沉積在襯底上，典型的沉積參數(shù)是：硅烷壓力為13.3～26.6Pa，沉積溫度Td=580～630℃，生長速率5～10nm/min。由于沉積溫度較高，如普通玻璃的軟化溫度處于500～600℃，則不能采用廉價(jià)的普通玻璃而必須使用昂貴的石英作襯底。LPCVD法生長的多晶硅薄膜，晶粒具有<110>擇優(yōu)取向，形貌呈“V”字形，內(nèi)含高密度的微攣晶缺陷，且晶粒尺寸小，載流子遷移率不夠大而使其在器件應(yīng)用方面受到一定限制。雖然減少硅烷壓力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴隨著表面粗糙度的增加，對載流子的遷移率與器件的

5、電學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。5固相晶化(SPC)　所謂固相晶化，是指非晶固體發(fā)生晶化的溫度低于其熔融后結(jié)晶的溫度。這是一種間接生成多晶硅的方法，先以硅烷氣體作為原材料，用LPCVD方法在550℃左右沉積a-Si:H薄膜，然后將薄膜在600℃-9-薄厚膜電路工藝以上的高溫下使其熔化，再在溫度稍低的時(shí)候出現(xiàn)晶核，隨著溫度的降低熔融的硅在晶核上繼續(xù)晶化而使晶粒增大轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜。使用這種方法，多晶硅薄膜的晶粒大小依賴于薄膜的厚度和結(jié)晶溫度。退火溫度是影響晶化效果的重要因素，在700℃以下的退火溫度范圍內(nèi)，溫度越低，成核速率越低，退火時(shí)間相等時(shí)所能得到的晶粒尺寸越大;而在700℃以上，由于此時(shí)晶界移動引

6、起了晶粒的相互吞并，使得在此溫度范圍內(nèi)，晶粒尺寸隨溫度的升高而增大。經(jīng)大量研究表明，利用該方法制得的多晶硅晶粒尺寸還與初始薄膜樣品的無序程度密切相關(guān)，T.Aoyama等人對初始材料的沉積條件對固相晶化的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)初始材料越無序，固相晶化過程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。由于在結(jié)晶過程中晶核的形成是自發(fā)的，因此，SPC多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是隨機(jī)的。相鄰晶粒晶面取向不同將形成較高的勢壘，需要進(jìn)行氫化處理來提高SPC多晶硅的性能。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能制備大面積的薄膜,晶粒尺寸大于直接沉積的多晶硅?？蛇M(jìn)行原位摻雜，成本低，工藝簡單，易于形成生產(chǎn)線。由于SPC是在非晶硅熔融溫度下結(jié)晶，屬于高

7、溫晶化過程，溫度高于600℃，通常需要1100℃左右，退火時(shí)間長達(dá)10個(gè)小時(shí)以上，不適用于玻璃基底，基底材料采用石英或單晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光閥、攝像機(jī)取景器等。6準(zhǔn)分子激光晶化(ELA)　　激光晶化相對于固相晶化制備多晶硅來說更為理想，其利用瞬間激光脈沖產(chǎn)生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，僅在薄膜表層100nm厚的深度產(chǎn)生熱能效應(yīng)，使a-Si薄膜在瞬間達(dá)到1000℃左右，從而實(shí)現(xiàn)a-S