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(guó)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(shuō)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(duì)于多晶硅薄

2、膜材料的研究越來(lái)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(guò)程中溫度高于600℃,襯底使用昂貴的石英，但制備工藝較簡(jiǎn)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(wú)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

3、是在較高的真空度條件下，不僅蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)原子或分子具有較長(zhǎng)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(duì)沉積過(guò)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

4、集成電路中所用多晶硅薄膜的制備中普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，具有生長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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

5、，但往往伴隨著表面粗糙度的增加，對(duì)載流子的遷移率與器件的電學(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

6、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(dòng)引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(wú)序程度密切相關(guān)，T.Aoyama等人對(duì)初始材料的沉積條件對(duì)固相晶化的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)初始材料越無(wú)序，固相晶化過(guò)程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。由于在結(jié)晶過(guò)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(shì)壘，需要進(jìn)行氫化處理來(lái)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

7、位摻雜，成本低，工藝簡(jiǎn)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，屬于高溫晶化過(guò)程，溫度高于600℃，通常需要1100℃左右，退火時(shí)間長(zhǎng)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(duì)于固相晶化制備多晶硅來(lái)說(shuō)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