• 外延工藝的研究

    2016-10-24

    摘要

    ?? 本文主要講述了外延在生產中的作用,以及它的分類。外延產品應用于4個方面,CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產品是外延片的最大應用領域,并被IC制造商用于不可恢復器件工藝,包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應用方面的閃速存儲器和DRAM(動態隨機存取存儲器)。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件。奇異exotic)半導體類包含一些特種產品,它們要用非Si材料,其中許多要用化合物半導體材料并入外延層中。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件內重摻雜區進行物理隔離,這也是在外延加工中沉積的。

    ???? 本文僅介紹廣泛應用于半導體集成電路生產中襯底為硅材料的硅(Si)和鍺硅(SiGe)外延工藝。

    關鍵詞

    外延工藝;半導體;集成電路;芯片

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    第一章? 引言

    外延片指的是在襯底上生長出的半導體薄膜,薄膜主要由P型,量子阱,N型三個部分構成?,F在主流的外延材料是氮化鎵(GaN),襯底材料主要有藍寶石,硅,碳化硅三種,量子阱一般為5個,通常用的生產工藝為金屬有機物氣相外延(MOCVD)。這是LED產業的核心部分,需要較高的技術以及較大的資金投入(一臺MOCVD一般要好幾千萬)。 外延產品

    外延產品應用于4個方面,CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產品是外延片的最大應用領域,并被IC制造商用于不可恢復器件工藝,包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應用方面的閃速存儲器和DRAM(動態隨機存取存儲器)。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件。奇異exotic)半導體類包含一些特種產品,它們要用非Si材料,其中許多要用化合物半導體材料并入外延層中。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件內重摻雜區進行物理隔離,這也是在外延加工中沉積的。

    上世紀90年代中期,CMOS外延片用量增加的趨勢已經出現。19971998年間,半導體滑坡,IC公司按器件工藝藍圖(最小線寬縮小速率)更好利用Si表面現實狀態。無線和因特網應用的急劇增長,推動200mm300mm晶片工藝向0.18μm及更小尺寸方面發展,其中許多(器件)并入了復雜的單芯片/一個芯片上的系統。為達到所需器件性能和成本率目標,外延片優于拋光片,因為外延片的缺陷密度低、吸雜性能好,電學性能(如鎖存效應)也好,且易于制造。外延片讓器件制造商很自然地由200mm晶片過渡到300mm晶片而不必改變設計從而節省了時間和投資。

    雖然過去兩年IC市場穩步增長,但晶片制造商生產能力未跟上,晶片顯得供不應求。下一代200 mm300 mmPW要求采用新的生長工藝,而這會大大降低成品率、減少產量。IC和器件工藝發展(最小線寬減小,缺陷密度、吸雜及晶體原生顆粒,COP等問題)與現實的低成本晶片的缺乏不相一致,這樣,是選擇拋光片還是外延片就提到日程上來了。代替拋光片的辦法包括經H2Ar氣氛中退火的晶片,在成本、制造重復性和產品性能方面,這兩種辦法是有效的。外延片需要大批量晶體進行加工,這可使晶片制造商擴大現行襯底生產能力而很少甚至不需要添加另外的設備。(東芝陶瓷信越半導體、MEMC電子材料公司,瓦克Siltronic公司等)晶片制造商已提出若干新的外延工藝以解決COP和吸雜問題,同時要努力降低成本和提高產量。

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    第二章 外延工藝概念

    2.1 什么是外延

    外延(epitaxy)是在單晶襯底上生長一層單晶膜的技術。新生單晶層按襯底晶相延伸生長,并稱此為外延層。長了外延層的襯底稱為外延片。

    外延時,通入含有一定硅源的氫氣流,并流經被高頻感應加熱的硅片表面,當條件適當時便會在其上外延成膜。

    2.2 外延的分類

    氣相外延;液相外延;固相外延;分子束外延

    2.2.1 氣相外延在氣相狀態下,將半導體材料淀積在單晶片上,使它沿著單晶片的結晶軸方向生長出一層厚度和電阻率合乎要求的單晶層,這一工藝稱為氣相外延。

    其特點有(1)外延生長溫度高,生長時間長,因而可以制造較厚的外延層;(2)在外延過程中可以任意改變雜質的濃度和導電類型。工業生產常用的氣相外延工藝有:四氯化硅(鍺)外延,硅(鍺)烷外延、三氯氫硅二氯二氫硅等(二氯二氫硅具有淀積溫度低,沉積速度快,淀積成膜均勻等優點)外延等。

    2.2.2 液相外延液相外延【liquid phase epitaxy】 由溶液中析出固相物質并沉積在襯底上生成單晶薄層的方法。液相外延由尼爾松于1963年發明,成為化合物半導體單晶薄層的主要生長方法,被廣泛的用于電子器件的生產上。薄層材料和襯底材料相同的稱為同質外延,反之稱為異質外延。液相外延可分為傾斜法、垂直法和滑舟法三種,其中傾斜法是在生長開始前,使石英管內的石英容器向某一方向傾斜,并將溶液和襯底分別放在容器內的兩端;垂直法是在生長開始前,將溶液放在石墨坩鍋中,而將襯底放在位于溶液上方的襯底架上;滑舟法是指外延生長過程在具有多個溶液槽的滑動石墨舟內進行。在外延生長過程中,可以通過四種方法進行溶液冷卻:平衡法、突冷法、過冷法和兩相法。

    它具有如下的優點:1)生長設備比較簡單,;2)有較高的生長速率;3)摻雜劑選擇范圍廣;4)晶體完整性好,外延層位錯密度較襯底低;5)晶體純度高,生長系統中沒有劇毒和強腐蝕性的原料及產物,操作安全、簡便等。

    2.2.3 固相外延利用固態相變原理,采用常規設備和真空保護氣氛兩步熱處理方法,在硅單晶襯底上形成大面積連續、均勻的二硅化鎳單晶薄膜.應用電子通道分析技術和電子衍射技術,研究二硅化鎳單晶薄膜晶格完整性,指出上述形成NiSi_2的方法相對通常僅用真空或保護氣氛熱處理的方法而言,兼具高效率和高晶格完整性的優點

    2.2.4 分子束外延分子束外延的英文縮寫為MBE,這是一種在晶體基片上生長高質量的晶體薄膜的新技術。在超高真空條件下,由裝有各種所需組分的爐子加熱而產生的蒸氣,經小孔準直后形成的分子束或原子束,直接噴射到適當溫度的單晶基片上,同時控制分子束對襯底掃描,就可使分子或原子按晶體排列一層層地在基片上形成薄膜。該技術的優點是:使用的襯底溫度低,膜層生長速率慢,束流強度易于精確控制,膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調整。用這種技術已能制備薄到幾十個原子層的單晶薄膜,以及交替生長不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結構材料。

    2.3 外延片的應用

    外延產品應用于4個方面,CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產品是外延片的最大應用領域,并被IC制造商用于不可恢復器件工藝,包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應用方面的閃速存儲器和DRAM(動態隨機存取存儲器)。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件。奇異exotic)半導體類包含一些特種產品,它們要用非Si材料,其中許多要用化合物半導體材料并入外延層中。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件內重摻雜區進行物理隔離,這也是在外延加工中沉積的。


    第三章? 外延片的制備

    ?? 芯片的制造過程可概分為晶圓處理工序(Wafer Fabrication)、晶圓針測工序(Wafer Probe)、構裝工序(Packaging)、測試工序(Initial Test and Final Test)等幾個步驟。其中晶圓處理工序和晶圓針測工序為前段(Front End)工序,而構裝工序、測試工序為后段工序。
    3.1 晶圓處理工序:

    本工序的主要工作是在晶圓上制作電路及電子元件(如晶體管、電容、邏輯開關等),其處理程序通常與產品種類和所使用的技術有關,但一般基本步驟是先將晶圓適當清洗,再在其表面進行氧化及化學氣相沉積,然后進行涂膜、曝光、顯影、蝕刻、離子植入、金屬濺鍍等反復步驟,最終在晶圓上完成數層電路及元件加工與制作。
    3.2 晶圓針測工序:

    經過上道工序后,晶圓上就形成了一個個的小格,即晶粒,一般情況下,為便于測試,提高效率,同一片晶圓上制作同一品種、規格的產品;但也可根據需要制作幾種不同品種、規格的產品。在用針測(Probe)儀對每個晶粒檢測其電氣特性,并將不合格的晶粒標上記號后,將晶圓切開,分割成一顆顆單獨的晶粒,再按其電氣特性分類,裝入不同的托盤中,不合格的晶粒則舍棄。
    3.3 構裝工序:

    就是將單個的晶粒固定在塑膠或陶瓷制的芯片基座上,并把晶粒上蝕刻出的一些引接線端與基座底部伸出的插腳連接,以作為與外界電路板連接之用,最后蓋上塑膠蓋板,用膠水封死。其目的是用以保護晶粒避免受到機械刮傷或高溫破壞。到此才算制成了一塊集成電路芯片(即我們在電腦里可以看到的那些黑色或褐色,兩邊或四邊帶有許多插腳或引線的矩形小塊)。 ?

    第四章 外延片質量測試

    ? ?4.1 LED外延片質量辨別方法

    ?? 襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料,需要不同的外延生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術,襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面:?????

    ?? [1]結構特性好,外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度??;??????

    ? [2]界面特性好,有利于外延材料成核且黏附性強;??????

    ? [3]化學穩定性好,在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕;??????

    ? [4]熱學性能好,包括導熱性好和熱失配度??;??????

    ? [5]導電性好,能制成上下結構;??????

    ? [6]光學性能好,制作的器件所發出的光被襯底吸收??;??????

    ? [7]機械性能好,器件容易加工,包括減薄、拋光和切割等;??????

    ? [8]價格低廉;??????

    ? [9]大尺寸,一般要求直徑不小于2英吋。

    襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。所以,目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用于生產的襯底目前只有二種,即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底

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    4.2 CVD質量檢測

    1. 膜厚


    比色法薄膜顏色表

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    2折射率


    3.
    臺階覆蓋率

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    ?????? ??? 橢偏儀測試示意圖

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    4. 均勻性


    硅片中測試點的選取

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    第五章 外延的發展趨勢

    外延生長技術發展于50年代末60年代初。當時,為了制造高頻大功率器件,需要減小集電極串聯電阻,又要求材料能耐高壓和大電流,因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。用氣相、液相或分子束等方法在襯底上生長單晶材料的工藝。在襯底上生長組分與襯底材料相同的單晶材料,稱同質外延;在襯底上生長與襯底組分不同的單晶材料,稱異質外延。

    信息技術的發展就是微電子技術的發展,而外延技術是微電子技術的一個分支,因此,信息技術的發展推動了外延技術的不斷創新與發展。他們是相輔相成的一個整體。

    隨著科技的不斷發展與前進,外延技術也得到了更大的發展空間,如今正在向亞微米、深亞微米的技術上研究與突破。

    所以說,外延技術的發展前景還是非??捎^的。我們有信心相信在不久的未來,外延技術也能帶動微電子產業以至于信息產業的革命。


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