材料ppt课件第一章微电子技术中图形加工的方法.pptx

第一章第一章 微电子技术中图形加工的一般方法微电子技术中图形加工的一般方法 在半导体发展的早期，首先使用的半导体材料是锗，但它很快被硅取代了。因为硅在大气中氧化可以形成一层结力很强的透明的氧化硅(SiO2)薄膜，它可作硅表面的保护层；电路间的绝缘介质，以及作杂质扩散的掩蔽膜。砷化镓具有很高的迁移率，是一种重要的半导体材料。但由于砷化镓在生长大的单晶和形成绝缘层方面还存在某些技术问题，因此在目前的微电子学中占统治地位的半导体材料仍然是硅。第一节第一节 制造微细图形的要求制造微细图形的要求 平面工艺是微细加工发展中的一个非常重要的工序，其基本制作工艺是在不同电特性的薄膜材料上加工所需要的图形。每层薄膜上先形成晶体管、电容器和整流器等元件，最后将它们连接在一起，构成了集成电路(IC)。 每层薄膜有不同的电特性，可通过改变基片的性质而得到，如掺杂和氧化，但也可以用蒸发和溅射的方法，在基片上沉积一层薄膜。通过光刻的方法产生所需要的图形，即把设计好的图形投影到涂有光刻胶的表面层上，使被曝光部分的光刻胶变成坚硬的抗蚀剂层，而未被曝光的光刻胶则在某一溶剂中被溶解。 第二节第二节 外外 延延 “外延外延” 是指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。新单晶层的晶向取决于衬底(基片)，并由衬底向外延伸而成，故名“外延层”。外延生长之所以重要，在于外延层中杂质浓度可以方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。薄膜的掺杂可以是n型或p型。目前流行的外延生长工艺有三种：气相(VPE)、液相(LPE)和分子束外延(MBE)。硅气相外延生长系统 SiCl4+2H2=Si+4HCl硅气相外延生长系统，它包合装有硅片的反应器，采用氢气作为载气，控制SiCl4(四氯化硅)的浓度，然后输送到反应器。反应器内有一用射频线圈加热的石墨基座，其温度通常在1000以上。置于石墨基座上的硅基片表面上，SiCl4与氢气发生还原反应而生成硅，并以单晶形式沉积在硅基片表面上。其基本反应是 SiCl4十2H2 Si(固)十4HCl 该反应是可逆的，向右反应产生硅外延膜，相反的反应则使基片剥离或刻蚀。 图22(b)表示外延膜的生长速率与气体中SiCl4 浓度的关系。浓度定义为SiCl4 分子数与气体总分子数之比。由图可见，生长速率达到最大值后，随着SiCl4的浓度增加而减少。这一现象是化学反应引起的，即SiCl4 十Si(固)2SiCl2；因此，当SiCl4 浓度较高时就可能发生硅的刻蚀。 在流动气体中引入杂质原子可生长掺杂的外延层，n型掺杂使用PH3(磷烷)，F型掺杂使用B2H3(乙硼烷)。四种不同外延层液相(LPE)生长装置在同一基片上沉积不同材料的多层膜，常采用LPE。图23表示四种不同薄层外延生长的LPE装置。在工作时，移动滑动的溶液架以带动基片与溶液接触。用这种方法可以制造膜层厚度小于1m的不同材料(Ge-Si，GaAs-GaP的半导体。分子束外延MBE(分子束外延)是在超高真空(10-810-6Pa)条件下通过多极分子束与加热的单晶片反应而获得结晶生长膜的。图2-4说明了这一过程，它表示分子束外延掺杂不同材料(如A1XGa1-XAs)的基本方法。每一炉子装有一个坩埚，它们依次装有希望得到薄膜的某些元素。炉温的选择是在热能分子束的自由蒸汽产生的情况下，使材料的蒸汽压足够高。炉子按一定的要求排列，使束流分布与每个炉子的中心位置和基片交叉，则通过选择合适的炉子和基片温度，就可获得所希望的化学外延膜。整个生长工艺的附加控制可通过在每个炉子和基片之间分别插入光栏而获得。由光栏的开、关可以让任一束流到达基片，从而形成所需要的外延膜。MBE的一个显著特点是生长速率低，大约为1mh或单分子层s，因此基片上的分子束流可以容易地用单分子层的数量调节。光栏的操作速度小于1s。在外延生长技术中，分子束外延使微细加工在结构清晰度方面，几乎提高了两个数量级。MBE一直被用来制备各种GaAs和AlxGa1-xAs器件薄膜和膜层结构，如电容电压可急剧变化的高可控的变容二极管、碰撞雪崩渡越时间二极管、微波混合二极管、肖特基层场效应晶体管、光波导、集成光学结构等；对微波、光学固体器件及亚微米层结构电路等固体电子学，MBE具有最大的影响，其工艺对平面和集成工艺也有十分重要的意义。第三节第三节 氧氧 化化 通常将硅片在电阻炉中加热到9001200，让氧气流过硅表面，使氧气与硅原子起化学反应而制成Si02层。 干法氧化：干法氧化： Si(固)+O2Si02(固) 蒸汽流氧化：蒸汽流氧化： Si(固)+2H20Si02(固)+2H2 热氧化过程第四节第四节 光光 刻刻 光刻是一种图像复印与刻蚀(化学的、物理的或两者兼而有之)相结合的综合性技术。它先用照相复印的方法，将光刻掩模的图形精确地复印到涂有待刻蚀材料(Si02、A1、多晶硅等薄膜)表面的光刻胶上面，然后在光刻胶的保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻材料上得到所需要的图形。 微细结构加工所使用的光刻类型 光学光刻是微电子工业中最重要的技术，通常用于23m线宽的制造。 电子束光刻主要用于掩模制造。对于高密度的微电子结构，电子背散射使它的实际线宽下限限制在05m左右。 X射线光刻所加工的线宽接近百分之几微米的量级，但需要一个复杂的吸收掩模和薄膜支撑结构。 离子束光刻提供了图形的掺杂能力，并具有很高的分辨率(001m以下)。掩模制造 一、制版工艺一、制版工艺 在制版工艺中，首先需要制造一个掩模或传送一个所需要的图形。 掩模制造从一个被称作原图的大尺寸布线图开始 接着用照相机拍照。一般初始原图尺寸是最后电路芯片的500倍。2.5mm的芯片，原图可能是125cm。成功的制版工艺首先将原图缩小为1100，然后再缩小为原图的1500，最后精确地印在模版上。 接触曝光光刻胶涂在氧化物层上，如图29(a)所示，并将它和玻璃版接触，然后曝光，如图29(b)所示。在显影工艺中，未曝光的涂层被溶掉，这样便在涂层中留有一个窗口，如图29(c)所示。剩余的光刻胶涂层具有化学稳定性，以便隔离酸性溶液对氧化物层的刻蚀，并在氧化物层中产生一窗口，如图29(d)所示。然后，把剩余的光刻胶涂层从基片上除去，为下一步加工准备了基片。这种在半导体基片上产生图形的方法称为接触曝光。接触曝光中，由于掩模与光刻胶的接触，使掩模磨损而引起缺陷。若掩模与基片之间有一间隔，这就避免了相互接触和由接触而引起的缺陷。但是，较大的间隔会增加透射光的绕射，降低了分辨率，同时使个别光刻胶上的图形变模糊。这种影响，取决于掩模与基片间的实际间隔。基片平整度的变化和绕射效应，通常把可见光的非接触曝光限制到特征尺寸为7m。 二、投影复制二、投影复制 在投影复制中，借助在掩模和基片之间的高分辨率透镜把光掩模的图形直接投影在基片的光刻胶上，掩模寿命主要受操作损伤的限制。 一种类型是用单一光照射整个基片，掩模上的图形通常与基片(直径510cm)上的图形具有相同的尺寸。市售1：1的投影复制机在23m的范围内图像清晰，其对准精度为0306m。 另一类型是用掩模产生的图形只对部分基片曝光，这时掩模比投影图形大5或10倍。然后基片步进到一个新的位置，又对基片的另一部分曝光。通过步进重复，整个基片就完成了曝光。步进重复系统为98l步，分辨率为12m，重复精度约02505m。 三、电子束光刻三、电子束光刻采用常用光刻工艺可形成的最小线条宽度毕竟受光波长的限制，现行技术通常能复制几微米的元件，并有可能把最小尺寸降到1m。由于电子束和X射线的波长为毫微米(nm)甚至更小，故利用它们可产生极细的线条。 电子束光刻比光学光刻有吸引力，并不只是因为它波长短，还因为它有如下优点： (1)电子可以成像，形成图形或小点的尺寸可001m；而可见光点则只有05m。 (2)通过静电场或磁场可使电子束偏转和进行速度调制。 (3)电子束能量和涂敷在基片上的光刻胶剂量可精确控制。 电子束可以由计算机程序控制直接扫描而产生图形，或通过特别掩模的电子图像而产生图形。来自电子束源的电子可形成一射束，它在涂有光刻胶的基片上偏转和调制便可绘出所希望的图形。电子可形成亚微米点的图像，在小于10-7s的时间里，有足够的电流使光刻胶曝光。 电子束光刻系统方框图电子束光刻系统方框图扫描系统有光栅扫描光栅扫描和矢量控矢量控制制两种系统。光栅扫描系统有顺序地覆盖着产生图形的整个面积，并根据要记录的图形的需要，调整电子束的开或关；矢量控制系统则根据图形的需要使电子束偏转到确定的轨迹。与电子束发生器有关的电子光学系统类似于电子显微镜，一般由热阴极的电子源提供了热发射的自由电子，这些电子被静电场加速和电磁场聚焦，受静电场和电磁场的偏转和控制，最后到达基片，形成清晰的图形。四、四、X X射线光刻射线光刻掩模由X射线透明膜片组成，膜片支撑着一个薄膜图案，图案材料对X射线具有强的吸收作用。掩模放在涂有对X射线敏感的光刻胶的基片上。由聚焦电子束产生的远“点”X射线源照射到掩模上，吸收了X射线的图形被投影到聚合膜上。图中给出了半阴影，它由X射线源的实际有限尺寸d产生。在任一给定曝光条件下，可通过适当选择s、d和D，就可按要求使减小。图212和图213为制造微米表面图形所用的工艺和光刻后单层及层状基片的掺杂工艺。曝光后，显影除去的或是曝光区(正性胶)或是非曝光区(负性胶)。因此，在基片表面上留下了明显的光刻胶图形。在光刻胶上形成凹凸结构后，用下述方法之一加工基片：在基片上刻蚀图形；生长材料；掺杂；通过光刻胶图形的开口位置沉积材料。由于X射线波长在10-3m的数量级，因此衍射效应通常可以忽略。 第五节第五节 刻刻 蚀蚀 通过光刻工艺在光刻胶上产生图形以后，光刻胶下面的薄膜通常采用刻蚀的方法得到图形。在微电子技术中，刻蚀包括湿法和干法。湿法刻蚀通常是指化学刻蚀，它是利用材料和刻蚀液的化学反应进行加工的，适用于几乎所有的金属、玻璃、塑料等材料的大批量加工，也适用于硅、锗等半导体材料，以及在玻璃上形成的金属膜、氧化膜等的微细加工，是应用范围很广的重要技术。干法刻蚀是利用活性气体与材料反应而生成挥发性化合物来进行的加工，包括离子刻蚀、等离子刻蚀、反应等离子刻蚀等，它是今后微电子技术中一种非常有用的刻蚀方法。一、化学刻蚀一、化学刻蚀表22列出了微电子工业中用于薄膜材料的典型刻蚀剂。湿化学法或溶液刻蚀法会产生一些问题，如光刻胶置于加热的酸液中，常常失去它对下面薄膜的附着力；在向下刻蚀的同时，也向着横方向刻蚀，即所谓“钻蚀”作用，使加工的线条变宽，这对于刻蚀亚微米图形就失去了意义。 其次，由于存在表面张力的作用，溶剂刻蚀越来越难以适应高分辨率图形的加工，而干法刻蚀正好弥补了这些不足。二、各向异性刻蚀二、各向异性刻蚀用化学试剂刻蚀单晶硅时，不同晶面的刻蚀速率是不同的。图214为硅的金刚石立方结构和它的两个面的密勒指数。因硅面(图214的c)比硅面(图214的b) 的排列更紧密，故其刻蚀速率更低。这一概念已被用于三维结构的有源或无源器件的加工以及表面器件的加工。各向异性刻蚀工艺与各向异性刻蚀液(专用于刻蚀硅的溶液，由乙烯二胺、邻苯二酚及水组成，典型的组成是17mL乙烯二胺、3g邻苯二酚及8mL水，它可阻止对重掺杂p+硅的刻蚀)结合，可以制造薄膜型小圆孔，如图215所示。当杂质浓度NA达到1019cm3时，专用液中的硅急剧下降；当NA71019cm3时，刻蚀速率达到零。在专用液中刻蚀重掺杂p+表面层的硅基片时，末掺杂的硅被除去p+膜被留下，其厚度等于表面层的深度，而杂质浓度NA71019cm3。这一特性已被用于制造膜厚在110um之间的不同结构的器件。第六节第六节 掺掺 杂杂 掺杂是指用人为的方法，将所需的杂质按要求的浓度与分布掺人半导体等材料中，以达到改变材料电学性质和形成半导体器件的目的。利用掺杂技术可以制备p-n结、电阻器、欧姆接触和互连线等。掺入杂质的种类、数量及其分布，对部件性能的影响极大，因此必须进行精确的控制。 掺杂方法可分为合金法、扩散法和离子注人法。在集成电路制造中，主要采用扩散法和离子注入法，图2-16及表23对对采用这两种工艺进行掺杂时的均匀性、重复性、污染情况和环境条件等作了比较。 一、扩散一、扩散 扩散过程包括两个步骤，首先是通过气相沉积或涂覆的方法，在基片表面上覆盖一层所希望的掺杂剂，使基片表面上合有一定量的杂质；然后进行驱动扩散，使杂质原子向晶体内运动。这就是常说的两步扩散法。前者称为预沉积，后者称为再分布。杂质原子分布的形状主要由杂质原子在基片表面的状况而定，而扩散深度主要取决于温度和扩散时间。 替位式扩散和间隙式扩散替位式扩散和间隙式扩散 扩散运动是微观粒子(原子或分子)热运动的统计结果。在一定温度下杂质原子具有一定的能量，能够克服某种阻力而进入半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中，因此扩散也就有替位式扩散和间隙式扩散两种方式，如图217所示。替位式扩散。杂质原子通过从一个格点位置跳到下一个格点位置，替代了原来的晶格原子而达到在晶格中移动。为此，要求相邻的位置必须是空的，也就是说，要产生替位式扩散必须有空位。由于空位的平衡浓度相当低，故可认为替位式扩散比间隙式扩散慢得多。实际情况确实如此。间隙式扩散。处于晶格原子之间空位的杂质原于称为间隙原子，杂质原子由一个间隙位置跳到下一个间隙位置而在晶格中移动，它们既可以从格点位置开始移动， 也可以从间隙位置开始移动，最终可停在两种位置中的一种位置上。间隙式扩散要求杂质从一个间隙位置跳到相邻的另一个间隙位置，而且杂质原子只有处于间隙位置时才能以显著的速率在晶体中移动。二、离子注入二、离子注入 离子注入就是先将杂质原子电离，再由电场加速，使其获得很高的能量(30100KeV)，然后“注入”到晶体中，再经过退火使杂质激活而达到掺杂的目的。离子注入多用于浅结高精度掺杂。磁偏转质量分析器(90分析磁体)消除了不需要的某些离子，经偏转与聚焦后，离子束瞄准半导体靶，使高能离子渗透到半导体表面。进入半导体内的高能离子与靶原子核和电子碰撞后失去其能量，最后静止下来。 离子注入的优点及其问题离子注入的优点及其问题 离子注入的优点是它具有很好的可控性和重复性。通过测量离子流和注入时间，可以确定硅中杂质离子的数量，从而改变杂质的浓度。因此，通过调节加速电压来控制杂质分布就可能优于高温扩散。 被加速的离子与靶中的硅原子相碰，可以把能量传给靶原子，而当靶原子的能量足够大时则可使其发生位移。当位移原子的能量足够大时还可使其他靶原子发生位移，从而形成一个碰撞与位移的级链，造成晶体损伤。不过，在低于1000的温度下让晶片退火，可消除大部分损伤而恢复晶体的单晶结构，同时使注入离子激活(即运动到晶格位置而产生电活性的掺杂作用)。 三、中子嬗变掺杂技术三、中子嬗变掺杂技术(NTD)中子嬗变掺杂技术是另一种非常吸引人的掺杂方法，最普通的是用它进行磷掺杂而形成均匀的n型材料。其基本原理是由于硅有三个稳定的同位素28Si、29Si和30Si，它们分别为9221、470和302，当受到热中子照射时，其中只有30Si捕获中子才产生放射性同位素31Si，随后31Si 嬗变为稳定的同位素31P，从而达到了n型掺杂的目的。这一过程的掺杂核反应式为： 30Si+n31Si 31Si31P+-31P+n32P 32P32S+ - 由此看到，31P 也可以捕获一个中子而引起32P的发射。由于31Si的衰变寿命很短，没有显示出残余的放射性，而32P有中等的寿命，故可导致可测的放射性剂量。当然，32P的剂量主要取决于31P 产生的剂量，它在一定程度上取决于中子流和硅中磷的最初剂量。 中子嬗变掺杂最显著的优点是均匀性很好(可达土2)，它不但可以使高阻的悬浮区熔硅晶锭变成浓度分布十分均匀的n型(也可以实现p型)材料，而且可以获得非常均匀的外延层；其次是易于正确地监控所引进的裁流子数目(准确度为士5)。由于通过核反应加工而引进了辐射损伤，所以还必须进行适当的退火(一般用500900C退火)，以便恢复其晶格和电阻率。 第七节第七节 连线材料和工艺连线材料和工艺硅基片上的分立元件被加工出来后，必须将元件连接起来构成集成电路(IC)。这要通过金属化工艺来完成。在金属布线工艺中，金属膜(052um)被沉积在硅基片上，然后成图形，把晶体管、二极管、电容和电阻连接起来。一、金属布线工艺及金属膜的特性一、金属布线工艺及金属膜的特性目前，金属化工艺常使用铝和铝合金，因为它们具有与Si02粘附性好、电阻率低、能用真空蒸发技术沉积和价廉等优点。表25汇集了金属化薄膜中最常用的金属 二、铝及其他金属布线工艺二、铝及其他金属布线工艺 铝的金属化工艺对集成电路的元件尺寸有明显影响。小型快速的器件需要比较浅薄的pn结，但由于铝和硅的相互扩散作用，使这种pn结经受不住金属化后的热处理 (500)。 在大电流密度下，铝容易产生金属离子的电迁移，使某些铝引线形成空洞甚至断开，而在铝层的另一些区域则生长晶须，导致了电极短路，故大电流密度(1105A/cm2)的使用需要采用另外一些不易产生电迁移现象的金属，如金。随着器件特征尺寸的缩小，引线必须能通过大的电流密度