第三章-MEMS制造技术-1(半导体工艺)教材课件.ppt

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1、第三章第三章 MEMS制造技术制造技术半导体制造技术半导体制造技术主要内容掺杂技术、退火技术表面薄膜制造技术光刻技术金属化技术刻蚀技术净化与清洗接触与互连键合、装配和封装集成电路制造过程一、掺杂与退火掺杂定义：就是用人为的方法，将所需的杂质（如磷、硼等），以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要求的分布，以达到改变材料电学性质、制作PN结、集成电路的电阻器、互联线的目的。掺杂的主要形式：注入和扩散 退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不 活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。目的：激活杂质 消除损伤 结构释放后消除残余应力退火方式：炉退火 快速退火1.扩

2、散工艺定义：在一定温度下杂质原子具有一定能量，能够克服阻力进入半导体并在其中做缓慢的迁移运动。形式：替代式扩散和间隙式扩散 恒定表面浓度扩散和再分布扩散替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：、族元素一般要在很高的温度(9501280)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素扩散系数要比替位式扩散大67个数量级扩散工艺主要参数扩散工艺主要参数结深：当用与衬底导电类型相反的杂质进行扩散时，在硅片内扩散杂质浓度与衬底原有杂质浓度相等的地方就形成了pn结，结距扩散表面的距离叫

3、结深。薄层电阻Rs（方块电阻）表面浓度：扩散层表面的杂质浓度。扩散的适用数学模型是Fick定律 式中：F 为掺入量 D 为扩散率 N 每单位体积中掺入浓度扩散方式液态源扩散：利用保护气体携带杂质蒸汽进入反应室，在高温下分解并与硅表面发生反应，产生杂质原子，杂质原子向硅内部扩散。固态源扩散：固态源在高温下汽化、活化后与硅表面反应，杂质分子进入硅表面并向内部扩散。液态源扩散扩散源：硼酸三甲酯，硼酸三丙酯等扩散原理：硼酸三甲酯500C分解后与硅反应，在硅片表面形成硼硅玻璃，硼原子继续向内部扩散，形成扩散层。硼B扩散系统：N2气源、纯化、扩散源、扩散炉扩散工艺：预沉积，去BSG，再分布工艺条件对扩散结

4、果的影响气体流量、杂质源、温度液态源扩散扩散源：POCl3，PCl3，PBr3等扩散原理：三氯氧磷600C分解后与硅反应，在硅片表面形成磷硅玻璃，磷原子继续向内部扩散，形成扩散层。扩散系统：O2和N2气源、纯化、扩散源、源冷却系统、扩散炉扩散工艺：预沉积，去PSG，再分布磷P固态源扩散箱法B扩散 B2O3或BN源，石英密封箱片状BN扩散氧气活化，氮气保护，石英管和石英舟，预沉积和再分布片状P扩散扩散源为偏磷酸铝和焦磷酸硅固-固扩散（乳胶源扩散）扩散炉质量分析1硅片表面不良：表面合金点；表面黑点或白雾；表面凸起物；表面氧化层颜色不一致；硅片表面滑移线或硅片弯曲；硅片表面划伤，边缘缺损，或硅片开裂

5、等2漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时产生管道击穿。3薄层电阻偏差工艺控制污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具参量控制：温度，时间，气体流量(影响最大?)1.温度控制：源温、硅片温度、升温降温、测温2.时间：进舟出舟自动化,试片3.气体流量：流量稳定，可重复性2.离子注入定义：将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析，成为一束由所需杂质离子组成的高能离子流而投射入晶片（俗称靶）内部，并通过逐点扫描完成整块晶片的注入掺杂深度由注入杂质离子的能量

6、和质量决定掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定 掺杂的均匀性好温度低：小于600可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多可以对化合物半导体进行掺杂离子注入的优点：离子注入特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速轰击硅片表面，形成注入层装置：离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶室、真空系统离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图离子注入的步骤注入的离子在基底中的分布根据Ruska(1987)，注入离子的浓度N（X）可遵循下面方程式RP 为注入的范围，umRP为分散度或者“离散度”Q是离子束的剂

7、量（原子数/cm2）硅中常用掺杂剂的离子注入 离子范围 Rp，nm 分散 Rp，nm在30keV 能级硼（B）106.539.0磷(P)42.019.5砷(As)23.39.0在100 keV 能级硼（B）3070690磷(P)1350535砷(As)6782613、退火定义：一般是利用各种能量形式所产生的热效定义：一般是利用各种能量形式所产生的热效应，来消除半导体片在其加工过程中所引起的应，来消除半导体片在其加工过程中所引起的各种晶格缺陷和内应力，或根据需要使表面材各种晶格缺陷和内应力，或根据需要使表面材料产生相变和改变表面形态。料产生相变和改变表面形态。定义：将注入离子的硅片在一定温度和真

8、空或氮、氩等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理，部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复，掺入的杂质也将的到一定比例的电激活，这样的热处理过程称为退火。方式：热退火：管式炉，保护气氛，900C，2030min，用于再扩散激光退火：自淬火，局部加热，制备欧 姆接触普通热退火退火时间通常为15-30min，使用通常的扩散炉，在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。缺点：清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温度高、时间长，导致杂质再分布。扩散与注入的特点扩散注入工艺温度：高温常温浓度和分布控制：较精确精确横向扩散：大小晶格损伤：小大工艺自由度：低高工艺成

9、本：低高二、表面薄膜技术在IC及MEMS加工技术中，有时候需要在由不同材料构成的大面积的薄膜层中构造功能完善的结构。功能：结构层、牺牲层、钝化保护、刻蚀掩蔽、键合连接、电气连接、光学传输等方式：氧化(Oxidation)、淀积(Deposition)、外延(Epitaxy)、电镀（Electroplating）薄膜定义：“薄”厚度很薄，一般尺度在亚微米到十微米左右决定了其制备工艺控制精度决定了其制造工艺的方法决定了其必须附着于支撑“膜”在很大面积（整个表面）上连续分布，除非有意加工，不存在断裂不连续区域。“多孔薄膜”，有孔，但仍然连续定义：硅与氧化剂反应生成二氧化硅。原理：氧化剂被表面吸附，向

10、膜中扩散，在二氧化硅和硅的接触界面反应生成新的二氧化硅，接触界面向深层逐步推进。薄膜的制备薄膜的制备氧化氧化O2H2O干氧典型速度：1200oC，50min，180nm二氧化硅膜的五种用途：杂质扩散掩蔽膜a 器件表面保护或钝化膜b 电路隔离介质或绝缘介质c 电容介质材料d MOS管的绝缘栅材料e二氧化硅膜的性质（1）1.二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外，和别的酸不起作用。利用这一性质可作为优质的掩蔽膜2.二氧化硅膜的掩蔽性质uB、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的扩散系数。Dsi Dsio2uSiO2 膜要有足够的厚度。一定的杂质扩散时间、扩散温度下，有一最小厚

11、度二氧化硅膜的性质（2）3.二氧化硅膜的绝缘性质u热击穿、电击穿、混合击穿：a.最小击穿电场（非本征）针孔、裂缝、杂质。b.最大击穿电场（本征）厚度、导热、界面态电荷等；氧化层越薄、击穿电场越低。u介电常数34（3.9）常压氧化技术常压氧化技术种类：水汽氧化、干氧氧化、湿氧氧化干氧：二氧化硅膜干燥致密，掩蔽能力强，与 光刻胶粘附性好，但氧化速度慢。湿氧：速度快，但二氧化硅疏松，与光刻胶粘 附性不好，易脱落。实际工作中，往往用干氧、湿氧、干氧的方法，速度快粘附性好。水汽氧化速度更快，但是质量差，一般不用。常压氧化技术常压氧化技术设备：氧化源、加热器、氧化炉、热电偶氧化效果分析厚度检测：比色法、干

12、涉法针孔检测：腐蚀法、电化学法C-V性能检测在硅基上产生二氧化硅最经济的方法就是热氧化。此工艺中的化学反应如下：二氧化硅的热氧化设备a)氧化初始阶段 b)氧化层的形成 c）氧化层的生长由颜色来确定氧化层厚度氧化炉2、化学气相淀积技术、化学气相淀积技术CVD：Chemical Vapor Deposition定义：使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，定义：使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成），形成使气态物质经化学反应（热解或化学合成），形成固态物质淀积在衬底上。相对的蒸发和溅射为物理固态物质淀积在衬底上。相对的蒸发和溅射为物理气相淀积。气相淀积。特点：温

13、度低、均匀性好、通用性好、台阶覆盖性特点：温度低、均匀性好、通用性好、台阶覆盖性能好，适合大批量生产。能好，适合大批量生产。化学气相淀积技术（化学气相淀积技术（CVD）分类分类：按照淀积温度：按照淀积温度：低温（低温（200500）中温（中温（5001000）高温（高温（10001200）按照反应压力：按照反应压力：常压、低压常压、低压按反应壁温度：按反应壁温度：热壁、冷壁热壁、冷壁按反应激化方式：热激活按反应激化方式：热激活 等离子体激活等离子体激活 光激活光激活常用CVD常压冷壁：（APCVD）用于生长掺杂与不掺杂的二氧化硅低压热壁：（LPCVD）用于生长多晶硅与氮化硅等离子体激活（PEC

14、VD）可以降低反应所需温度，常用于生长氮化 硅，作最后钝化层使用CVD中的化学反应常用三种薄膜的化学反应：二氧化硅氮化硅多晶硅CVD工艺特点：（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成;设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。常压化学气相淀积特点:用于SiO2的淀积 PWS5000：SiH4+O2=SiO2+H2O100mm：10片，125mm:8片Time:15minTe

15、mp:3804506厚度均匀：5低压化学气相淀积应用情况多晶硅：SiH4/Ar(He)620Si3N4:SiH2Cl2+NH3 750800PSG:SiH4+PH3+O2 450BSG:B2H6+O2 450SiO2:SiH2Cl2+NO2 910等离子体化学气相淀积 特点：温度低200350，适用于布线隔离Si3N4:SiH2Cl2+NH3PSG:SiH4+PH3+O2 三种主要CVD工序的总结和比较CVDCVD工艺工艺压强压强/温度温度通常的淀积速通常的淀积速率率1010-10-10米米/分分优点优点缺点缺点应用应用APCVD 10010kPa350400SiO2：700简单、高速、低温覆

16、盖度较差微粒污染掺杂或非掺杂氧化物LPCVD18汞柱550900SiO2：50180Si3N4：3080多晶硅：3080纯度高和均匀性高，晶片容量大温度高高淀积速率掺杂或非掺杂氧化物、氮化物、晶体硅、钨PECVD0.25汞柱300400Si3N4：300350较低的衬底温度快、好的附着性易受化学污染在金属上和钝化物的低温绝缘体3.3.外延沉积外延沉积概念：在单晶体基底生长同样单晶体材料的薄膜 特点：生长的外延层能与衬底保持相同的晶向外延速率可控制更加精确利用外延层可以有效控制准三维结构深度微电子工业中有几种技术可用于外延沉积气相外延(VPE)分子束外延(MBE)金属有机物CVD(MOCVD)互

17、补金属氧化物半导体(CMOS)外延用于外延淀积的反应物气体反应物蒸气正常工艺温度正常淀积速率m/min需要的能量供给eVSiH410000.10.51.61.7SiH2Cl211000.10.80.30.6SiHCl311750.20.80.81.0SiCl412250.21.01.61.7在上页中用SiH4蒸气在硅衬底上生长硅膜是其中最简单的一种。在约1000时，通过简单的分解可生产硅，如下式所示：系统示意图外延生长程序(1)N2预冲洗260L/min 4min(2)H2预冲洗260L/min 5min(3)升温1 850C 5min(4)升温2 1170C 6min(5)HCl排空1.3L

18、/min 1min(6)HCl抛光1.3L/min 3min(7)H2冲洗(附面层)260L/min 1min问题：淀积和外延，什么区别？为什么外延出的是单晶，淀积出的是多晶？对基底、设备、环境要求如何？三、三、光刻光刻(Lithography)定义：定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术种类：接触式，接近式，投影式种类：接触式，接近式，投影式重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤，是一个重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤，是一个复杂的工艺流程复杂的工艺流程工艺过程：备片工艺过程：备片清洗清洗烘干烘干甩胶甩胶前烘前烘对准对准曝光曝光显影显影坚膜坚膜腐蚀工艺等腐蚀工艺等去胶去胶光刻的

19、目的：在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。四、四、金属化：溅射和蒸发金属化：溅射和蒸发蒸发和溅射是制备金属结构层和电极的主要方法。是物理气相淀积的方法。金属材料的要求良好的导电性容易形成良好的欧姆接触与硅和二氧化硅粘附性好能用蒸发或溅射的方法形成薄膜易于光刻，实现图形化常用金属材料：Al,Au,Ag,Pt,W,Mo,Cr,Ti集成电路对金属化的要求1.对P+或N+形成欧姆接触,硅/金属接触电阻越小越好，良好的导电性2.低阻互连线,引线电阻越小越好3.抗迁徙4.良好的附着性5.耐腐蚀6.易于淀积和光刻7.易键合8.层与层之间不扩散1、蒸

20、发、蒸发定义定义：将制膜材料和被制膜基板在真空室中加热到相当高：将制膜材料和被制膜基板在真空室中加热到相当高的温度，使之蒸发或升华形成金属蒸汽，在硅片表面淀积的温度，使之蒸发或升华形成金属蒸汽，在硅片表面淀积形成金属薄膜的工艺。形成金属薄膜的工艺。分类：分类：电阻、高频、激光、电子束加热电阻、高频、激光、电子束加热真空镀膜机：真空镀膜机：真空镀膜室：钟罩、加热器、挡板、底盘真空镀膜室：钟罩、加热器、挡板、底盘抽气系统：抽气系统：10-510-2Pa,真空泵和扩散泵真空泵和扩散泵真空测量仪器：热偶、热阴极电离、高频火花真空测量仪器：热偶、热阴极电离、高频火花蒸发蒸发Al工艺工艺挂置挂置Al丝，清

21、洗并放置硅片丝，清洗并放置硅片抽真空：机械泵、扩散泵，抽真空：机械泵、扩散泵，7 10-3Pa衬底加热衬底加热熔球，预蒸发和蒸发熔球，预蒸发和蒸发冷却、取出硅片冷却、取出硅片合金化，形成欧姆接触。合金化，形成欧姆接触。577 C质量分析质量分析厚度控制和测量：时间控制，电阻法，天平称量厚度控制和测量：时间控制，电阻法，天平称量铝膜表面氧化铝膜表面氧化电子束蒸发电子束蒸发原理：利用经过高压加速并聚焦的电子束，在真空中直原理：利用经过高压加速并聚焦的电子束，在真空中直接打到源表面，将源蒸发并淀积到衬底表面形成薄膜。接打到源表面，将源蒸发并淀积到衬底表面形成薄膜。设备：偏转电子枪真空镀膜机设备：偏转

22、电子枪真空镀膜机优点优点淀积的淀积的Al膜纯度高，钠离子玷污少膜纯度高，钠离子玷污少台阶覆盖性能好台阶覆盖性能好采用红外线加热衬底，工作效率高采用红外线加热衬底，工作效率高缺点：缺点：X射线破坏硅表面晶体；射线破坏硅表面晶体；压力大于压力大于10Pa时会引起放电。时会引起放电。问题：热蒸发问题：热蒸发与电子束蒸发与电子束蒸发的比较的比较2、溅射、溅射原理：惰性气体（原理：惰性气体（Ar）在真空室中高电场）在真空室中高电场作用下电离，产生的正离子被强电场加速作用下电离，产生的正离子被强电场加速形成高能离子流轰击溅射靶，靶（源）原形成高能离子流轰击溅射靶，靶（源）原子和分子离开固体表面，以高速溅射

23、到阳子和分子离开固体表面，以高速溅射到阳极（硅片）上淀积形成薄膜。极（硅片）上淀积形成薄膜。分类：直流溅射、等离子体溅射、高频溅分类：直流溅射、等离子体溅射、高频溅射、磁控溅射射、磁控溅射合金化合金化目的：使接触孔中的铝与硅之间形成低欧姆接触，并增加铝与二氧化硅之间的附着力，使互连线和压焊点牢固的固定在硅片上。关键：合金温度和合金时间的控制。对于需要形成良好电接触的区域，合金化是一对于需要形成良好电接触的区域，合金化是一个必需的工艺个必需的工艺五、刻蚀五、刻蚀选用适当的腐蚀剂，将掩膜层或衬底刻穿选用适当的腐蚀剂，将掩膜层或衬底刻穿或减薄，以获得完整、清晰、准确的光刻或减薄，以获得完整、清晰、准

24、确的光刻图形或结构的技术图形或结构的技术腐蚀必须具有选择性，腐蚀剂应对光刻胶腐蚀必须具有选择性，腐蚀剂应对光刻胶或掩膜层不腐蚀或掩膜层不腐蚀腐蚀因子：腐蚀深度与横向腐蚀量之比腐蚀因子：腐蚀深度与横向腐蚀量之比分类：干法等离子体腐蚀和湿法腐蚀分类：干法等离子体腐蚀和湿法腐蚀VLSL对图形转移的要求-保真度VLSL对图形转移的要求-选择性VLSL对图形转移的要求-均匀性VLSL对图形转移的要求-清洁度刻蚀方法-湿法刻蚀湿法刻蚀:利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。三个步骤：1）反应物扩散到被刻蚀的材料表面；2）反应物与被刻蚀薄膜反应；3）反应后的产物从刻

25、蚀表面扩散到溶液中，并随溶液被排出。刻蚀方法-干法刻蚀特点:利用刻蚀气体辉光放电形成的等离子体进行刻蚀。优点:各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。缺点：成本高，设备复杂。分类：物理性、化学性、物理化学性刻蚀。六、六、净化和清洗净化和清洗清洗：除去器件制造过程中偶然引入的“表面玷污”杂质（来自加工过程或清洗），如颗粒、杂质膜、物理吸附或化学吸附等。清洗是一个必需的复杂的工艺过程。清洗过程必须遵循固定的程序和顺序。硅片的清洗：原始硅片、工艺环节前、甩胶前、去胶后等；清洗液有机溶剂：去除有机杂质（油脂、蜡等），常用甲

26、苯、丙酮、乙醇等；无机酸：去除金属、金属离子和氧化物等，常用盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸和王水等；洗 液：重铬酸钾与过量的浓硫酸混合液，是强氧化剂，去除金属及氧化物、油膜等；I、II号液：以双氧水为基础。I号为碱性，II号为酸性。一般清洗技术工艺清洁源容器清洁效果剥离光刻胶氧等离子体平板反应器刻蚀胶去聚合物H2SO4:H2O=6:1溶液槽除去有机物去自然氧化层HF:H2O1:50溶液槽产生无氧表面旋转甩干氮气甩干机无任何残留物RCA1#(碱性)NH4OH:H2O2:H2O=1:1:1.5溶液槽除去表面颗粒RCA2#(酸性)HCl:H2O2:H2O=1:1:5溶液槽除去重金属粒子DI清洗去离子水溶液

27、槽除去清洗溶剂净化保证半导体工艺环境保持洁净保证半导体工艺环境保持洁净污染来源：污染来源：环境中的尘埃、杂质、有害气体；环境中的尘埃、杂质、有害气体；工作人员、设备、工具、药品等带入的杂质。工作人员、设备、工具、药品等带入的杂质。净化标准：以直径大于净化标准：以直径大于0.5 m的尘埃数衡量，分五级。的尘埃数衡量，分五级。相对湿度要求相对湿度要求4045%。净化方式：空气过滤、洁净室、超净工作台。净化方式：空气过滤、洁净室、超净工作台。风淋、工作服、鞋、物品传递箱等风淋、工作服、鞋、物品传递箱等七、键合、装配和封装当单独硅片上的工艺完成后，为最终实现具备当单独硅片上的工艺完成后，为最终实现具备

28、设计功能的器件所做的后续工艺。设计功能的器件所做的后续工艺。步骤：释放步骤：释放划片划片分离分离分选分选粘片粘片检验检验键合引线键合引线检验检验多芯片装配多芯片装配检验检验封装封装终测终测商业化器件封装成本占商业化器件封装成本占80%以上。以上。目的：目的：形成最终结构，实现最终功能；形成最终结构，实现最终功能；对器件进行保护，防止冲击和腐蚀；对器件进行保护，防止冲击和腐蚀；便于安装和器件散热等。便于安装和器件散热等。集成电路封装工艺流程各种封装类型示意图作业主要有那两种掺杂工艺，各有什么优势？化学气相淀积和化学气相外延工艺的原理是什么？两种工艺的主要区别是什么？主要的两种金属化镀膜工艺是什么？各有什么特点？干法腐蚀和湿法腐蚀有什么区别？