技術-工藝4半導體工藝梁庭

技術——工藝4半導體工藝梁庭第1頁/共105頁作業(yè)一一、技術發(fā)展現狀發(fā)展歷史；市場應用情況；主要技術原理二、代表性成果產品；有影響的論文；專利；品牌等原理簡介；典型結構；性能指標；優(yōu)勢缺點；應用前景；三、代表性的研究團隊公司、研究所、大學；四、感想如果將來從事這一領域的工作，準備從事的研究方向是什么，原因？要求：每個大部分必須有，其中的小點視具體情況自行安排，可增可減第2頁/共105頁作業(yè)二請思考，能否將日常生活中某一個事物進行信息化改造，將MEMS技術應用其中，從而產生新的應用和功能，對所需要的技術進行簡要的原理和技術分析，并對其實現的可行性進行力所能及的可行性評估。并形成一個word形式的報告。第3頁/共105頁MEMS工藝

——半導體制造技術梁 庭

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Liangting@第4頁/共105頁FabricationProcess/publications/helvajian/helvajian-2.html第5頁/共105頁一、摻雜摻雜定義：就是用人為的方法，將所需的雜質（如磷、硼等），以一定的方式摻入到半導體基片規(guī)定的區(qū)域內，并達到規(guī)定的數量和符合要求的分布，以達到改變材料電學性質、制作PN結、集成電路的電阻器、互聯線的目的。摻雜的主要形式：注入和擴散

第6頁/共105頁1.擴散定義：在一定溫度下雜質原子具有一定能量，能夠克服阻力進入半導體并在其中做緩慢的遷移運動。形式：替代式擴散和間隙式擴散

恒定表面濃度擴散和再分布擴散第7頁/共105頁替位式擴散：雜質離子占據硅原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的溫度(950～1280℃)下進行磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴散系數均遠小于在硅中的擴散系數，可以利用氧化層作為雜質擴散的掩蔽層間隙式擴散：雜質離子位于晶格間隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素擴散系數要比替位式擴散大6～7個數量級第8頁/共105頁第9頁/共105頁擴散工藝主要參數結深：當用與襯底導電類型相反的雜質進行擴散時，在硅片內擴散雜質濃度與襯底原有雜質濃度相等的地方就形成了pn結，結距擴散表面的距離叫結深。薄層電阻Rs（方塊電阻）表面濃度：擴散層表面的雜質濃度。第10頁/共105頁擴散的適用數學模型是Fick定律

式中：

F為摻入量

D為擴散率

N每單位體積中摻入濃度第11頁/共105頁擴散方式液態(tài)源擴散：利用保護氣體攜帶雜質蒸汽進入反應室，在高溫下分解并與硅表面發(fā)生反應，產生雜質原子，雜質原子向硅內部擴散。固態(tài)源擴散：固態(tài)源在高溫下汽化、活化后與硅表面反應，雜質分子進入硅表面并向內部擴散。第12頁/共105頁第13頁/共105頁擴散爐第14頁/共105頁第15頁/共105頁工藝控制污染控制：顆粒、有機物、薄膜、金屬離子污染來源：操作者,清洗過程,高溫處理,工具?參量控制：溫度，時間，氣體流量(影響最大?)1.溫度控制：源溫、硅片溫度、升溫降溫、測溫2.時間：進舟出舟自動化,試片3.氣體流量：流量穩(wěn)定，可重復性第16頁/共105頁2.離子注入定義：將摻雜劑通過離子注入機的離化、加速和質量分析，成為一束由所需雜質離子組成的高能離子流而投射入晶片（俗稱靶）內部，并通過逐點掃描完成整塊晶片的注入摻雜深度由注入雜質離子的能量和質量決定摻雜濃度由注入雜質離子的數目(劑量)決定第17頁/共105頁離子注入特點：橫向效應小，但結深淺；雜質量可控；晶格缺陷多基本原理：雜質原子經高能粒子轟擊離子化后經電場加速轟擊硅片表面，形成注入層裝置：離子源、聚焦、分析器、加速管、掃描、偏轉、靶室、真空系統第18頁/共105頁離子注入系統的原理示意圖第19頁/共105頁注入的離子在基底中的分布第20頁/共105頁根據Ruska(1987)，注入離子的濃度N（X）可遵循下面方程式RP

為注入的范圍，umΔRP為分散度或者“離散度”

Q是離子束的劑量（原子數/cm2）第21頁/共105頁硅中常用摻雜劑的離子注入離子范圍Rp，nm分散Rp，nm在30keV能級硼（B）106.539.0磷(P)42.019.5砷(As)23.39.0在100keV能級硼（B）307．069．0磷(P)135．053．5砷(As)67．826．1第22頁/共105頁第23頁/共105頁第24頁/共105頁3、退火定義：一般是利用各種能量形式所產生的熱效應，來消除半導體片在其加工過程中所引起的各種晶格缺陷和內應力，或根據需要使表面材料產生相變和改變表面形態(tài)。定義：將注入離子的硅片在一定溫度和真空或氮、氬等高純氣體的保護下，經過適當時間的熱處理，部分或全部消除硅片中的損傷，少數載流子的壽命及遷移率也會不同程度的得到恢復，摻入的雜質也將的到一定比例的電激活，這樣的熱處理過程稱為退火。第25頁/共105頁普通熱退火退火時間通常為15--30min，使用通常的擴散爐，在真空或氮、氬等氣體的保護下對襯底作退火處理。缺點：清除缺陷不完全，注入雜質激活不高，退火溫度高、時間長，導致雜質再分布。第26頁/共105頁二、表面薄膜技術在IC及MEMS加工技術中，有時候需要在由不同材料構成的大面積的薄膜層中構造功能完善的結構。功能：結構層、犧牲層、鈍化保護、刻蝕掩蔽、鍵合連接、電氣連接、光學傳輸等方式：氧化(Oxidation)、淀積(Deposition)、外延(Epitaxy)、電鍍（Electroplating）

第27頁/共105頁薄膜定義：“薄”——厚度很薄，一般尺度在亞微米到十微米左右決定了其制備工藝控制精度決定了其制造工藝的方法決定了其必須附著于支撐“膜”——在很大面積（整個表面）上連續(xù)分布，除非有意加工，不存在斷裂不連續(xù)區(qū)域。“多孔薄膜”，有孔，但仍然連續(xù)第28頁/共105頁定義：硅與氧化劑反應生成二氧化硅。原理：氧化劑被表面吸附，向膜中擴散，在二氧化硅和硅的接觸界面反應生成新的二氧化硅，接觸界面向深層逐步推進。薄膜的制備——氧化O2H2O干氧典型速度：1200oC，50min，180nm第29頁/共105頁二氧化硅膜的性質（1）1.二氧化硅膜的化學穩(wěn)定性極高，不溶于水，除氫氟酸外，和別的酸不起作用。利用這一性質可作為優(yōu)質的掩蔽膜2.二氧化硅膜的掩蔽性質B、P、As等雜質在SiO2的擴散系數遠小于在Si中的擴散系數。Dsi>>Dsio2SiO2膜要有足夠的厚度。一定的雜質擴散時間、擴散溫度下，有一最小厚度第30頁/共105頁二氧化硅膜的性質（2）3.二氧化硅膜的絕緣性質熱擊穿、電擊穿、混合擊穿：

a.最小擊穿電場（非本征）－－針孔、裂縫、雜質。

b.最大擊穿電場（本征）－－厚度、導熱、界面態(tài)電荷等；氧化層越薄、擊穿電場越低。介電常數3～～4（3.9）第31頁/共105頁常壓氧化技術種類：水汽氧化、干氧氧化、濕氧氧化干氧：二氧化硅膜干燥致密，掩蔽能力強，與光刻膠粘附性好，但氧化速度慢。濕氧：速度快，但二氧化硅疏松，與光刻膠粘附性不好，易脫落。實際工作中，往往用干氧、濕氧、干氧的方法，速度快粘附性好。水汽氧化速度更快，但是質量差，一般不用。第32頁/共105頁在硅基上產生二氧化硅最經濟的方法就是熱氧化。此工藝中的化學反應如下：第33頁/共105頁二氧化硅的熱氧化設備第34頁/共105頁由顏色來確定氧化層厚度第35頁/共105頁氧化爐第36頁/共105頁2、化學氣相淀積技術CVD：ChemicalVaporDeposition定義：使用加熱、等離子體和紫外線等各種能源，使氣態(tài)物質經化學反應（熱解或化學合成），形成固態(tài)物質淀積在襯底上。相對的蒸發(fā)和濺射為物理氣相淀積。特點：溫度低、均勻性好、通用性好、臺階覆蓋性能好，適合大批量生產。第37頁/共105頁常用CVD常壓冷壁：（APCVD）用于生長摻雜與不摻雜的二氧化硅低壓熱壁：（LPCVD）用于生長多晶硅與氮化硅等離子體激活（PECVD）可以降低反應所需溫度，常用于生長氮化硅，作最后鈍化層使用第38頁/共105頁CVD中的化學反應常用三種薄膜的化學反應：二氧化硅氮化硅多晶硅第39頁/共105頁化學氣相淀積LPCVD：成本低，均勻性好，臺階覆蓋好，片子干凈PECVD：溫度低，易于腐蝕，針孔密度小系統：氣體輸入：正硅酸乙酯，硅烷和氨氣，硅烷激活能源：電阻加熱（熱壁），射頻或紫外光（冷壁）氣體排出：氮氣或氬氣保護旋轉裝置：保證均勻性第40頁/共105頁特點:用于SiO2的淀積◆PWS－5000：SiH4+O2=SiO2+H2Oφ100mm：10片，φ125mm:8片Time:15minTemp:380～450℃±6℃厚度均勻：<±5％第41頁/共105頁應用情況多晶硅：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750~800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+NO2910℃第42頁/共105頁三種主要CVD工序的總結和比較CVD工藝壓強/溫度通常的淀積速率10-10米/分優(yōu)點缺點應用APCVD100—10kPa350~400℃SiO2：700簡單、高速、低溫覆蓋度較差微粒污染摻雜或非摻雜氧化物LPCVD1—8汞柱℃550~900℃SiO2：50—180Si3N4：30—80多晶硅：30—80純度高和均勻性高，晶片容量大溫度高高淀積速率摻雜或非摻雜氧化物、氮化物、晶體硅、鎢PECVD0.2—5汞柱300~400℃Si3N4：

300—350較低的襯底溫度快、好的附著性易受化學污染在金屬上和鈍化物的低溫絕緣體第43頁/共105頁3.外延概念：在單晶體基底生長同樣單晶體材料的薄膜特點：生長的外延層能與襯底保持相同的晶向外延速率可控制更加精確利用外延層可以有效控制準三維結構深度第44頁/共105頁微電子工業(yè)中有幾種技術可用于外延沉積分子束外延(MBE)金屬有機物CVD(MOCVD)第45頁/共105頁MBE生長室的基本結構示意圖第46頁/共105頁三、光刻(Lithography)定義：光刻是一種圖形復印和化學腐蝕相結合的精密表面加工技術目的：圖形轉移第47頁/共105頁光刻（Lithography

）

石版（litho）光刻（lithography）寫（graphein）重要性：是不可缺少的工藝步驟，是一個復雜的工藝流程第48頁/共105頁光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體光刻膠受到特定波長光線的作用后，導致其化學結構發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變第49頁/共105頁正膠：曝光后可溶負膠：曝光后不可溶第50頁/共105頁光刻的整個生產過程正膠和負膠工藝正好形成兩種互補的圖形結構第51頁/共105頁幾種常見的光刻方法接觸式光刻：分辨率較高，容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙(10～25m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上第52頁/共105頁三種光刻方式第53頁/共105頁光刻工藝介紹1.晶片清洗

2.脫水和烘干

3.甩膠4.前烘

5.曝光

6.顯影

7.堅膜

8.腐蝕9.去膠

第54頁/共105頁光刻工藝過程作用：保證硅片表面無灰塵、油脂、水，保證粘附性和光刻質量清洗不好，會造成脫膠、表面灰塵導致粘版、部分圖形不感光等光刻缺陷。（1）清洗和烘干表面不干燥，會造成脫膠如果硅片擱置較久或返工，應重新清洗烘干，烘干后立即甩膠。氧化、蒸發(fā)后可立即甩膠，不必清洗。第55頁/共105頁清洗設備超臨界干燥兆聲清洗設備硅片甩干機第56頁/共105頁光刻工藝過程設備：甩膠臺。在硅片表面涂覆一層粘附性好，厚度適當，厚薄均勻的光刻膠。一般采用旋轉法，針對不同的光刻膠黏度和厚度要求，選擇不同的轉速?？煞直婢€寬是膠膜厚度的5~8倍。（2）甩膠第57頁/共105頁第58頁/共105頁光刻工藝過程前烘就是在一定溫度下，使膠膜里的溶劑緩慢地揮發(fā)出來，使膠膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的溫度和時間隨膠的種類和膜厚不同而有所差別。方法：80C下10－15分鐘。（3）前烘第59頁/共105頁光刻工藝過程設備：光刻機對準：使掩膜的圖形和硅片上的圖形精確套合。曝光：對光刻膠進行選擇性光化學反應，使光刻膠改變在顯影液中的溶解性。通常采用紫外接觸曝光法光刻膠：高靈敏度，高反差，均勻，產量大。（4）對準和曝光第60頁/共105頁在多次光刻中，套刻對準是實現多層結構的關鍵因素。第61頁/共105頁光刻機（ｋａｒｌＳｕｓｓ）第62頁/共105頁投影光刻機（UltraＳｔｅｐ１０００，１１００）第63頁/共105頁光刻工藝過程正膠去曝光部分，負膠去未曝光部分部分光刻膠需要超聲顯影顯影時間根據光刻膠種類、膜厚、顯影液種類、顯影溫度和操作方法確定。顯影后檢查光刻質量，不合格的返工。（5）顯影(Development)第64頁/共105頁顯影臺甩干機刷版機顯影臺烘箱第65頁/共105頁光刻工藝過程除去顯影時膠膜吸收的顯影液和水分，改善粘附性，增強膠膜抗腐蝕能力。堅膜的溫度和時間要適當堅膜時間短，抗蝕性差，容易掉膠；堅膜時間過長，掩膜難以去除，或開裂。腐蝕時間長的可以采取中途多次堅膜（6）堅膜第66頁/共105頁光刻工藝過程用適當的腐蝕劑對顯影后暴露的表面進行腐蝕，獲得光刻圖形干法腐蝕和濕法腐蝕SiO2：HF，BHFAl：磷酸（70~90C，加乙醇或超聲去氣泡）；高錳酸鉀（40~50C），多晶硅：CF4PLASMA，加入2~6%O2Si3N4：CF4，加入C2H4乙烯或H2（7）腐蝕第67頁/共105頁光刻工藝過程溶劑去膠：含氯的烴化物做去膠劑。氧化去膠：強氧化劑，如濃硫酸，雙氧水和氨水混合液等離子體去膠剝離工藝（8）去膠第68頁/共105頁剝離工藝（Lift-Off）在光刻工藝中，有一種代替刻蝕方法的工藝，我們稱之為剝離工藝（Lift-Off）。在剝離工藝中，首先形成光刻圖形，然后沉積薄膜，最后用化學試劑去除光刻膠，此時連同不需要的薄膜一同除去，這個過程正好與刻蝕過程相反。第69頁/共105頁第70頁/共105頁第71頁/共105頁第72頁/共105頁第73頁/共105頁四、金屬化：濺射和蒸發(fā)蒸發(fā)和濺射是制備金屬結構層和電極的主要方法。是物理氣相淀積的方法。金屬材料的要求良好的導電性容易形成良好的歐姆接觸與硅和二氧化硅粘附性好能用蒸發(fā)或濺射的方法形成薄膜易于光刻，實現圖形化常用金屬材料：Al,Au,Ag,Pt,W,Mo,Cr,Ti第74頁/共105頁1、蒸發(fā)定義：將制膜材料和被制膜基板在真空室中加熱到相當高的溫度，使之蒸發(fā)或升華形成金屬蒸汽，在硅片表面淀積形成金屬薄膜的工藝。分類：電阻、高頻、激光、電子束加熱真空鍍膜機：真空鍍膜室：鐘罩、加熱器、擋板、底盤抽氣系統：10-5~10-2Pa,真空泵和擴散泵真空測量儀器：熱偶、熱陰極電離、高頻火花第75頁/共105頁第76頁/共105頁電子束蒸發(fā)原理：利用經過高壓加速并聚焦的電子束，在真空中直接打到源表面，將源蒸發(fā)并淀積到襯底表面形成薄膜。設備：偏轉電子槍真空鍍膜機優(yōu)點淀積的Al膜純度高，鈉離子玷污少臺階覆蓋性能好采用紅外線加熱襯底，工作效率高缺點：X射線破壞硅表面晶體；壓力大于102Pa時會引起放電。第77頁/共105頁2、濺射原理：惰性氣體（Ar）在真空室中高電場作用下電離，產生的正離子被強電場加速形成高能離子流轟擊濺射靶，靶（源）原子和分子離開固體表面，以高速濺射到陽極（硅片）上淀積形成薄膜。分類：直流濺射、等離子體濺射、高頻濺射、磁控濺射第78頁/共105頁高頻濺射在絕緣材料的背面加上一個金屬電極，加上高頻電壓，使絕緣材料中產生位移電流，實現絕緣材料的濺射淀積。頻率：10MHz特點：不需要熱陰極，能在較低的氣壓和電壓下進行濺射，可以濺射多種材料的絕緣介質膜。第79頁/共105頁磁控濺射可濺射各種合金和難熔金屬；磁控濺射中襯底可不加熱，從陰極表面發(fā)射的二次電子由于受到磁場的束縛而不再轟擊硅片，避免了硅片的溫升及器件特性的退化。第80頁/共105頁平板型磁控濺射源示意圖由于在陰極面上存在極強的磁場，電子受洛倫茲力作用而被限制在陰影區(qū)內，沿著類似擺線的軌跡運動（虛線），于是增加了電子與氣體的碰撞次數，增加了等離子體的密度，提高了濺射速率。第81頁/共105頁真空蒸發(fā)與濺射成膜的比較蒸發(fā)濺射沉積速度較快較慢（磁控除外）膜的致密性很好更好膜與基板結合力較差牢固膜中含氣量很少較多膜材選擇性各材蒸汽壓相差大各材濺射率相差小操作要求操作要求較高，工藝重復性差工藝重復性好，易實現自動化第82頁/共105頁合金化目的：使接觸孔中的鋁與硅之間形成低歐姆接觸，并增加鋁與二氧化硅之間的附著力，使互連線和壓焊點牢固的固定在硅片上。關鍵：合金溫度和合金時間的控制。

對于需要形成良好電接觸的區(qū)域，合金化是一個必需的工藝第83頁/共105頁五、刻蝕選用適當的腐蝕劑，將掩膜層或襯底刻穿或減薄，以獲得完整、清晰、準確的光刻圖形或結構的技術腐蝕必須具有選擇性，腐蝕劑應對光刻膠或掩膜層不腐蝕腐蝕因子：腐蝕深度與橫向腐蝕量之比分類：干法等離子體腐蝕和濕法腐蝕第84頁/共105頁VLSL對圖形轉移的要求---保真度第85頁/共105頁VLSL對圖形轉移的要求---選擇性第86頁/共105頁VLSL對圖形轉移的要求---均勻性第87頁/共105頁VLSL對圖形轉移的要求---均勻性

邊緣腐蝕速率超過中間的部分，腐蝕結果。腐蝕停技術的應用可以做出非常光滑的腐蝕表面第88頁/共105頁VLSL對圖形轉移的要求---清潔度第89頁/共105頁刻蝕方法--濕法刻蝕?濕法刻蝕:利用溶液與預刻蝕材料之間的化學反應來去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而達到刻蝕目的。?三個步驟：1）反應物擴散到被刻蝕的材料表面；2）反應物與被刻蝕薄膜反應；3）反應后的產物從刻蝕表面擴散到溶液中，并隨溶液被排出。第90頁/共105頁刻蝕方法--干法刻蝕?特點:利用刻蝕氣體輝光放電形成的等離子體進行刻蝕。?優(yōu)點:各向異性好，選擇比高，可控性、靈活性、重復性好，細線條操作安全，易實現自動化，無化學廢液，處理過程未引入污染，潔凈度高。?缺點：成本高，設備復雜。?分類：物理性、化學性、物理化學性刻蝕。第91頁/共105頁物理性刻蝕?機理：利用輝光放電將惰性氣體解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕物的表面，并將被刻蝕物材料的原子擊出。?設備：離子銑?特點：1.純粹的機械過程，對所有材料都可實現強的各向異性刻蝕。但選擇性差2.刻出物易再淀積；3.易對下面結構造成損傷；第92頁/共105頁?機理：利用等離子中的化學活性原子團與被刻蝕材料發(fā)生化學反應，從而實現刻蝕目的。由于刻蝕的核心還是化學反應，因而刻蝕效果與濕法腐蝕相近，各向異性較差，但選擇性很好。利用ICP技術，將等離子體密度加大，并加以較強的直流偏置，在刻蝕與鈍化交替進行的步驟下，可以實現非常高深寬比的刻蝕。（BOSCH工藝）化學性刻蝕第93頁/共105頁物理化學性刻蝕?機理：物理性的離子轟擊和化學反應相結合實現的刻蝕。?設備：反應離子刻蝕機（RIE)?傳統的RIE設備結構簡單、價格較低廉。通過適當選擇反應氣體、氣壓、流量和射頻功率，可以得到較快的刻蝕速率和良好的各向異性。?特點：1.選擇比較高；2.各向異性較好，3.刻蝕速度較快第94頁/共105頁?離子轟擊的作用：1.將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞；2.將再淀積于被刻蝕表面的產物或聚合物打掉第95頁/共105頁DRIE、ICP刻蝕工藝第96頁/共105頁六、凈化和清洗清洗：除去器件制造過程中偶然引