微細(xì)加工技術(shù)課件

其它微細(xì)加工技術(shù)本節(jié)著重討論化學(xué)刻蝕和化學(xué)拋光的微細(xì)加工方法。化學(xué)刻蝕是以照相制版技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種加工方法。它適用于對厚度從數(shù)十微米到數(shù)百微米的薄片或幾微米乃至亞微米的薄膜進(jìn)行打孔、開槽、雕刻等微細(xì)加工。這種方法不會出現(xiàn)加工變形、加工硬化、飛邊和毛刺等現(xiàn)象，而且不受材料硬度的限制，因此在精密電子器件及精密機(jī)械零件的生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。化學(xué)拋光能有選擇地溶解材料表面上那些微小的凸出部分。采用此法的設(shè)備簡單，且被拋光的零件尺寸和數(shù)量只受拋光槽大小的限制，因此適于大面積拋光和在多件處理的情況下使用，也可對各種半導(dǎo)體材料進(jìn)行拋光。第一節(jié)化學(xué)方法的微細(xì)加工一、化學(xué)刻蝕

1．一般化學(xué)刻蝕

金屬材料和強(qiáng)酸堿等刻蝕液一經(jīng)接觸，由于發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被溶解。當(dāng)將表面上覆有光刻膠圖形的材料和刻蝕液接觸時(shí)，沒有受到光刻膠保護(hù)的地方漸漸洼了下去，不久就穿透成為窗口。若使刻蝕一直進(jìn)行到窗口部分的尺寸達(dá)到所要求的大小為止，就能得到符合規(guī)格的產(chǎn)品。作為鐵、銅、不銹鋼等常用材料的刻蝕液，廣泛使用三氯化鐵(FeCl3)。各種材料的刻蝕液如表1—2所示。側(cè)面刻蝕”或“鉆蝕”刻蝕不僅沿厚度方向，而且也沿橫方向進(jìn)行，一般稱為“側(cè)面刻蝕”或“鉆蝕”。

由于存在側(cè)面刻蝕，使刻蝕成的窗口常比光刻膠窗口尺寸大些。為了修正，就要從設(shè)計(jì)值中減去刻蝕余量?？涛g余量的大小與被加工材料、刻蝕液的種類及被加工材料的厚度等許多因素有關(guān)，須用實(shí)驗(yàn)來確定。側(cè)面刻蝕越小，刻蝕系數(shù)越大，則刻蝕部分的側(cè)面越陡，因此產(chǎn)品尺寸的精度就越穩(wěn)定。

雙面刻蝕

雙面刻蝕比單面刻蝕的側(cè)面刻蝕量明顯減少，故可使刻蝕系數(shù)得到改善，且還具有使刻蝕時(shí)間縮短一半的優(yōu)點(diǎn)。因此，當(dāng)需要加工貫通窗口時(shí)，往往進(jìn)行雙面刻蝕

刻蝕的方式對于刻蝕系數(shù)有很大的影響。靜止的刻蝕液，因循環(huán)不善，故反應(yīng)也遲鈍。如果用一定壓力進(jìn)行噴吹，則因反應(yīng)面上刻蝕液的供給狀況獲得改善而使刻蝕的速度提高，則刻蝕系數(shù)也相應(yīng)增加。因此：最近廣泛使用一種用泵加壓，使刻蝕液以噴嘴噴出的噴霧刻蝕機(jī)。在這類機(jī)械中加工材料有垂直夾持的，也有水平夾持的，兩者都能從兩面噴射刻蝕液，而且噴射時(shí)噴嘴作扇狀擺動，以便對全部加工面進(jìn)行均勻的刻蝕。

2．電解化學(xué)刻蝕

將表面覆蓋有光刻膠圖形的材料放進(jìn)電解液中，接到陽極上，再以鉛等作陰極進(jìn)行電解，就會因陽極氧化作用而產(chǎn)生刻蝕(圖1—10)。這種加工方法只能加工金屬材料，并采用表1—3的電解液。此法的技術(shù)難點(diǎn)較多，例如難以使電流密度保持均勻；由于過電壓作用，被加工材料的刻蝕面會被鈍化，因而會使刻蝕停止等，故不適于批量生產(chǎn)。但若采用與電解拋光相近的條件進(jìn)行處理，則能得到非常光滑的刻蝕表面，其側(cè)面刻蝕量與一般化學(xué)刻蝕大致相同。

3．剝膜與精整

如果窗口部分的尺寸通過刻蝕達(dá)到了規(guī)定的尺寸，就要進(jìn)行充分的水洗，以便把刻蝕液全部除去，并立即進(jìn)入剝膜液中。對水溶液性光致光刻膠使用的剝膜液是加熱的堿溶液，而溶劑型光致光刻膠則使用規(guī)定的溶劑剝膜液。光刻膠一經(jīng)和剝膜液接觸便很容易分離或溶解，所以用水洗既能徹底地將光刻膠的殘?jiān)蛩幤窔堅(jiān)?，此后再甩去水分并用熱風(fēng)干燥。如果使用的是表面易于被氧化的材料，則在浸漬了熱水和酒精之后即進(jìn)行干燥，便能得到?jīng)]有水跡的清潔表面。二、化學(xué)拋光

所謂化學(xué)拋光就是有選擇性地溶解材料表面微小凹凸中的凸出部分，從而使表面光滑的一種加工方法。由于這種方法能出現(xiàn)化學(xué)光澤，所以自古以來就被稱為光澤浸漬，并廣泛應(yīng)用于銅合金等的表面處理。近年來對不同金屬適用溶液的研究成功，使化學(xué)拋光有了很大的發(fā)展?；瘜W(xué)拋光的設(shè)備比較簡單，所能拋光的零件尺寸和數(shù)量僅受拋光液槽大小的限制，這對于大面積或多件處理是有利的，且對于復(fù)雜形狀工件容易得到均勻的拋光效果。1．化學(xué)拋光的機(jī)理 化學(xué)拋光時(shí)，為何工件表面的凸部比凹部優(yōu)先溶解，這就要將化學(xué)拋光作用的機(jī)理分為兩個階段來認(rèn)識。在拋光過程中，如果是去除較粗糙的表面不平度，即相當(dāng)于能獲得平均數(shù)為數(shù)微米到數(shù)十微米的光潔面，，這稱為宏觀拋光。如果使晶粒間交界附近的結(jié)晶體的不完整部分被平滑化，所去除的微小凸凹約為l／100—1／10μm，則稱為微觀拋光。

設(shè)金屬板M浸泡在拋光液中。由于材料的不均勻會引起局部電位的高低不一，從而形成局部短路的微電池，使陽極發(fā)生局部溶解。在這種情況下，被放出來的電子通過金屬內(nèi)部流到陰極，參與陰極反應(yīng)(圖中的I)。若把金屬板通過外接電源和另外的金屬板C靠近接在一起，并升高

陽極M的電位，則M中的局部陰極區(qū)便逐漸減少(圖中的II)，直至完全消失(圖中的III)。這時(shí)，金屬板M作為單一陽極使用的狀況就相當(dāng)于電解拋光。無論是一般的化學(xué)拋光或是電解拋光，由于工藝條件及材料本身的影響，都可能像圖中的II那樣的狀態(tài)下進(jìn)行拋光。在材料質(zhì)地極不均勻的情況下進(jìn)行電解拋光時(shí)，也會出現(xiàn)陽極局部溶解，而在化學(xué)拋光時(shí)由于短路電池的作用，卻能減少局部陰極的影響，但化學(xué)拋光時(shí)不能完全去除陰極反應(yīng)的影響，這是化學(xué)拋光效果要比電解拋光效果差的原因之一。

2．化學(xué)拋光的條件化學(xué)拋光最重要的條件是溶液溫度和拋光時(shí)間。(1)溶液溫度溶解速度隨著溶液溫度的提高而顯著增加。此外，強(qiáng)氧化性的酸，例如硝酸、硫酸等，在高溫時(shí)氧化作用十分顯著，在化學(xué)拋光中，由于這些酸的溶解作用和氧化作用會同時(shí)發(fā)生，故在多數(shù)情況下都是把溶液加熱到較高的溫度進(jìn)行化學(xué)拋光的。需要提高溫度進(jìn)行化學(xué)拋光的有鋼鐵、鎳、鉛等，若溫度低于某一定值，就會出現(xiàn)失去光澤的腐蝕表面，故存在著一個形成光澤面的臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)以上的某一溫度范圍內(nèi)拋光的效果最好，而在這個溫度范圍內(nèi)又因液體的組成不同而異。如果高于這個溫度范圍，會形成點(diǎn)蝕、局部污點(diǎn)或斑點(diǎn)，使整個拋光效果降低。此外，溫度越高材料的溶解損失也越大。(2)拋光時(shí)間拋光時(shí)間過短，難以得到有光澤的表面；拋光時(shí)間過長，不僅使材料溶解損失增大，而且使加工表面出現(xiàn)污點(diǎn)或斑點(diǎn)。所以通常存在一個最適當(dāng)?shù)臅r(shí)間范圍，此范圍常由實(shí)驗(yàn)決定。化學(xué)拋光往往同時(shí)產(chǎn)生氫氣，這在拋光氫脆敏感性材料必須注意的問題。另外，浴溫高達(dá)100—200°C時(shí)，還會發(fā)生退火作用。為了把氫脆或退火作用的影響減到最小，必須在最適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)選擇盡可能短的拋光時(shí)間。3.金屬的化學(xué)拋光為了獲得化學(xué)拋光的效果，必須使金屬表面溶解，并在表面上形成液體膜或固體膜。因此，金屬的拋光液必須具有溶解金屬和形成保護(hù)膜的能力。由于用一種成分來完成上述兩種機(jī)能是很困難的，因此化學(xué)拋光液一般都是由兩種以上的成分組成的，其中每種成分都起一定的作用。用作溶解金屬的成分一般是酸，其中用得較多的是H2S04、HN03、HCl、H3P04和HF等強(qiáng)酸，而對鋁那樣的兩性金屬也有用Na0H的。在這些酸中由于高濃度的磷酸及硫酸都有較高的粘度，有形成液體膜擴(kuò)散層的作用，故用這一種成分也具有兩種功能。這是化學(xué)拋光液的組成中，重視采用硫酸或磷酸的理由。為了提高粘度而使擴(kuò)散層容易形成，可以加進(jìn)像明膠或甘油之類的提高粘度的添加劑。為了促進(jìn)固體膜的形成，則可加入以硝酸或鉻酸為首的強(qiáng)氧化劑。

4．半導(dǎo)體的化學(xué)拋光

各種半導(dǎo)體器件基片的拋光，除了平滑化和光澤化之外，還特別要求整個基片的平坦性。因此，半導(dǎo)體基片在機(jī)械研磨平坦后，還要進(jìn)行最終的化學(xué)拋光或電解拋光。在電解拋光時(shí)，由于所通過的電流隨半導(dǎo)體的電阻率和載流子的符號而變化，因此要對摻雜不均的微細(xì)電路基片進(jìn)行均勻的拋光是相當(dāng)困難的。然而在化學(xué)拋光時(shí)，受摻雜不均的影響程度要比電解拋光小得多。另外，在電解拋光時(shí)，為了便于對電阻率高的半導(dǎo)體基片通電，必須在其背面全部電鍍以接上引線，而化學(xué)拋光則不需要通電的手續(xù)，故較為方便。關(guān)于Ge(鍺)和Si(硅)的化學(xué)拋光，采用的是HF和HNO3的混合液，并以種種不同的濃度和混合比來使用，其中最常用的配方是：硝酸25ml，氫氟酸15mL，冰醋酸15ml。有時(shí)在上述的配方中還加進(jìn)0．3mL的溴。對于GaAs(砷化鎵)或GaP(磷化鎵)、InSb(銻化銦)等III—V族化合物半導(dǎo)體的化學(xué)拋光，是將C12(氯)或Br(溴)等溶進(jìn)甲醇及冰醋酸等有機(jī)液體中。這樣制成的拋光液是很有效的，但對于Si或Ge卻不大有效。對上述兩種材料均有較好拋光效果的是NaCl或H2O2十NH4OH的水溶液。利用浸泡拋光液進(jìn)行拋光所得的表面不十分平坦，特別是使基片的拐角變圓滑。為了消除這些缺點(diǎn)，采用旋轉(zhuǎn)拋光盤的方式進(jìn)行拋光

第二節(jié)電化學(xué)的微細(xì)加工

電化學(xué)加工是微細(xì)加工中的一個組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對它的要求也在急劇增長。如高真度、高可靠和截面形狀特殊的工件的復(fù)制，以及高硬度、高韌性的耐熱鋼之類的難加工材料等，都可采用電化學(xué)的微細(xì)加工。本節(jié)著重討論電鑄加工、電解加工、電解磨削和電解拋光的原理和制造工藝。

一、電鑄加工

電鑄加工是利用電化學(xué)陰極沉積來進(jìn)行加工的一種特種加工方法。

1電鑄加工的原理

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電鑄加工原理1-電鑄槽2-陽極3-電源4-電鑄層5-陰極（原模）6-加熱器7-攪拌器8-電鑄液9過濾器10-泵電鑄加工，用可導(dǎo)電的原模作陰極，用電鑄材料(例如純銅)作陽極，用電鑄材料的金屬鹽(例如硫酸銅)溶液作電鑄鍍液，在直流電源的作用下，陽極上的金屬原子交出電子成為正金屬離子進(jìn)入鍍液，并進(jìn)一步在陰極上獲得電子成為金屬原子而沉積鍍復(fù)在陰極原模表面，陽極金屬源源不斷成為金屬離子補(bǔ)充溶解進(jìn)入電鑄鍍液，保持濃度基本不變，陰極原模上電鑄層逐漸加厚，當(dāng)達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)即可取出，設(shè)法與原模分離，即可獲得與原模型面凹凸相反的電鑄件。

2電鑄加工的特點(diǎn)能準(zhǔn)確、精密地復(fù)制復(fù)雜型面和細(xì)微紋路。能獲得尺寸精度高、表面粗糙度小于0.1μm的復(fù)制品，同一原模生產(chǎn)的電鑄件一致性極好。借助石膏、石蠟、環(huán)氧樹脂等作為原模材料，可把復(fù)雜零件的內(nèi)表面復(fù)制為外表面，外表面復(fù)制為內(nèi)表面，然后再電鑄復(fù)制，適應(yīng)性廣泛。

精密微細(xì)噴嘴的電鑄過程1-型芯2-鍍鉻層3-鍍鎳層4-內(nèi)孔鍍鎳層5-精密噴嘴

車削鍍鉻鍍鎳去型芯12345首先加工精密黃銅型芯，其次用硬質(zhì)鉻酸進(jìn)行電沉積，再電鑄一層金屬鎳，最后用硝酸類溶液溶解型芯。由于硝酸類溶液對黃銅溶解速度快，且不浸蝕鍍鉻層，所以，可得到具有光潔內(nèi)孔表面鍍鉻層的精密微細(xì)噴嘴。二、電解拋光

電解拋光和電鍍相反，它是以被處理的工件作陽極，利用陽極的溶解作用，使陽極的凸起部分發(fā)生選擇性溶解而形成平滑表面的加工方法。電解拋光由于能把電壓電流作為拋光的控制參數(shù)，故易于操作，因此拋光效果一般優(yōu)于化學(xué)拋光，且在拋光條件的選擇與管理上也較方便。電解拋光可用于大多數(shù)的金屬，也可用于半導(dǎo)體。

1.拋光的機(jī)理

在電解拋光過程中，金屬離子會聚集在陽極金屬表面附近，在金屬表面和電解液之間形成一層粘稠的液體膜，此膜一般為數(shù)十微米，因而對與此層厚度值大致相同的表面，能使其平滑化，亦即對宏觀拋光有效。但利用液體膜要去除1／100～1／10μm的微小凹凸不平就很難了。在光澤化的條件下，拋光面上往往會生成不很明顯的固體膜，而這種固體膜的存在，就是要進(jìn)行微觀拋光的原因。這種固體膜一般是氧化物，厚度約0．01μm，處于液體膜和金屬表面之間，金屬通過此固體膜而溶解。在這樣的狀態(tài)下，金屬離子要求在固體膜中無序分布的陽離子空位隨之溶解，故能抑制由于金屬本身結(jié)晶的不完整性而發(fā)生的不完全溶解作用，從而使它實(shí)現(xiàn)光澤化。2．金屬和半導(dǎo)體的電解拋光為了進(jìn)行電解拋光，必須使金屬表面生成液體膜或固體膜，并通過此膜按穩(wěn)速擴(kuò)散的速度使金屬溶解。為此，電解液必須同時(shí)具有溶解金屬和形成保護(hù)膜的機(jī)能。在電解拋光的過程中，是依靠電極反應(yīng)造成的陽極溶解或陽極氧化的效果來決定的，因此拋光液要求具有高導(dǎo)電性和電鍍本領(lǐng)。電鍍本領(lǐng)是指電流密度分布的均勻性，使整個表面具有同樣良好的拋光性能。H2S04的電鍍本領(lǐng)良好，若加進(jìn)鉻酸酐(CrO3)則性能更好，但加HN03則使電鍍本領(lǐng)惡化。最常用的電解拋光液是由H2S04和H3P04組成的。

半導(dǎo)體的電解拋光是去除由機(jī)械拋光留下的表面缺陷層的最終加工方法。電解拋光比化學(xué)拋光費(fèi)事，但效果好。電解拋光主要有噴射法和旋轉(zhuǎn)拋光盤法兩種。噴射法的拋光速度很高，可達(dá)100～500μm／min。由于半導(dǎo)體的拋光是通過陽極溶解而使空穴消失的，因此在對n型半導(dǎo)體進(jìn)行電解拋光時(shí)，用強(qiáng)光源從外部對拋光區(qū)進(jìn)行照射而使其產(chǎn)生空穴。旋轉(zhuǎn)拋光法是將旋轉(zhuǎn)的平板狀圓盤作為陰極，把被拋光的材料作為陽極，并使其靠近和夾持在圓盤的周邊部分進(jìn)行電解拋光的方法。陰極圓盤有許多各種各樣形狀的孔或槽，這些孔或槽用于去除極間積存的氣體并對電解液產(chǎn)生攪拌作用。采用這樣的拋光法，能獲得±0．005μm的光潔表面和0．5μm的平面度，并能得到完全沒有缺陷的拋光面。第三節(jié)粒子束的微細(xì)加工一、電子束加工在真空中，將聚焦的電子束照射到物體上，借局部加熱可進(jìn)行打孔或切削加工；另一方面，利用電子束照射所引起的化學(xué)變化進(jìn)行0．1～1μm的電子束光刻加工，即所謂電子束光刻技術(shù)，已成為集成電路制造中的一種重要加工手段化學(xué)加工(電子束光刻)

高分子材料一經(jīng)電子束照射，即使所用的功率密度低到幾乎不引起溫度上升的程度，也會由于入射電子和高分子相碰撞使分子的鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化。以正性電子光刻膠聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為例，加速電壓為20kV的電子以10-4C／cm2的劑量照射光刻膠時(shí)，則分子量為10萬的PMMA大分子就被切割為原來的1／20左右。按規(guī)定圖形進(jìn)行電子束照射便能產(chǎn)生潛像，若浸入適當(dāng)?shù)娜軇?，則由于分子量不同而溶解速度不一樣，就會使?jié)撓耧@影出來。當(dāng)用0．3～1μm的光刻膠厚度時(shí)，可得到0．1～1μm線寬的圖形。電子束加工裝置電子束加工裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1—21所示。電子槍是關(guān)鍵部件。在打孔裝置中的電子槍的陰極損耗較大，每20～30h要更換一次。在電子束曝光裝置中，如采用LaB6(六硼化鑭)作陰極，其壽命可達(dá)數(shù)百小時(shí)以上。電子束裝置主要分為兩種。一種是電子束掃描型，將聚焦在1μm以內(nèi)的電子束大約在0．5～5mm范圍內(nèi)自由掃描，則可曝光出任意圖形。其基本結(jié)構(gòu)與打孔裝置相同，但還要備有用于工件位置測定的激光系統(tǒng)、掃描用的數(shù)—模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、束流位置的對準(zhǔn)系統(tǒng)等。另一種是使電子束通過原版(一般為比要求大幾倍的模版)，再以1／10～1／5的比例縮小投影到電子光刻膠上進(jìn)行大規(guī)模集成電路的曝光。二、離子束微細(xì)加工

離子束微細(xì)加工是以惰性氣體(氬)離子在電場中加速，而以其功能進(jìn)行加工的方法。離子束加工包括聚焦細(xì)束和大面積寬束的離子加工。細(xì)束狀的離子束射到基片時(shí)，能對被照射材料相當(dāng)于原子或分子級(即大約0．2nm)大小的地方進(jìn)行去除加工，這稱為離子束濺射去除加工。當(dāng)離子束能量很大時(shí)，例如將具有500keV的磷或硼的離子束注入硅片上規(guī)定的區(qū)域，這就是離子注入。離子束加工必將成為未來微米加工，甚至毫微米加工的主流。寬束狀的離子束加工必須采用掩模，將不需要加工的部分覆蓋起來，而使離子束照射到需要加工的部分。三、分子束和原子束加工

利用蒸發(fā)方法進(jìn)行鍍膜就是分子或原子加工的代表。將熱能供給原子或分子，使它達(dá)到活化狀態(tài)，并附著在工件表面的鍍膜加工法就是蒸鍍加工。如果再增加其附著力，就需要采用外延結(jié)晶生長法。另外，利用分子束進(jìn)行鍍膜或結(jié)晶生長，也屬于這個領(lǐng)域，第四節(jié)超聲波微細(xì)加工

一個作超聲振動的工具，其振動頻率為15～30kHz、振幅為10～150μm。當(dāng)工具和工件之間充以漿液，并以一定的靜壓力(加工壓力)相接觸時(shí)，則工具端部振動可實(shí)現(xiàn)磨料對工件的沖擊破碎。

超聲波加工在本質(zhì)上是用游離磨料來進(jìn)行加工，因此可通過選擇不同的工具端部形狀和不同的運(yùn)動方法，進(jìn)行各種各樣的微細(xì)加工。超聲波加工的主要缺點(diǎn)是：工具的制作和安裝比較困難，工具易于磨損，加工速度較慢。

超聲波在微細(xì)加工中的應(yīng)用電子器件用的玻璃基片需要進(jìn)行多種多樣的超聲波加工，如對超小型組件基片、集成電路封裝用的玻璃片、金屬膜電阻基片和電阻線圈框架等的制作便是這樣。當(dāng)對7．9mm長的正方超小型組件的基片用161KHz、150W的超聲加工機(jī)進(jìn)行加工時(shí)，每加工一個大約需要80s。陶瓷制的厚膜集成電路用的零件中，要切出8mm2厚0．6mm的瓷片來，用150W的加工機(jī)和320號的SiC磨料，1min可同時(shí)加工4個。鐵氧體的微孔加工用超聲波加工十分有效。在2．3mm厚的磁芯上加工4個直徑為0．38mm的孔，采用直徑為0．33mm、長度為38mm的黃銅絲作工具，用24KHz的頻率，6min就可把孔打通。其尺寸精度為±0．04mm，用一個工具就能打出10個孔來。

在加工硅等半導(dǎo)體材料時(shí)，也廣泛采用超聲波加工。從直徑為19mm、厚0．25mm的硅片上，用90s即可切下176個直徑為1mm的元件，其合格率達(dá)90～95％。異形金剛石模具和寶石類的打孔，也廣泛采用超聲波加工。

超聲波焊接

超聲波加工的另一種重要形式是超聲波焊接，它在集成電路的引線連接中有廣泛的應(yīng)用。通常使用的引線約為φ30μm。此方法的特點(diǎn)是不用加熱，故受熱的影響很小，也不產(chǎn)生污染，因而是一種干凈的焊接方法。由于加壓的荷重很小，故變形也很小，且能對不同金屬進(jìn)行焊接。焊接采用的方法有針腳式和摘剪式兩種，摘剪式的焊接如圖1—27所示，其工作頻率大多為60KHz。各種市售的焊接機(jī)都可用來焊接15μm到0．5mm的鋁絲或金絲。微細(xì)加工中的薄膜技術(shù)微電子技術(shù)可分為三種主要形式：單片技術(shù)(包括集成電路、中規(guī)模和大規(guī)模集成電路)，薄膜混合技術(shù)和厚膜混合技術(shù)。目前集成電路技術(shù)中使用著品種繁多的沉積膜。近年來，由于各種VLSI(超大規(guī)模集成電路)提出了新的要求，使沉積膜的種類大為增加。絕緣膜和導(dǎo)電膜都在應(yīng)用，這兩者的界線也并非很嚴(yán)格，因?yàn)橛行┠ぴ诔练e時(shí)是絕緣薄膜，而進(jìn)行處理后則制成導(dǎo)電膜。甚至“沉積”一詞也不嚴(yán)格，因?yàn)橛行┠ひ栽匦问匠练e，然后通過與半導(dǎo)體的化學(xué)反應(yīng)變成化合物。根據(jù)沉積膜要完成的主要功能進(jìn)行分類最為方便。有些沉積膜的功能屬于電子學(xué)的性質(zhì)，有些沉積膜則是屬于工藝上的要求。一些不同類型的膜用作絕緣保護(hù)層，在其上面布線互連；有的沉積膜制成掩膜，用作擴(kuò)散或離子注入；有的膜本身起摻雜作用；還有的沉積膜使工藝過程大大簡化，如MOS集成電路的自對準(zhǔn)柵極工藝。許多薄膜以及薄膜的組合，可以用來形成歐姆接觸以及集成電路器件之間的互連。有些膜還可以完成器件的功能，如在肖特基二極管及肖特基柵場效應(yīng)晶體管中。

第一節(jié)

物理氣相沉積在集成電路制造中，沉積金屬薄膜最常用的方法是物理氣相沉積技術(shù)。它包括真空蒸發(fā)、直流濺射和RF(射頻)濺射。新近發(fā)展起來的磁控濺射和離子束沉積，是RF濺射方法的進(jìn)一步改進(jìn)。真空蒸發(fā)時(shí)，必須把待沉積金屬加熱，使其原子獲得足夠的能量而脫離金屬表面。當(dāng)蒸發(fā)出來的金屬原子在飛行途中遇到基片時(shí)，就沉積在基片表面而形成金屬薄膜。根據(jù)熱源的不同，蒸發(fā)可分為電阻加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種。由于前者易帶來雜質(zhì)污染，特別是鈉離子污染，而且很難沉積高熔點(diǎn)金屬和合金薄膜，因此在VLSI制造中常采用電子束蒸發(fā)和濺射法。

一、物理氣相沉積的基礎(chǔ)

真空蒸發(fā)或?yàn)R射系統(tǒng)在薄膜沉積之前必須抽成高真空，否則系統(tǒng)中殘存的氧分子會使蒸發(fā)出來的金屬原子氧化。此外，系統(tǒng)真空度低時(shí)，會縮短蒸發(fā)出來的金屬原子的平均自由程，使其不能依直線方式到達(dá)基片。二、電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)是利用聚焦成束的電子束來加熱蒸發(fā)源，使其蒸發(fā)并沉積在基片表面而形成薄膜。電子束蒸發(fā)系統(tǒng)通常利用如圖5—1所示的“e”形偏轉(zhuǎn)電子槍進(jìn)行，它由發(fā)射高速電子的電子槍和使電子作圓周運(yùn)動的均勻磁場所組成。從電子槍射出的電子束在電場作用下被加速穿過加速陽極孔，進(jìn)入均勻磁場。電子在均勻磁場中受羅侖茲力的作用而作圓周運(yùn)動。調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)度可控制電子的偏轉(zhuǎn)半徑，使電子束準(zhǔn)確地射到蒸發(fā)源材料中心的表面上。當(dāng)高速電子與蒸發(fā)源表面碰撞時(shí)就放出能量，使蒸發(fā)源材料熔融而氣化，并沉積在基片表面。少量從蒸發(fā)源表面反射出來的反射電子和二次電子，將受磁場的作用而偏轉(zhuǎn)，最后被接地的吸收極所吸收，從而避免了這些高能電子對基片的損傷。電子束蒸發(fā)的主要優(yōu)點(diǎn)是沉積膜的純度高，鈉離子污染少。由于蒸發(fā)材料僅在表面中心附近受電子束轟擊處熔融并氣化，而與水冷坩堝接觸處的源材料因熱量迅速被冷卻水帶走，故不會與坩堝發(fā)生反應(yīng)，因而能保證沉積膜的純度。

三、濺射沉積濺射是與氣體輝光放電相聯(lián)系的一種薄膜沉積技術(shù)。若在真空室內(nèi)充入放電所需要的惰性氣體(如氬氣)，則在高壓電場作用下氣體分子因電離而產(chǎn)生大量正離子。帶電離子被強(qiáng)電場加速，便形成高能量的離子流轟擊蒸發(fā)源材料(稱為靶)。在離子轟擊下，蒸發(fā)源材料的原子將離開固體表面，以高速度濺射到陽極(基片)上并沉積成薄膜。這種薄膜沉積技術(shù)稱為濺射。圖5—2為濺射示意圖。濺射的方法很多，有直流濺射、RF濺射和反應(yīng)濺射等，而用得較多的是直流二極濺射、RF濺射和離子束濺射。1．直流二極濺射(陰極濺射)

直流二極濺射是最早采用的濺射方法。圖5—3為直流二極濺射示意圖。濺射室中有一個陰極和一個陽極。濺射源材料接負(fù)高壓，作為陰極，基片放在陽極上，兩極之間距離一般為3～10Cm。濺射時(shí)，先將真空室的真空抽至壓力為7×10-3Pa，然后連續(xù)向真空室內(nèi)充入濺射氣體Ar，并保證真空室內(nèi)Ar氣體的壓強(qiáng)為1～10Pa。在兩極間加3～5kV的直流高壓，使氣體發(fā)生輝光放電。輝光放電中產(chǎn)生的帶正電的氬離子向陰極運(yùn)動，轟擊陰極表面，使陰極源材料表面原子獲得足夠能量而飛濺出來，最后沉積在基片表面而形成薄膜。直流二極濺射裝置的結(jié)構(gòu)簡單，能在大面積基片上沉積均勻的薄膜。其缺點(diǎn)是放電電流容易隨電壓和氣體的壓強(qiáng)而變化，沉積速率不易控制。由于直流二極濺射是冷陰極氣體放電，需要使用較高的電壓和氣壓，而較高的氣壓會使沉積速率降低，沉積膜中的雜質(zhì)含量增加。另外，直流二極濺射只適用于濺射導(dǎo)電材料，而不能用來濺射介質(zhì)。2．RF(射頻)濺射直流濺射只能濺射金屬而無法濺射絕緣材料，因?yàn)樵诮^緣材料上加上直流負(fù)高壓后，帶正電荷的離子撞擊到絕緣材料的靶上時(shí)，正電荷會堆積在靶表面，從而排斥后續(xù)正離子繼續(xù)向靶轟擊，阻止了濺射的進(jìn)行。而RF濺射是在絕緣材料的背面加上一個金屬電極，并在此電極上加上高頻電壓，從而在絕緣材料中感應(yīng)產(chǎn)生位移電流。這樣，在負(fù)半周內(nèi)絕緣材料表面積聚的正電荷就可以在正半周內(nèi)被中和，使濺射可以繼續(xù)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了絕緣材料薄膜的濺射沉積。

RF濺射使用的頻率為13.56MHz，它不需要熱陰極，能在較低的氣壓和較低的電壓下進(jìn)行濺射。RF濺射不僅可以沉積金屬膜，而且可以沉積多種材料的絕緣介質(zhì)膜，因而使用范圍較廣。近年來發(fā)展起來的射頻磁控濺射，顯示了其更大的優(yōu)越性。

3．離子束濺射

目前，離子束濺射已用于金屬和絕緣體的濺射中，其到達(dá)靶的能量的通量可以通過離子流和其能量這兩個獨(dú)立變量來調(diào)整。此外，與其它濺射工藝相比，靶是處在較低氣壓的真空室中，因此可以有更多的濺射材料到達(dá)基片，而且沉積的膜中含有較少的本底氣體。圖5—4為離子束濺射沉積裝置結(jié)構(gòu)示意圖。離子束濺射沉積又稱為二次離子束沉積，離子束(惰性或活性氣體)濺射出的靶材料被沉積在基片上形成薄膜。濺射沉積的特點(diǎn)①能夠沉積與靶材料成分相類似的合金膜。②在膜中含有Ar(＜2％)和本底氣體(＜1％)。②在直流二極濺射系統(tǒng)中，由于靶的二次電子發(fā)射，使基片溫度可達(dá)350℃。由于射頻能量常可以加到基片上，因而引起基片受離子轟擊。如果濺射在沉積前進(jìn)行，則這種過程稱為“濺射腐蝕”。濺射腐蝕可以從窗口區(qū)清除殘留膜，因而增強(qiáng)了金屬與裸露區(qū)的接觸。如果濺射能量在膜沉積時(shí)加上去，那就是一種偏置濺射系統(tǒng)，它可以提高膜的臺階覆蓋能力。四、磁控濺射

磁控濺射可克服直流二極濺射的缺點(diǎn)。圖5—5為等離子磁控濺射裝置示意圖。濺射源是一個圓錐形磁控管或S槍。圓錐形磁控管的濺射通量，比余弦分布的要低。如果一次同時(shí)在許多基片上形成濺射膜，則可采用圖示的行星式系統(tǒng)。平板型磁控濺射源示意圖圖5—6表明了電場和磁場的方向。由于在陰極表面上存在極強(qiáng)的磁場，故電子受羅侖茲力的作用而被限制在陰極表面上一個較窄的陰影區(qū)內(nèi)，沿著近似擺線的軌跡運(yùn)動(如圖中虛線所示)。電子的這種運(yùn)動方式，增加了電子與氣體分子總的碰撞次數(shù)，增加了等離子體的密度，從而提高了濺射速率。

磁控濺射不僅可以濺射各種合金和難熔金屬，而且在濺射合金時(shí)可以避免蒸發(fā)沉積層合金成分的偏離。磁控濺射中基片可以不加熱，而且從陰極表面發(fā)射的二次電子由于受到磁場的束縛而不再轟擊基片，從而避免了基片的溫升和器件特性的退化。由于電磁場的作用，提高了氣體分子的離化率，因而磁控濺射可在較低的氣壓下工作，這有利于提高薄膜的純度。磁控濺射沉積膜具有較好的均勻性、重復(fù)性以及良好的臺階覆蓋能力，因此在集成電路，特別是在VLSI工藝中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

五、薄膜厚度的測量和監(jiān)控在VLSI的制造中，導(dǎo)電膜厚度的控制是極其重要的。如果沉積的導(dǎo)電膜太薄，則由它做成的引線可能引起過大的電流密度而影響其可靠性；如果膜層太厚，則光刻不易套準(zhǔn)，使腐蝕產(chǎn)生困難。因此，在蒸發(fā)沉積和磁控濺射沉積中(均可采用行星式載片系統(tǒng))，都設(shè)有膜厚監(jiān)控裝置。最通用的膜厚監(jiān)測器是用石英晶體制造的諧振器板。該板相對主晶軸定向，因此它的諧振頻率對于小的溫度變化都相當(dāng)敏感。使用時(shí)要通水冷卻。在諧振器板上沉積薄膜之后，即可測量其固有頻率的變化。監(jiān)控器被校準(zhǔn)之后，就可以根據(jù)其固有頻率的變化來控制沉積膜的最終厚度。

未監(jiān)控的導(dǎo)電膜厚度的方法測定未監(jiān)控的導(dǎo)電膜厚度的方法很多，有稱重法、干涉法、薄膜電阻法，也可以用臺階儀直接測量其高度。最簡單的方法是用微量天平稱基片沉積前后的重量，根據(jù)基片的面積，可計(jì)算出沉積薄膜的厚度。在生產(chǎn)中常用薄層電阻法來測定膜厚。它是先在基片表面上生長300nm以上厚度的氧化層，然后在其上沉積導(dǎo)電膜，再用四探針測量膜的薄層電阻，然后計(jì)算。

臺階儀可以直接測量臺階的高度臺階儀的探頭是一個端部錐角為90°的尖針(通常用寶石制成)。當(dāng)尖針相對于被測臺階作水平運(yùn)動時(shí)，尖針就隨著臺階的高低作升降運(yùn)動。升降的幅度轉(zhuǎn)換成電訊號后加以放大，然后以數(shù)字形式直接顯示出來，或者同時(shí)以曲線和數(shù)字兩種形式顯示于示波管的屏幕上，必要時(shí)還可以打印輸出。臺階儀是測量薄膜厚度最精確的方法之一。其垂直分辨率可達(dá)0．5nm，可測高度范圍為±160μm。因此，其它厚度測量方法常用臺階儀進(jìn)行標(biāo)定。由于臺階儀可以用曲線顯示被測臺階的形貌，具有形象具體的特點(diǎn)，因而在解剖電路樣品時(shí)常被采用。由于臺階儀的探頭壓力極小(最小壓力僅9．8×10-6N)，因而即使像純鋁、光刻膠等極軟的材料也不會在測量過程中被探頭劃傷。

第二節(jié)化學(xué)氣相沉積所謂“化學(xué)氣相沉積”，是指使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并沉積出所需要的固體薄膜。該技術(shù)稱為化學(xué)氣相沉積，簡稱“CVD”技術(shù)。

CVD技術(shù)具有沉積溫度相對較低、薄膜成分與厚度易控、均勻性與重復(fù)性較好、臺階覆蓋優(yōu)良、操作簡單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，還具有膜厚與沉積時(shí)間成正比的優(yōu)點(diǎn)。較低的沉積溫度與良好的臺階覆蓋，對VLSI淺結(jié)與多層化的要求十分有利，因而CVD技術(shù)已成為制造VLSI的不可缺少的關(guān)鍵工藝。利用它幾乎可以沉積符合VLSI要求的任何薄膜。由于同一種薄膜在器件中的功能不同，故要求其性能也有所不同。薄膜性能與生長工藝有關(guān)，因此具體選擇何種沉積工藝，應(yīng)視薄膜在器件中的功能而定。

化學(xué)氣相沉積方法為滿足不同的需要，目前已發(fā)展了多種實(shí)用的CVD技術(shù)。最常用的是常壓冷壁、低壓熱壁、等離子體激活等沉積方法。常壓冷壁法常用于生長摻雜和不摻雜的氧化硅(Si02)；低壓熱壁法則主要用于生長多晶硅和氮化硅；等離子體激活方式可以降低反應(yīng)所需的溫度，故常用于生長氮化硅，作為最后的鈍化層使用。

一、常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)早期的CVD是在類似于臥式外延反應(yīng)系統(tǒng)或鐘罩式反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行的，系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)約為一個大氣壓，故稱為常壓CVD。由于上述系統(tǒng)成膜的厚度的均勻性較差，材料的利用率較低，故其使用日益減少。目前工業(yè)生產(chǎn)中用于生長摻雜和不摻雜的Si02的APCVD系統(tǒng)，主要為連續(xù)式CVD系統(tǒng)。

連續(xù)式CVD系統(tǒng)示意圖圖5—7的上部有一個疊層式的層流噴嘴，用氮?dú)庀♂尩难鯕饣騍iH4(硅烷)等氫化物氣體相互間隔開送入噴嘴，而廢氣則經(jīng)噴嘴最外面的一對間隙排出。噴嘴下方放置待加工基片的承片板，其下為電熱板。氧和SiH4等氣體在噴嘴出口處相混合，并在加熱的基片和承片板上發(fā)生沉積反應(yīng)。承片板在電動機(jī)驅(qū)動下相對于噴嘴作等速運(yùn)動。當(dāng)基片進(jìn)入噴嘴區(qū)時(shí)開始沉積，離開時(shí)沉積結(jié)束。在其他條件不變時(shí)，沉積膜的厚度與承片板的速度成反比。

二、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)從1976年起，LPCVD技術(shù)被廣泛用于沉積多晶硅及各種無定形介質(zhì)膜。LPCVD法的最大特點(diǎn)是膜厚的均勻性好、裝片量大。因此，多晶硅及氮化硅膜的沉積現(xiàn)已基本采用LPCVD法。LPCVD與APCVD的區(qū)別是壓強(qiáng)由常壓下降為102Pa。與此相應(yīng)，其分子的平均自由程與擴(kuò)散系數(shù)增大約1000倍。由于LPCVD的工作溫度通常都比較低，因而沉積過程處于表面反應(yīng)控制區(qū)就成了低壓化學(xué)氣相沉積的普通現(xiàn)象。

當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)降到1×102Pa時(shí)，即使平行垂直放置基片的片距小到5～10mm，而質(zhì)量傳輸?shù)南拗婆c片子表面化學(xué)反應(yīng)的速率相比仍可忽略不計(jì)。這就為直立密排裝片創(chuàng)造了條件，大大提高了每批的裝片量，從而使生產(chǎn)成本大幅度下降。處于表面反應(yīng)控制區(qū)的不利因素之一是沉積速率受溫度波動的影響較大，但這可以通過采用控溫精度極高的電阻加熱爐加以解決。電阻爐的控溫精度為±0．5℃，比常壓冷壁CVD的控溫精度(約5～10℃)來得高，因而膜厚的均勻性及重復(fù)性都較好。

電阻爐可能招致的麻煩是腔壁沉積物的剝落，致使基片表面受污染。但在LPCVD中，電阻爐加熱的結(jié)果使器壁的溫度高于基片，因而器壁的沉積層較厚，沉積比較致密，且粘附較牢，只要沉積物不太厚(例如不超過20μm)，并使器壁溫度保持相對恒定，則沉積物一般不易剝落下來。沉積速率取決于反應(yīng)氣體的分壓強(qiáng)，而不是氣體的總壓強(qiáng)。從原則上講，LPCVD不需要或者只需要很少的攜帶氣體，所以總壓強(qiáng)雖然減到原來的1／1000，但反應(yīng)氣體的分壓強(qiáng)卻是常壓時(shí)的1／5左右。所以，在相同的溫度下，兩者的沉積速率僅差5倍。綜上所述，無論從成本來說，還是從沉積質(zhì)量來說，LPCVD都優(yōu)于常壓CVD。這正是它能獲得迅速推廣的根本原因。LPCVD設(shè)備的系統(tǒng)它通常由兩套完全相同的系統(tǒng)組成，以便能交替使用，提高效率，或者分別沉積兩種不同的薄膜。每個系統(tǒng)均有獨(dú)立的電阻加熱反應(yīng)器、反應(yīng)器端部自動啟閉裝置、配氣系統(tǒng)和控制部分，以及抽氣部分。氣體通過石英反應(yīng)器的裝片／取片端送入系統(tǒng)。為避免由于裝片量或基片尺寸的變化而引起輸入條件的改變，可在測量系統(tǒng)的輸入端控制其壓力。壓力的控制不像通常那樣用改變輸入氣體流速的方法來完成，而是通過改變抽氣速率來達(dá)到。所以，在機(jī)械泵與系統(tǒng)之間加了一個由變速電動機(jī)帶動的羅茨泵，并把它作為增壓泵使用。輸出端的壓力傳感器是一個開關(guān)。當(dāng)壓力降到2×103Pa時(shí)開動增壓泵，再經(jīng)過放置在外部的機(jī)械泵而把氣體排出。當(dāng)需要用HCI來腐蝕并清洗管道壁上的多晶硅時(shí)，則另外通過一個閥門排氣。

三、等離子體化學(xué)氣相沉積等離子體化學(xué)氣相沉積簡稱PCVD，其最大特點(diǎn)是可以降低沉積溫度。如用LPCVD沉積氮化硅，反應(yīng)溫度通常高于700℃；而采用PCVD時(shí)，則只需200～350℃。

在CVD技術(shù)中，要使氣體發(fā)生反應(yīng)，需要有一定的激活能。在APCVD與LPCVD中，氣體只能靠單純的熱激活，當(dāng)反應(yīng)溫度低時(shí)就無法激活氣體分子。確切地說，就是激活率極低，因而無法進(jìn)行反應(yīng)，或進(jìn)行得十分緩慢。但當(dāng)在低壓氣體上施加一個射頻電場時(shí)，其中少量的自由電子就可以在兩次碰撞之間被電場加速而獲得一定的能量。加速的電子與氣體分子或原子相碰撞時(shí)，可使其發(fā)生電離而產(chǎn)生二次電子、離子，以及受激態(tài)的原子、分子。而新生的電子又可碰撞而產(chǎn)生更多的電子、離子等，從而使氣體能在較低的溫度下完成沉積過程。

平行平板式等離子體CVD技術(shù)圖5—9中，電極由兩塊間隔為50mm、~4660mm的平行金屬圓板構(gòu)成。上電極經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)與1kV、50kHz的高頻電源相接，下電極接地并作為基片的基座。為改善沉積膜厚度的均勻性，下電極由磁性旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)氣體通過對稱分布的氣體入口進(jìn)入反應(yīng)腔，并沿徑向流向中心而由泵抽走。腔內(nèi)壓力約為100～300Pa，工作時(shí)的功率密度約為0．1W／cm2。樣品由基片下的電阻加熱器升溫。視沉積材料的不同，溫度為250～400℃。為改善溫度分布的均勻性與可靠性，加熱器可做成同心圓狀的三溫區(qū)。這種反應(yīng)器常用于沉積Si02和S13N4，其主要優(yōu)點(diǎn)是沉積溫度低，缺點(diǎn)是容載能力小，且基片易受腔壁上疏松沉積物的污染。

熱壁式PCVD系統(tǒng)示意圖圖5—10所示的系統(tǒng)解決了徑向流反應(yīng)器遇到的許多問題。反應(yīng)是在電阻爐加熱的石英管內(nèi)進(jìn)行的。基片平行于氣流并垂直放置。兼作電極的樣品架可用不銹鋼制造，并一個隔一個地分成兩組，分別連到高頻電源的兩極。極板兩面均可安放基片。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是容載能力高、反應(yīng)溫度低；缺點(diǎn)是插入電極組件時(shí)易產(chǎn)生微粒，污染基片。第三節(jié)保護(hù)層薄膜和掩膜通常將絕緣膜沉積在半導(dǎo)體上面作為保護(hù)層或掩膜，以便進(jìn)行選擇性擴(kuò)散和注入。在微電子技術(shù)中，絕緣膜常在兩層金屬布線之間起層間絕緣作用。無論薄膜在器件中作何用途，都要求薄膜在生長期間無針孔和龜裂。若后續(xù)工藝需要熱處理的話，也要求無針孔和龜裂。因此，為保持薄膜的完整性，要求薄膜的生長應(yīng)力及熱處理期間產(chǎn)生的應(yīng)力足夠小。隨著基片尺寸的增加及器件密度的增加，這些要求顯得更重要，尤其是在VLSI工藝中更是如此。

掩膜必須具有防止摻雜物質(zhì)遷移的功能以及在維持?jǐn)U散溫度下薄膜的完整性，而且還能用光刻技術(shù)把該掩膜刻蝕成細(xì)線圖形。沉積的薄膜可作為集成電路加工時(shí)的保護(hù)膜，也可在使用中改善微電路的穩(wěn)定性。此外，它還能用來阻止像鈉這樣的弱堿離子的移動或吸收這些離子，使這些離子固定不動。為防止加工時(shí)金屬布線層的損壞，常把保護(hù)膜沉積在金屬布線層上。

一、氧化硅薄膜1．SiO2薄膜的制備(1)用四乙基正硅烷生長Si02膜在700～800℃的范圍內(nèi)可以用多種烷氧基硅烷生長Si02薄膜。最普通使用的化合物是四乙基正硅烷(TEOS)，一般是在冷壁CVD系統(tǒng)中溫度800℃進(jìn)行氧化而形成Si02。因TEOS在常溫下是液體(沸點(diǎn)為167℃)，故需要先加熱氣化，再借助擴(kuò)散裝置把它送入反應(yīng)室，并進(jìn)行如下的反應(yīng)：

Si(C2H5O)4+12O2＝SiO2+8C02+10H20

由上式反應(yīng)可以看出，每生成一個Si02分子就有大量的水產(chǎn)生。由于薄膜中摻入了水，故其質(zhì)量較差。在該反應(yīng)過程中，還有二次反應(yīng)產(chǎn)物(一氧化碳、碳和有機(jī)原子團(tuán))出現(xiàn)在薄膜中。

TEOS在低壓CVD系統(tǒng)中的熱分解也能形成Si02膜，溫度為650～750℃。其反應(yīng)式如下：

Si(C2H5O)4—→Si02十副產(chǎn)物其中的副產(chǎn)物是由有機(jī)與無機(jī)化合物組成的復(fù)雜混合物，包含有SiO、CO、CH4、C2H6、H20等。這種方法常用于多晶硅柵上的絕緣層的沉積，但由于沉積溫度較高，所以不能用于鋁層上絕緣層的沉積。TEOS低壓熱解法的優(yōu)點(diǎn)是，成膜厚度的均勻性好、臺階覆蓋優(yōu)良、沉積膜的性質(zhì)極佳。

(2)用SiH4(硅烷)生長Si02膜用TEOS生長的SiO2膜現(xiàn)已基本上由沉積方法(包括SiH4氧化)所取代。當(dāng)在600～l000℃進(jìn)行SiH4的反應(yīng)時(shí)，也有水形成。但在較低的溫度下(300～500℃)反應(yīng)有助于氫的形成，結(jié)果生成了高質(zhì)量的Si02薄膜。其反應(yīng)式如下：

SiH4+02—→4Si02+2H2因?yàn)闇囟鹊停试陔娮杓訜岬睦浔贑VD系統(tǒng)中的常壓下就能實(shí)現(xiàn)這一反應(yīng)。在450℃時(shí)生長的薄膜約有3×l04N／cm2的張應(yīng)力。由于沉積溫度低，因而薄膜可沉積在金屬布線層上作為器件的最后鈍化層。

采用熱壁低壓CVD系統(tǒng)，所形成的Si02薄膜的均勻性較好，同時(shí)產(chǎn)量也大，薄膜的質(zhì)量通常優(yōu)于常壓下所獲得的薄膜，并減少了針孔密度。但是，其生長率極低(10-2～1．5×10-2μm／min)，因此，只有在生長相當(dāng)薄的薄膜時(shí)才使用這種技術(shù)。在10～70Pa的低壓等離子體增強(qiáng)型CVD系統(tǒng)中生長Si02膜時(shí)，可以使用的基本反應(yīng)物有：SiH4-02，SiH4-C02和SiH4-N2O的混合物。SiH4-N2O反應(yīng)物能在低溫(250℃)下工作，其生長率與SiH4-02反應(yīng)物在常壓下的生長率(≌6×l0-2μm／min)相近。使用SiH4-N2O反應(yīng)物形成的薄膜中合有少量的氮(≌3％)，但N2對薄膜的最終特性并無有害影響。等離子體增強(qiáng)CVD技術(shù)在沉積SiO2膜時(shí)會產(chǎn)生內(nèi)壓應(yīng)力，在隨后的熱循環(huán)期間，內(nèi)壓應(yīng)力有大大降低薄膜龜裂的趨勢。因此，用這種技術(shù)生長的薄膜可比常壓下生長的薄膜更厚，且?guī)缀鯚o針孔，故可作為VLSI器件的包覆層。盡管這些薄膜的質(zhì)量高，但其污染程度比熱生長的氧化物膜要大。因此，這些膜不適宜作MOS微電路中的柵氧化物層。通常是把它們生長在厚度為0．01～0．02μm的天然氧化物膜上，避免與硅表面的直接接觸。當(dāng)輕摻雜硅的表面上或暴露在Si-SiO2界面結(jié)的區(qū)域上需要覆蓋層時(shí)，這種膜就很理想。純SiH4是一種極易自燃的氣體，暴露于大氣中時(shí)會燃燒。因此，通常所供應(yīng)的SiH4用氬或氮?dú)庀♂?，稀釋?％～10％(體積)的濃度。這樣處理比較安全，而且這樣稀釋也使其比較穩(wěn)定。由SiH4生長SiO2薄膜的過程是：氧很快吸附于硅表面，隨后氧與SiH4反應(yīng)而形成Si02。當(dāng)氧濃度高時(shí)，Si02的生長速率可能下降。為避免這種效應(yīng)，常使02：SiH4的摩爾比不高于8～10。由這種工藝形成的Si02的生長速率較高，一般可達(dá)0．05～0．1μm／min。2、Si02薄膜的應(yīng)用由于硅烷工藝沉積Si02薄膜的生長速率很高，因此在快速低溫生長的場合，氧化硅膜的應(yīng)用范圍極廣，主要有如下方面：(1)MOS微電路以及高壓器件的厚場氧化物膜。通常是將它沉積在熱生長氧化物層上，以避免硅表面出現(xiàn)高陷阱密度。(2)作為雜質(zhì)選擇擴(kuò)散的掩蔽膜。Si02對雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用，是指SiO2膜能阻擋雜質(zhì)向半導(dǎo)體中擴(kuò)散的能力。利用Si02的這一性質(zhì)，在硅基片表面可進(jìn)行有選擇的擴(kuò)散，就能制造出不同結(jié)構(gòu)不同功能的半導(dǎo)體器件和集成電路。只要雜質(zhì)在Si02中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在硅基片中的擴(kuò)散系數(shù)，以及雜質(zhì)擴(kuò)散深度遠(yuǎn)小于SiO2層的厚度，就可以用Si02膜作為掩蔽膜來實(shí)現(xiàn)選擇擴(kuò)散。(3)集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)。利用SiO2膜進(jìn)行介質(zhì)隔離，是半導(dǎo)體集成電路常用的隔離方法之一，它比p-n結(jié)隔離的效果好。在硅器件中，SiO2可作為鋁引線與薄膜下面元件之間的絕緣層，以及VLSI電路多層布線間的絕緣層。為避免引線與元件之間發(fā)生短路，SiO2膜要求完整、致密、無針孔和均勻性好。

(4)器件表面的保護(hù)膜和絕緣膜。硅基片表面覆蓋一層SiO2膜，一方面可避免器件在制造各工序中可能給硅表面帶來的污染，而起到保護(hù)硅表面的作用；另一方面，SiO2膜使硅基片表面、P—n結(jié)與外界氣氛隔開，以減少環(huán)境氣氛對硅基片表面與p—n結(jié)的性能的影響，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)到鈍化硅表面的作用。

二、磷硅玻璃薄膜磷硅玻璃(PSG)薄膜通過SiH4和PH3(磷烷)在氧氣中的同步分解而生成，其生長的溫度范圍與SiO2膜的生長溫度范圍(300～500℃)相同。因此，這種生長方法是SiH4法生長SiO2膜的自然延伸，并可在同一生長系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。而PH3氣體一般用氬或氮稀釋到(5～10)％的濃度。

1．PSG薄膜的制備PH3氣體與氧的反應(yīng)通常在350～450℃內(nèi)完成，結(jié)果生成P205。其氧化反應(yīng)如下：

2PH3+402—→P205+3H20可見，反應(yīng)過程有少量的水生成。薄膜的生長也是通過氧在基片表面的強(qiáng)烈吸附進(jìn)行的。當(dāng)02∶(SiH4+PH3)的摩爾比超過8～10時(shí)，膜的生長速率受到抑制。低溫沉積的Si02膜能與空氣中的濕氣起反應(yīng)，當(dāng)含磷時(shí)吸潮更嚴(yán)重。由于薄膜吸潮增加，因此薄膜中P205的含量應(yīng)限制在膜重量的(2～8)％。此時(shí)，薄膜中的P205被永久地留在最后的產(chǎn)品中。在器件加工過程中使用的薄膜，P205的含量可高達(dá)20％。在PSG中，P205∶PSG的重量百分比約等于氣相中PH3∶SiH4的摩爾比的1．5倍。而P∶PSG的重量百分比約為P205∶PSG重量百分比的0．437倍，故

(P∶PSG)％(重量)≌0．66(PH3∶SiH4)％(摩爾)利用上式可以估算出為獲得一定含磷量的PSG，氣相中應(yīng)有的PH3∶SiH4的摩爾比(即PH3與SiH4的體積比)。例如要求含磷重量為6．6％，則PH3與SiH4的體積比應(yīng)為1∶10左右。

2．PSG的性能摻雜量是影響薄膜應(yīng)力的主要因素。利用SiH4-02反應(yīng)在450℃所得到的CVD的Si02薄膜具有3×l04N／cm2的張應(yīng)力。隨著P205的摻入，應(yīng)力逐漸下降。含P205為13％(重量)時(shí)，膜的張應(yīng)力降到2×l04N／cm2，；含P205為20％(重量)的薄膜，其內(nèi)應(yīng)力為零。應(yīng)力的減少，改善了熱處理時(shí)PSG的完整性。隨著P205的摻入，沉積膜的熱膨脹系數(shù)迅速增加，從而顯示出摻磷的優(yōu)越性。這樣，有可能通過磷含量的改變，使沉積膜與硅基片之間有更好的熱匹配。例如，沉積在硅上的純Si02膜經(jīng)受1200℃熱處理的不龜裂最大厚度為1．5μm；沉積在GaAs上的Si02膜，經(jīng)800℃熱處理而不使GaAs破裂的最大厚度為0．2μm。如果以含P205為15％(重量)的PSG膜代替上述的Si02膜，則硅上的PSG膜厚即使達(dá)到6μm也不會龜裂；GaAs上的PSG膜經(jīng)受1100℃熱處理而不使GaAs破裂的厚度增大至0．6μm。圖5—11為PSG的熱膨脹系數(shù)與P205含量的關(guān)系。由圖可見，GaAs的熱膨脹系數(shù)為5．9×10-6／℃，它很容易與含P205為20％～25％(重量)的PSG膜相匹配。

PSG比Si02更致密，針孔更少。因此，它可以作為鋅和錫等摻雜劑的掩膜(用于砷化鎵器件的掩蔽擴(kuò)散)，而Si02膜對這些摻雜劑的擴(kuò)散是比較透明的。同樣道理，砷化鎵的包覆層使用PSG薄膜比SO2薄膜更好。PSG膜的刻蝕速率隨著其內(nèi)部P205含量的增加而增加。利用PSG膜的這一性質(zhì)制造雙層薄膜，刻蝕后可形成傾斜的氧化膜臺階。在氧化膜中臺階最高，在金屬布線容易斷開的場合(例如MOS電路的場氧化膜)，可以采用這種方法。另外，在高壓器件中，這種傾斜的氧化膜可以控制耗盡層的曲率，以便獲得器件的高壓性能。

3．PSG膜的應(yīng)用在MOS器件制造工藝中，用PSG膜來固定鈉離子很有效，且普遍使用，也可以用PSG膜來提高雙極型器件和集成電路的穩(wěn)定性。PSG膜經(jīng)常自動地形成，如在n-p-n晶體管中，最后一道工序是掩蔽磷擴(kuò)散。但當(dāng)最后一道工序不是用磷時(shí)(如p-n-p晶體管)，習(xí)慣上在封裝之前先除去表面上由B203·Si02組成的氧化膜，并生長一層PSG膜。

PSG膜常作為集成電路成品的包覆層。它可以保護(hù)鋁金屬布線層在最后焊接時(shí)不受損傷，并且作為防止鈉離子遷移的永久性保護(hù)膜。這種鈍化層中，P205的含量不得超過6％(重量)，以防止有水氣存在時(shí)與鋁金屬布線層發(fā)生腐蝕反應(yīng)。常用Si02—PSG—Si02層狀結(jié)構(gòu)代替單一的PSG層，以避免鋁和PSG層的直接接觸。

三、氮化硅1．氮化硅薄膜的制備氮化硅在結(jié)構(gòu)上有晶態(tài)和非晶態(tài)兩種。作為器件使用的氮化硅膜應(yīng)當(dāng)是非晶態(tài)的。(1)直接氮化生長氮化硅硅的本征氮化物是通過直接氮化而生長的，但須在高溫(1000～1300℃)進(jìn)行，而且對微量的水或氧都極敏感。此外，氮在氮化硅中的擴(kuò)散本領(lǐng)很低，因而膜厚受到限制。因此，目前硅和砷化鎵工藝中使用的氮化硅膜都采用沉積方法來生長。(2)濺射法以硅作靶，氮?dú)夥烹?，用RF濺射可成功地沉積非晶氮化硅膜，這時(shí)基片溫度為200～300℃。也可直接用氮化硅作靶，氬-氮作為本底氣氛進(jìn)行濺射生長。不管采用何種工藝，薄膜質(zhì)量對氮分壓及RF功率都很敏感，它們決定了薄膜的化學(xué)配比。富硅膜和富氮膜都可生長。一般說來，越接近Si3N4成分，性能(密度、抗離子遷移能力等)越好，內(nèi)應(yīng)力越小。

(3)CVD法沉積氮化硅膜在器件生產(chǎn)中，主要采用CVD法沉積氮化硅膜。通過SiH4和NH3(氨)的反應(yīng)，用氮作稀釋氣體，一般在700℃按下式進(jìn)行反應(yīng)：

3SiH4+4NH3—→Si3N4+12H2熱壁管和冷壁管、常壓和低壓系統(tǒng)都可用來生長氮化硅。膜的成分和性質(zhì)可通過氣流中NH3和SiH4的比例來控制。在熱壁系統(tǒng)中，NH3∶SiH4的摩爾比為150以上，生長率為0．01～0．02μm／min。

目前，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，氮化硅的沉積傾向于采用低壓熱壁系統(tǒng)，這時(shí)可把硅基片排得很密進(jìn)行沉積，但仍可形成均勻的膜層。由于大大減少甚至不用載氣可實(shí)現(xiàn)低壓操作，因此在這種系統(tǒng)中，反應(yīng)物的分壓及生長速率可與常壓系統(tǒng)相近。問題是在輸運(yùn)SiH4這類濃反應(yīng)物時(shí)非常危險(xiǎn)。有的系統(tǒng)使用氯硅烷作反應(yīng)物，在輸運(yùn)時(shí)比較安全，反應(yīng)溫度在700～800℃之間。其反應(yīng)式為：

3SiCl2H2+4NH3—→Si3N4+6HCl十6H2

等離子體增強(qiáng)冷壁系統(tǒng)沉積氮化硅時(shí)，反應(yīng)室在低壓(10～130Pa)下工作，并用RF等離子體獲得反應(yīng)物的一種或多種活性物質(zhì)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是沉積反應(yīng)可在較低的溫度(275～300℃)下進(jìn)行，因?yàn)榈入x子體的電子溫度高(≌10000K)。這樣，薄膜可直接生長在集成電路成品上。這種系統(tǒng)的生長速率為0.02μm／min左右。SiH4和NH3在氬等離子體中反應(yīng)，或SiH4在氮放電中的反應(yīng)，均可沉積氮化硅膜。常假定反應(yīng)按下式進(jìn)行：

SiH4+NH3—→SiNH+3H22SiH4+N2—→2SiNH十3H2

這樣生成的氮化硅合有大量的氫，H／Si原子比常大于1。這對膜的性質(zhì)諸如刻蝕速率有很大影響。提高生長溫度(300～400℃)，可使H／Si的比例降到0．5左右，因而改善了薄膜的性質(zhì)；另一種方法是將膜在700℃熱處理也可以使其致密，但這就失去了等離子體增強(qiáng)方法具有成膜溫度較低的固有優(yōu)點(diǎn)。

用等離子體增強(qiáng)CVD系統(tǒng)沉積的氮化硅膜，與沉積條件(如頻率、電極間距、反應(yīng)劑分壓、基片溫度等)有關(guān)。要對此類薄膜進(jìn)行比較時(shí)，必須知道全部的沉積條件。由等離子體增強(qiáng)CVD系統(tǒng)沉積的氮化硅膜，含氫量可達(dá)20％以上。但這種氮化硅(SiNxHy)膜對水和鈉仍有極強(qiáng)的阻擋能力，并有較高的電阻率和合適的應(yīng)力，因而仍可作為器件的最終鈍化層與多層布線介質(zhì)使用。在大面積硅器件的生產(chǎn)中，可利用氮化硅膜中很高的內(nèi)應(yīng)力。這時(shí)先在硅基片的背面沉積一層氮化硅，因氮化硅膜產(chǎn)生很高的界面應(yīng)力，使硅受到應(yīng)力的作用產(chǎn)生滑移，從而形成位錯網(wǎng)絡(luò)。集成電路位于硅基片的正面，而在后續(xù)高溫工藝過程中，位錯網(wǎng)絡(luò)有吸雜作用。用這種方法還可大大減少氧化層錯的形成。

2．氮化硅薄膜的功能氮化硅薄膜被廣泛用于硅和砷化鎵器件的制造工藝中，它可分別作為鈍化膜、局部氧化掩膜、擴(kuò)散掩膜、絕緣介質(zhì)膜，以及雜質(zhì)或缺陷的萃取膜使用。與此相關(guān)的氮化硅最重要的性質(zhì)，是對H20、O、Na、A1、Ga、In等物質(zhì)的擴(kuò)散都具有極強(qiáng)的阻擋能力。理想配比成分的氮化硅是Si3N4。不管采用哪種方法沉積的氮化硅，一般都偏離配比成分，Si／N的原子比在0．7～1．1之間。氮化硅膜是一種致密的寬帶隙絕緣體，介電常數(shù)為5．8～6．1，折射率為1．98～2．05，密度為2．3～2．8g／cm3。

與Si02或摻雜SiO2相比，氮化硅膜需要較高的沉積溫度。因此，它只在使性能有所改善的場合使用。氮化硅常與SiO2結(jié)合起來使用，能同時(shí)阻擋電子和堿離子的遷移。氮化硅能限制鎵的擴(kuò)散，因此可將它作為砷化鎵離子注入后高溫(900℃)退火時(shí)的包覆層。氮化硅對常用摻雜劑B(硼)、P(磷)、As(砷)等的掩蔽能力較Si02強(qiáng)得多，而掩蔽擴(kuò)散所需的膜厚差不多比Si02薄一個數(shù)量級。較薄的掩膜意味著具有更高的光刻精度。氮化硅對水和氧的擴(kuò)散有阻擋作用，使它的抗熱氧化能力約比硅高100倍，因而在VLSI電路中它可以作為需要局部氧化的掩膜使用。由于氮化硅的抗輻射能力比Si02好，因而它可用于抗輻射器件中。四、氮氧化硅薄膜氮氧化硅的物理性質(zhì)介于Si02和Si3N4之間，它可以在氮化硅沉積系統(tǒng)中再通入含氮的氧化物而生成，也可以使Si02膜的熱氮化而生成。近l0年來，Si02膜的熱氮化產(chǎn)物——氮氧化硅(SiOxNy)，以其良好的性能和較簡單的制備工藝，受到國內(nèi)外的重視。

Si02膜的熱氮化形成SiOxNy膜的方法，可采用常壓熱壁式、低壓冷壁式，以及等離子增強(qiáng)式等多種。其共同點(diǎn)是采用與傳統(tǒng)的熱生長SiO2兼容的工藝。

目前大都采用常規(guī)熱氮化的方法形成Si0xNy。將Si02膜置于熱氮化爐中，在溫度為1000～1100℃時(shí)，通入高純氨氣(鈍度為99．999％，其中水含量小于5ppm，碳?xì)浠衔锖脱鹾烤∮?ppm)，熱氮化0．5～1h，便形成了Si0xNy薄膜。常規(guī)熱氮化制備的Si0xNy膜的優(yōu)點(diǎn)是：擊穿電壓高，分散性較小，抗輻射能力強(qiáng)(與Si02膜相比)，后續(xù)工藝過程中對摻雜劑以及雜質(zhì)的掩蔽能力較強(qiáng)，絕緣性能好，漏電流小，抗鈉離子沾污能力高，與鋁電極的反應(yīng)小等。其缺點(diǎn)是：體電子陷阱及界面態(tài)密度高，熱制備工藝周期長，硅基片雜質(zhì)分布容易改變等。

另一種是在電阻絲加熱的熱氮化爐的石英反應(yīng)器中通入高純氨氣，待爐溫升到1150℃左右，把Si02膜樣品快速推進(jìn)高溫石英反應(yīng)器中，快速熱氮化0.5～2min，便可形成SiOxNy膜。不管是常規(guī)或者是快速熱氮化形成的Si0xNy膜，其所選擇的溫度與時(shí)間均要根據(jù)集成電路或電子器件對Si0xNy薄膜性能的具體要求而定。

五、非晶硅薄膜非晶硅薄膜因在太陽能電池中得到應(yīng)用而引起人們的重視，而且在適當(dāng)工藝條件下制備的非晶硅膜可作硅結(jié)的鈍化層，并且有良好的性能。在RF加熱的反應(yīng)器內(nèi)，通過SiH4的輝光放電熱分解，可形成非晶硅薄膜。氫是SiH4的組分，故非晶硅膜中含有氫。不過在沉積過程中，可以用人為摻雜的方法控制氫的含量。當(dāng)氫含量低于50％(原子比)時(shí)，所形成的薄膜既致密又堅(jiān)硬，而氫鍵在結(jié)晶硅表面的懸掛鍵上，使表面鈍化。這樣，一般可使器件的反向漏電流降低2～3個數(shù)量級。非晶硅膜一般用α—Si∶H表示。α—Si∶H在高溫下會釋放出氫，因此非晶硅薄膜在后續(xù)工藝中的穩(wěn)定性，以及使用過程中的可靠性還不夠理想。但非晶硅極具有吸引力，故需要對它作進(jìn)一步的研究。

六、自對準(zhǔn)掩膜技術(shù)

限制MOS晶體管高頻增益的主要因素是柵極和漏極重疊引起的寄生電容。制造器件時(shí)，為使器件能滿意地工作，柵極和漏極略有重疊是非常重要的。圖5—12(a)所示的MOS晶體管，其中重疊長度L由柵極長度、源極和漏極氧化膜臺階之間的距離以及源、漏區(qū)的橫向擴(kuò)散所決定。如果使L保持最小，則上述因素必須嚴(yán)格控制。在這種結(jié)構(gòu)中，源極和漏極的擴(kuò)散層常做得很深(約2μm)，以保證橫向擴(kuò)散能產(chǎn)生一定的重疊。這樣就增大了漏極的寄生電容，進(jìn)而使器件的性能變差。

在源極和漏極擴(kuò)散時(shí)，若用柵材料作掩膜，則上述問題可得到緩和。使用難熔金屬柵可以保證在柵極和擴(kuò)散區(qū)之間總有一些重疊，而不需要考慮定位不準(zhǔn)的問題或橫向擴(kuò)散的程度。這時(shí)可用極淺的擴(kuò)散層(0.2～0.5μm)，同時(shí)減少了重疊長度，因此提高了器件的工作速度。另外，用柵材料作擴(kuò)散掩膜時(shí)，重疊長度不取決于掩膜相對于場氧化膜的位置。如圖5—12(b)所示，即使掩膜位錯嚴(yán)重，器件仍能工作得很好。為此，這種掩膜稱為自對準(zhǔn)掩膜。而在VLSI工藝中，常使用難熔金屬及多晶硅作柵極材料。

1．多晶硅膜掩膜(1)多晶硅膜的制備生長多晶硅膜的方法很多，如濺射、蒸發(fā)和CVD等。目前普遍采用熱壁LPCVD生長系統(tǒng)沉積多晶硅，其優(yōu)點(diǎn)是沉積溫度低、厚度均勻性好、可形成共形的臺階覆蓋、生產(chǎn)效率高、成本低。利用SiH4的熱反應(yīng)進(jìn)行沉積，溫度為600～650℃。其反應(yīng)式為

SiH4

—→Si十2H2LPCVD沉積多晶硅可采用壓力為26～133Pa的純SiH4或以氮稀釋的20％～30％的SiH4。兩者的沉積速率均為10～20nm／min，其厚度的均勻性優(yōu)于±5％，但從工藝的易控性考慮，稀釋的SiH4優(yōu)于純SiH4。

(2)摻雜多晶硅多晶硅可用擴(kuò)散與注入方法進(jìn)行摻雜，也可在沉積的反應(yīng)氣氛中通入摻雜劑而進(jìn)行就地?fù)诫s。上述三種方法，在器件的制造中都獲得了應(yīng)用。在MOS晶體管中作柵材料的摻雜多晶硅，是用B2H6(乙硼烷)、AsH3(砷烷)或PH3(磷烷)在沉積膜的過程中進(jìn)行摻雜的，常用氫稀釋摻雜劑，使其濃度為200～300ppm。加入摻雜劑后，沉積膜的沉積速率和電阻率都發(fā)生變化。

圖5—13為摻雜劑對薄膜沉積速率的影響。加入B2H6可大大增加沉積速率；相反，加入PH3或AsH3則使沉積速率迅速下降。摻雜對沉積速率的影響，在常壓CVD中也可以觀察到。因此，在通常情況下，都是先進(jìn)行沉積，然后通過熱擴(kuò)散或離子注入方法進(jìn)行摻雜。

擴(kuò)散摻雜是在高溫過程中進(jìn)行的，通?？墒苟嗑Ч璧玫綐O低的電阻率。由于過量的雜質(zhì)在晶粒邊界處分凝，使多晶硅中摻雜劑的濃度超過該溫度下的固溶度。摻雜劑在多晶硅中的擴(kuò)散較在單晶中快，而橫向擴(kuò)散快于與膜表面垂直的縱向擴(kuò)散。重?fù)诫s的擴(kuò)散濃度大于1021cm-3。注入摻雜的多晶硅，其電阻率主要取決于注入劑量、退火溫度及退火時(shí)間。由于大劑量注入雜質(zhì)的濃度只接近1020cm-3，故注入摻雜多晶硅的電阻率較擴(kuò)散重?fù)诫s多晶硅的電阻率約高10倍。

用PH3、AsH3或B2H6進(jìn)行就地?fù)诫s多晶硅，其電阻率受沉積溫度、摻雜劑濃度和退火溫度的強(qiáng)烈影響。一般沉積溫度低，電阻率高；沉積溫度高，電阻率變低。在這中間存在著某一溫度，使電阻率突變，并正好與無定形結(jié)構(gòu)到柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變相對應(yīng)。其溫度對磷摻雜為625℃，對硼摻雜為525～550℃。摻雜多晶硅的退火，使薄膜再結(jié)晶后電阻率急劇下降。就地?fù)诫s多晶硅的摻雜濃度可達(dá)1020～1021cm-3，但其電子遷移率較低，故其電阻率比期望值要高。相對之下，在VLSI工藝中，常采用加熱溫度較低的離子注入法和就地?fù)诫s法進(jìn)行多晶硅的摻雜。

(3)氧摻雜半絕緣多晶硅在多晶硅膜的沉積過程中，加入一定量的一氧化二氮(N20)氣體，可以部分地氧化多晶硅膜，形成氧摻雜的半絕緣多晶硅薄膜，并稱為摻氧半絕緣多晶硅(記作0-SIPOS)。當(dāng)SiH4／N20的摩爾比為5時(shí)，在13～27Pa的LPCVD系統(tǒng)中生長的多晶硅膜的含氧量為20％，其生長速率為0.01～0.02μm／min。這種薄膜是高壓硅器件理想的鈍化膜，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Si02薄膜。

O—SIPOS薄膜具有如下優(yōu)點(diǎn)①由于這種薄膜是沉積形成的，其成分又與硅基片相同，因而不存在熱生長Si02—Si系統(tǒng)固有的固定正電荷。②薄膜是在較低溫度下形成的，因而鈉離子污染的可能性較熱氧化時(shí)小得多。O—SIPOS薄膜基本上是電中性的。③由于這種薄膜是半絕緣的，p—n結(jié)雪崩擊穿時(shí)注入膜中的熱電子不會在其中長期停留，因而它可克服勢壘區(qū)雪崩擊穿時(shí)引起的擊穿電壓蠕變現(xiàn)象。④當(dāng)薄膜上存在外電場或離子污染時(shí)，由于這種膜的晶粒界面存在較高的載流子密度，加之膜本身的微弱導(dǎo)電性，硅中感生的電荷便可漂移進(jìn)入陷阱，從而對外電場與離子起屏蔽作用，使器件的穩(wěn)定性得到提高。

⑤采用這種薄膜鈍化p+—n結(jié)時(shí)，由于鈍化膜的微弱導(dǎo)電性，p+區(qū)施加的負(fù)電位將傳到n型硅的表面，使勢壘區(qū)n型硅表面附近的電子濃度減小，從而削弱了表面勢壘區(qū)的表面電場強(qiáng)度。在擊穿電壓受表面限制的情況下，它可提高擊穿電壓值。

由于上述原因，用O—SIPOS作硅器件鈍化膜，其反向擊穿電壓很容易達(dá)到1kV以上，其穩(wěn)定性也很好，而用熱氧化物作硅器件的鈍化膜時(shí)，其反向擊穿電壓通常只能達(dá)到數(shù)百伏。半絕緣多晶硅的電學(xué)性質(zhì)隨其含氧量增加而連續(xù)變化。當(dāng)氧原子含量達(dá)到66.7％時(shí)，它便全部轉(zhuǎn)變?yōu)镾i02。對深平面結(jié)的實(shí)驗(yàn)表明，氧含量增加，p—n結(jié)的擊穿電壓逐步下降，薄膜電阻率不斷增大，而反向漏電則不斷減小。當(dāng)采用SiH4—N2系統(tǒng)沉積多晶硅時(shí)，通入N20可得到0—SIPOS，通入NH3可使多晶硅氮摻雜而得到摻氮半絕緣多晶硅，并記作協(xié)—SIPOS。它具有類似于氮化硅阻擋鈉離子和水分子的能力，可作為覆蓋層。然而這種薄膜并不需要取得薄膜成分的平衡，因?yàn)槌浞值梢云鸬阶詈玫谋Ｗo(hù)作用。采用N—SIPOS／0—SIPOS雙層鈍化結(jié)構(gòu)，已獲得擊穿電壓超過10kV的平面結(jié)。

2．硅化物掩膜雖然多晶硅很適合于自對準(zhǔn)掩膜工藝，但隨著多晶硅線條的變細(xì)，互連線的電阻便越來越大，由此產(chǎn)生的RC延遲對電路性能的影響就越來越嚴(yán)重。所以當(dāng)電路的特征尺寸縮小到2μm以下時(shí)，摻雜多晶硅就不適于作互連材料，此時(shí)必須考慮新的材料。難熔金屬硅化物的電阻率較重?fù)诫s多晶硅幾乎低一個數(shù)量級，因此在硅化物上有可能加工更細(xì)的線條而不降低器件的工作速度。由于大多數(shù)硅化物的電阻率都較低，若用它作互連材料，則可使工藝全面簡化。硅化物可用RF濺射直接沉積，也可用硅和難熔金屬共同濺射或依次濺射。這樣，可單獨(dú)控制各種成分，成膜后在適當(dāng)?shù)臏囟认聼崽幚恚纬晒杌铩?/p>

3.難熔金屬膜掩膜鉬和鎢都可用電子束蒸發(fā)和濺射方法而沉積，它們不與Si02反應(yīng)，附著較差。但鉬比鎢的附著好，因此制造器件時(shí)傾向于使用鉬。若將鉬沉積在被加熱(200～300℃)的基片上，則鉬的附著增強(qiáng)。與蒸發(fā)和濺射沉積相比，難熔金屬的化學(xué)氣相沉積具有不少優(yōu)點(diǎn)。CVD可提供良好的臺階覆蓋，其生產(chǎn)效率高，設(shè)備簡單并具有較高的沉積純度，因而非常適合于器件的生產(chǎn)。用氫還原六氟化鉬(MoF6)沉積鉬膜，方法簡便。MoF6是強(qiáng)揮發(fā)液體，在30℃時(shí)的蒸氣壓約為8×104Pa，輸運(yùn)方便。用MoF6作反應(yīng)材料源，生長溫度為400～1000℃。其反應(yīng)式如下：

MoF6+3H2—→Mo+6HF高溫(800～1000℃)生長鉬膜時(shí)，HF對石英反應(yīng)器和基片產(chǎn)生嚴(yán)重的斑蝕，且膜呈柱狀，晶粒尺寸大，在﹤110﹥晶向的方向擇優(yōu)取向，結(jié)果使得薄膜的結(jié)構(gòu)疏松，不宜于作擴(kuò)散掩膜。但在400～450℃的低溫生長的鉬膜，則結(jié)構(gòu)致密，顆粒結(jié)晶小，且HF與管壁和基片的反應(yīng)不嚴(yán)重。用五氯化鉬(MoCl5)在600℃也能生長鉬膜。其反應(yīng)式如下：

2MoCl5+5H2—→2Mo十10HCl生成的是小顆粒結(jié)晶致密薄膜，但高溫生長