材料课件第一章微电子技术中图形加工的方法

第一章

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SiCl4十2H2Si(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2—2(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2—3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1μm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(10-8～10-6Pa)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1μm／h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。第三节氧化通常将硅片在电阻炉中加热到900～1200℃，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：Si(固)+O2→Si02(固)蒸汽流氧化：Si(固)+2H20→Si02(固)+2H2

热氧氧化化过过程程第四四节节光光刻刻光刻刻是是一一种种图图像像复复印印与与刻刻蚀蚀(化学学的的、、物物理理的的或或两两者者兼兼而而有有之之)相结结合合的的综综合合性性技技术术。。它它先先用用照照相相复复印印的的方方法法，，将将光光刻刻掩掩模模的的图图形形精精确确地地复复印印到到涂涂有有待待刻刻蚀蚀材材料料(Si02、A1、多多晶晶硅硅等等薄薄膜膜)表面面的的光光刻刻胶胶上上面面，，然然后后在在光光刻刻胶胶的的保保护护下下对对待待刻刻材材料料进进行行选选择择性性刻刻蚀蚀，，从从而而在在待待刻刻材材料料上上得得到到所所需需要要的的图图形形。。微细细结结构构加加工工所所使使用用的的光光刻刻类类型型光学学光光刻刻是是微微电电子子工工业业中中最最重重要要的的技技术术，，通通常常用用于于2～～3μμm线线宽宽的的制制造造。。电子子束束光光刻刻主主要要用用于于掩掩模模制制造造。。对对于于高高密密度度的的微微电电子子结结构构，，电电子子背背散散射射使使它它的的实实际际线线宽宽下下限限限限制制在在0．．5μμm左左右右。。X射线线光刻刻所加加工的的线宽宽接近近百分分之几几微米米的量量级，，但需需要一一个复复杂的的吸收收掩模模和薄薄膜支支撑结结构。。离子束束光刻刻提供供了图图形的的掺杂杂能力力，并并具有有很高高的分分辨率率(0．01μμm以以下)。掩模制制造一、制制版工工艺在制版版工艺艺中，，首先先需要要制造造一个个掩模或传送送一个个所需需要的的图形形。掩模制制造从从一个个被称称作原原图的的大尺尺寸布布线图图开始始接着用用照相相机拍拍照。。一般般初始始原图图尺寸寸是最最后电电路芯芯片的的500倍倍。2.5mm的芯芯片，，原图图可能能是125cm。成成功的的制版版工艺艺首先先将原原图缩缩小为为1／／100，，然后后再缩缩小为为原图图的1／500，最后后精确确地印印在模模版上上。接触曝光光刻胶胶涂在在氧化化物层层上，，如图图2—9(a)所示，，并将将它和和玻璃璃版接接触，，然后后曝光光，如如图2—9(b)所示。。在显显影工工艺中中，未未曝光光的涂涂层被被溶掉掉，这这样便便在涂涂层中中留有有一个个窗口口，如如图2—9(c)所示。。剩余余的光光刻胶胶涂层层具有有化学学稳定定性，，以便便隔离离酸性性溶液液对氧氧化物物层的的刻蚀蚀，并并在氧氧化物物层中中产生生一窗窗口，，如图图2—9(d)所示示。。然然后后，，把把剩剩余余的的光光刻刻胶胶涂涂层层从从基基片片上上除除去去，，为为下下一一步步加加工工准准备备了了基基片片。。这这种种在在半半导导体体基基片片上上产产生生图图形形的的方方法法称称为为接接触触曝曝光光。。接接触触曝曝光光中中，，由由于于掩掩模模与与光光刻刻胶胶的的接接触触，，使使掩掩模模磨磨损损而而引引起起缺缺陷陷。。若若掩掩模模与与基基片片之之间间有有一一间间隔隔，，这这就就避避免免了了相相互互接接触触和和由由接接触触而而引引起起的的缺缺陷陷。。但但是是，，较较大大的的间间隔隔会会增增加加透透射射光光的的绕绕射射，，降降低低了了分分辨辨率率，，同同时时使使个个别别光光刻刻胶胶上上的的图图形形变变模模糊糊。。这这种种影影响响，，取取决决于于掩掩模模与与基基片片间间的的实实际际间间隔隔。。基基片片平平整整度度的的变变化化和和绕绕射射效效应应，，通通常常把把可可见见光光的的非非接接触触曝曝光光限限制制到到特特征征尺尺寸寸为为7μm。二、投影复制制在投影复制中中，借助在掩掩模和基片之之间的高分辨辨率透镜把光光掩模的图形形直接投影在在基片的光刻刻胶上，掩模模寿命主要受受操作损伤的的限制。一种类型是用用单一光照射射整个基片，，掩模上的图图形通常与基基片(直径5～10cm)上的图形形具有相同的的尺寸。市售售1：1的投投影复制机在在2～3μm的范围内图图像清晰，其其对准精度为为0．3～0．6μm。。另一类型是用用掩模产生的的图形只对部部分基片曝光光，这时掩模模比投影图形形大5或10倍。然后基基片步进到一一个新的位置置，又对基片片的另一部分分曝光。通过过步进重复，，整个基片就就完成了曝光光。步进重复复系统为9～～8l步，分分辨率为1～～2μm，重重复精度约0．25～0．5μm。。三、电子束光光刻采用常用光刻刻工艺可形成成的最小线条条宽度毕竟受受光波长的限限制，现行技技术通常能复复制几微米的的元件，并有有可能把最小小尺寸降到1μm。由于电子束束和X射线的波长为为毫微米(nm)甚至更小，故故利用它们可可产生极细的的线条。电子束光刻比比光学光刻有有吸引力，并并不只是因为为它波长短，，还因为它有有如下优点：：(1)电子可可以成像，形形成图形或小小点的尺寸可可≤0．01μm；而可可见光点则只只有0．5μμm。(2)通过静静电场或磁场场可使电子束束偏转和进行行速度调制。。(3)电子束束能量和涂敷敷在基片上的的光刻胶剂量量可精确控制制。电子束可以由由计算机程序序控制直接扫扫描而产生图图形，或通过过特别掩模的的电子图像而而产生图形。。来自电子束束源的电子可可形成一射束束，它在涂有有光刻胶的基基片上偏转和和调制便可绘绘出所希望的的图形。电子子可形成亚微微米点的图像像，在小于10-7s的时间里，有有足够的电流流使光刻胶曝曝光。电子束光刻系系统方框图扫描系统有光栅扫描和矢量控制两种系统。光光栅扫描系统统有顺序地覆覆盖着产生图图形的整个面面积，并根据据要记录的图图形的需要，，调整电子束束的开或关；；矢量控制系系统则根据图图形的需要使使电子束偏转转到确定的轨轨迹。与电子子束发生器有有关的电子光光学系统类似似于电子显微微镜，一般由由热阴极的电电子源提供了了热发射的自自由电子，这这些电子被静静电场加速和和电磁场聚焦焦，受静电场场和电磁场的的偏转和控制制，最后到达达基片，形成成清晰的图形形。四、X射射线光刻刻掩模由X射线透透明膜片片组成，，膜片支支撑着一一个薄膜膜图案，，图案材材料对X射线具具有强的的吸收作作用。掩掩模放在在涂有对对X射线线敏感的的光刻胶胶的基片片上。由由聚焦电电子束产产生的远远“点””X射线线源照射射到掩模模上，吸吸收了X射线的的图形被被投影到到聚合膜膜上。图图中给出出了半阴阴影δ，，它由X射线源源的实际际有限尺尺寸d产产生。在在任一给给定曝光光条件下下，可通通过适当当选择s、d和和D，就就可按要要求使δδ减小。。图2—12和图2—13为制造微微米表面面图形所所用的工工艺和光光刻后单单层及层层状基片片的掺杂杂工艺。。曝光后后，显影影除去的的或是曝曝光区(正性胶)或是非曝曝光区(负性胶)。因此，，在基片片表面上上留下了了明显的的光刻胶胶图形。。在光刻刻胶上形形成凹凸凸结构后后，用下下述方法法之一加加工基片片：在基基片上刻刻蚀图形形；生长长材料；；掺杂；；通过光光刻胶图图形的开开口位置置沉积材材料。由由于X射线波长长在10-3μm的数量级级，因此此衍射效效应通常常可以忽忽略。第五节刻刻蚀蚀通过光刻刻工艺在在光刻胶胶上产生生图形以以后，光光刻胶下下面的薄薄膜通常常采用刻刻蚀的方方法得到到图形。。在微电电子技术术中，刻刻蚀包括括湿法和和干法。。湿法刻刻蚀通常常是指化化学刻蚀蚀，它是是利用材材料和刻刻蚀液的的化学反反应进行行加工的的，适用用于几乎乎所有的的金属、、玻璃、、塑料等等材料的的大批量量加工，，也适用用于硅、、锗等半半导体材材料，以以及在玻玻璃上形形成的金金属膜、、氧化膜膜等的微微细加工工，是应应用范围围很广的的重要技技术。干干法刻蚀蚀是利用用活性气气体与材材料反应应而生成成挥发性性化合物物来进行行的加工工，包括括离子刻刻蚀、等等离子刻刻蚀、反反应等离离子刻蚀蚀等，它它是今后后微电子子技术中中一种非非常有用用的刻蚀蚀方法。。一、化学刻蚀蚀表2—2列出了微电子子工业中用于于薄膜材料的的典型刻蚀剂剂。湿化学法法或溶液刻蚀蚀法会产生一一些问题，如如光刻胶置于于加热的酸液液中，常常失失去它对下面面薄膜的附着着力；在向下下刻蚀的同时时，也向着横横方向刻蚀，，即所谓“钻钻蚀”作用，，使加工的线线条变宽，这这对于刻蚀亚亚微米图形就就失去了意义义。其次，由于存存在表面张力力的作用，溶溶剂刻蚀越来来越难以适应应高分辨率图图形的加工，，而干法刻蚀蚀正好弥补了了这些不足。。二、各向异性性刻蚀用化学试剂刻刻蚀单晶硅时时，不同晶面面的刻蚀速率率是不同的。。图2—14为硅的金刚刚石立方结构构和它的两个个面的密勒指指数。因硅<111>面面(图2—14的c)比比硅<100>面(图2—14的b)的排排列更紧密，，故其刻蚀速速率更低。这这一概念已被被用于三维结结构的有源或或无源器件的的加工以及表表面器件的加加工。各向异性刻蚀蚀工艺与各向向异性刻蚀液液(专用于刻刻蚀硅的溶液液，由乙烯二二胺、邻苯二二酚及水组成成，典型的组组成是17mL乙烯二胺胺、3g邻苯苯二酚及8mL水，它可可阻止对重掺掺杂p+硅的刻蚀)结结合，可以制制造薄膜型小小圆孔，如图图2—15所所示。当杂质质浓度NA达到1019／cm3时，专用液中中的硅急剧下下降；当NA＞7×1019／cm3时，刻蚀速率率达到零。在在专用液中刻刻蚀重掺杂p+表面层的硅基基片时，末掺掺杂的硅被除除去p+膜被留下，其其厚度等于表表面层的深度度，而杂质浓浓度NA＞7×1019／cm3。这一特性已已被用于制造造膜厚在1——10um之之间的不同结结构的器件。。第六节掺杂掺杂是指用人人为的方法，，将所需的杂杂质按要求的的浓度与分布布掺人半导体体等材料中，，以达到改变变材料电学性性质和形成半半导体器件的的目的。利用用掺杂技术可可以制备p-n结、电阻阻器、欧欧姆接触触和互连连线等。。掺入杂杂质的种种类、数数量及其其分布，，对部件件性能的的影响极极大，因因此必须须进行精精确的控控制。掺杂方法法可分为为合金法法、扩散散法和离离子注人人法。在在集成电电路制造造中，主主要采用用扩散法法和离子子注入法法，图2-16及表2—3对对采用用这两种种工艺进进行掺杂杂时的均均匀性、、重复性性、污染染情况和和环境条条件等作作了比较较。一、扩散散扩散过程包括括两个步步骤，首首先是通通过气相相沉积或或涂覆的的方法，，在基片片表面上上覆盖一一层所希希望的掺掺杂剂，，使基片片表面上上合有一一定量的的杂质；；然后进进行驱动动扩散，，使杂质质原子向向晶体内内运动。。这就是是常说的的两步扩扩散法。。前者称称为预沉积，后者称称为再分布。杂质原原子分布布的形状状主要由由杂质原原子在基基片表面面的状况况而定，，而扩散散深度主主要取决决于温度度和扩散散时间。。替位式扩扩散和间间隙式扩扩散扩散运动动是微观观粒子(原子或分分子)热运动的的统计结结果。在在一定温温度下杂杂质原子子具有一一定的能能量，能能够克服服某种阻阻力而进进入半导导体，并并在其中中作缓慢慢的迁移移运动。。这些杂杂质原子子不是代代替硅原原子的位位置就是是处在晶晶体的间间隙中，，因此扩扩散也就就有替位式扩扩散和间隙式扩扩散两种方式式，如图图2—17所示。替位式扩扩散。杂质原原子通过过从一个个格点位位置跳到到下一个个格点位位置，替替代了原原来的晶晶格原子子而达到到在晶格格中移动动。为此此，要求求相邻的的位置必必须是空空的，也也就是说说，要产产生替位位式扩散散必须有有空位。。由于空空位的平平衡浓度度相当低低，故可可认为替替位式扩扩散比间间隙式扩扩散慢得得多。实实际情况况确实如如此。间隙式扩散。处于晶格原原子之间空位位的杂质原于于称为间隙原原子，杂质原原子由一个间间隙位置跳到到下一个间隙隙位置而在晶晶格中移动，，它们既可以以从格点位置置开始移动，，也可以以从间隙位置置开始移动，，最终可停在在两种位置中中的一种位置置上。间隙式式扩散要求杂杂质从一个间间隙位置跳到到相邻的另一一个间隙位置置，而且杂质质原子只有处处于间隙位置置时才能以显显著的速率在在晶体中移动动。二、离子注入入离子注入就是先将杂质质原子电离，，再由电场加加速，使其获获得很高的能能量(30—100KeV)，然后“注入入”到晶体中中，再经过退退火使杂质激激活而达到掺掺杂的目的。。离子注入多多用于浅结高高精度掺杂。。磁偏转质量量分析器(90°分析磁体)消消除了不需要要的某些离子子，经偏转与与聚焦后，离离子束瞄准半半导体靶，使使高能离子渗渗透到半导体体表面。进入入半导体内的的高能离子与与靶原子核和和电子碰撞后后失去其能量量，最后静止止下来。离子注入的优优点及其问题题离子注入的优优点是它具有有很好的可控控性和重复性性。通过测量量离子流和注注入时间，可可以确定硅中中杂质离子的的数量，从而而改变杂质的的浓度。因此此，通过调节节加速电压来来控制杂质分分布就可能优优于高温扩散散。被加速的离子子与靶中的硅硅原子相碰，，可以把能量量传给靶原子子，而当靶原原子的能量足足够大时则可可使其发生位位移。当位移移原子的能量量足够大时还还可使其他靶靶原子发生位位移，从而形形成一个碰撞撞与位移的级级链，造成晶晶体损伤。不不过，在低于于1000℃的温度下让让晶片退火，，可消除大部部分损伤而恢恢复晶体的单单晶结构，同同时使注入离离子激活(即运动到晶格格位置而产生生电活性的掺掺杂作用)。三、中子嬗变变掺杂技术(NTD)中子嬗变掺杂杂技术是另一种种非常吸引人人的掺杂方法法，最普通的的是用它进行行磷掺杂而形形成均匀的n型材料。其基基本原理是由由于硅有三个个稳定的同位位素28Si、29Si和30Si，它们分别为为92．21％、4．70％和3．02％，当受到热热中子照射时时，其中只有有30Si捕获中子才产产生放射性同同位素31Si，随后31Si嬗变为稳定的的同位素31P，从而达到了了n型掺杂的目的的。这一过程程的掺杂核反反应式为：30Si+n31Si31Si31P+β-31P+n32P32P32S+β-由此看到，31P也可以捕获一一个中子而引引起32P的发射。由于于31Si的衰变寿命很很短，没有显显示出残余的的放射性，而而32P有中等的寿命命，故可导致致可测的放射射性剂量。当当然，32P的剂量主要取取决于31P产生的剂量，，它在一定程程度上取决于于中子流和硅硅中磷的最初初剂量。中子嬗变掺杂杂最显著的优优点是均匀性性很好(可达土2％)，它不但可以以使高阻的悬悬浮区熔硅晶晶锭变成浓度度分布十分均均匀的n型(也可以实现p型)材料，而且可可以获得非常常均匀的外延延层；其次是是易于正确地地监控所引进进的裁流子数数目(准确度为士5％)。由于通过核核反应加工而而引进了辐射射损伤，所以以还必须进行行适当的退火火(一般用500—900°C退火)，以便恢复其其晶格和电阻阻率。第七节连线材料和工工艺硅基片上的分分立元件被加加工出来后，，必须将元件件连接起来构构成集成电路路(