技术-工艺4半导体工艺梁庭

技术——工艺4半导体工艺梁庭第1页/共105页作业一一、技术发展现状发展历史；市场应用情况；主要技术原理二、代表性成果产品；有影响的论文；专利；品牌等原理简介；典型结构；性能指标；优势缺点；应用前景；三、代表性的研究团队公司、研究所、大学；四、感想如果将来从事这一领域的工作，准备从事的研究方向是什么，原因？要求：每个大部分必须有，其中的小点视具体情况自行安排，可增可减第2页/共105页作业二请思考，能否将日常生活中某一个事物进行信息化改造，将MEMS技术应用其中，从而产生新的应用和功能，对所需要的技术进行简要的原理和技术分析，并对其实现的可行性进行力所能及的可行性评估。并形成一个word形式的报告。第3页/共105页MEMS工艺

——半导体制造技术梁 庭

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Liangting@第4页/共105页FabricationProcess/publications/helvajian/helvajian-2.html第5页/共105页一、掺杂掺杂定义：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

第6页/共105页1.扩散定义：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第7页/共105页替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的温度(950～1280℃)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6～7个数量级第8页/共105页第9页/共105页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。第10页/共105页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第11页/共105页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。第12页/共105页第13页/共105页扩散炉第14页/共105页第15页/共105页工艺控制污染控制：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，可重复性第16页/共105页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和质量决定掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定第17页/共105页离子注入特点：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、真空系统第18页/共105页离子注入系统的原理示意图第19页/共105页注入的离子在基底中的分布第20页/共105页根据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，umΔRP为分散度或者“离散度”

Q是离子束的剂量（原子数/cm2）第21页/共105页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100keV能级硼（B）307．069．0磷(P)135．053．5砷(As)67．826．1第22页/共105页第23页/共105页第24页/共105页3、退火定义：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。定义：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、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。第25页/共105页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。第26页/共105页二、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）

第27页/共105页薄膜定义：“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，但仍然连续第28页/共105页定义：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——氧化O2H2O干氧典型速度：1200oC，50min，180nm第29页/共105页二氧化硅膜的性质（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B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的扩散系数。Dsi>>Dsio2SiO2膜要有足够的厚度。一定的杂质扩散时间、扩散温度下，有一最小厚度第30页/共105页二氧化硅膜的性质（2）3.二氧化硅膜的绝缘性质热击穿、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。介电常数3～～4（3.9）第31页/共105页常压氧化技术种类：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。第32页/共105页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：第33页/共105页二氧化硅的热氧化设备第34页/共105页由颜色来确定氧化层厚度第35页/共105页氧化炉第36页/共105页2、化学气相淀积技术CVD：ChemicalVaporDeposition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。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。第37页/共105页常用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（PECVD）可以降低反应所需温度，常用于生长氮化硅，作最后钝化层使用第38页/共105页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第39页/共105页化学气相淀积LPCVD：成本低，均匀性好，台阶覆盖好，片子干净PECVD：温度低，易于腐蚀，针孔密度小系统：气体输入：正硅酸乙酯，硅烷和氨气，硅烷激活能源：电阻加热（热壁），射频或紫外光（冷壁）气体排出：氮气或氩气保护旋转装置：保证均匀性第40页/共105页特点:用于SiO2的淀积◆PWS－5000：SiH4+O2=SiO2+H2Oφ100mm：10片，φ125mm:8片Time:15minTemp:380～450℃±6℃厚度均匀：<±5％第41页/共105页应用情况多晶硅：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750~800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+NO2910℃第42页/共105页三种主要CVD工序的总结和比较CVD工艺压强/温度通常的淀积速率10-10米/分优点缺点应用APCVD100—10kPa350~400℃SiO2：700简单、高速、低温覆盖度较差微粒污染掺杂或非掺杂氧化物LPCVD1—8汞柱℃550~900℃SiO2：50—180Si3N4：30—80多晶硅：30—80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PECVD0.2—5汞柱300~400℃Si3N4：

300—350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第43页/共105页3.外延概念：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第44页/共105页微电子工业中有几种技术可用于外延沉积分子束外延(MBE)金属有机物CVD(MOCVD)第45页/共105页MBE生长室的基本结构示意图第46页/共105页三、光刻(Lithography)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目的：图形转移第47页/共105页光刻（Lithography

）

石版（litho）光刻（lithography）写（graphein）重要性：是不可缺少的工艺步骤，是一个复杂的工艺流程第48页/共105页光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变第49页/共105页正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶第50页/共105页光刻的整个生产过程正胶和负胶工艺正好形成两种互补的图形结构第51页/共105页几种常见的光刻方法接触式光刻：分辨率较高，容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上第52页/共105页三种光刻方式第53页/共105页光刻工艺介绍1.晶片清洗

2.脱水和烘干

3.甩胶4.前烘

5.曝光

6.显影

7.坚膜

8.腐蚀9.去胶

第54页/共105页光刻工艺过程作用：保证硅片表面无灰尘、油脂、水，保证粘附性和光刻质量清洗不好，会造成脱胶、表面灰尘导致粘版、部分图形不感光等光刻缺陷。（1）清洗和烘干表面不干燥，会造成脱胶如果硅片搁置较久或返工，应重新清洗烘干，烘干后立即甩胶。氧化、蒸发后可立即甩胶，不必清洗。第55页/共105页清洗设备超临界干燥兆声清洗设备硅片甩干机第56页/共105页光刻工艺过程设备：甩胶台。在硅片表面涂覆一层粘附性好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶。一般采用旋转法，针对不同的光刻胶黏度和厚度要求，选择不同的转速。可分辨线宽是胶膜厚度的5~8倍。（2）甩胶第57页/共105页第58页/共105页光刻工艺过程前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的温度和时间随胶的种类和膜厚不同而有所差别。方法：80C下10－15分钟。（3）前烘第59页/共105页光刻工艺过程设备：光刻机对准：使掩膜的图形和硅片上的图形精确套合。曝光：对光刻胶进行选择性光化学反应，使光刻胶改变在显影液中的溶解性。通常采用紫外接触曝光法光刻胶：高灵敏度，高反差，均匀，产量大。（4）对准和曝光第60页/共105页在多次光刻中，套刻对准是实现多层结构的关键因素。第61页/共105页光刻机（ｋａｒｌＳｕｓｓ）第62页/共105页投影光刻机（UltraＳｔｅｐ１０００，１１００）第63页/共105页光刻工艺过程正胶去曝光部分，负胶去未曝光部分部分光刻胶需要超声显影显影时间根据光刻胶种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法确定。显影后检查光刻质量，不合格的返工。（5）显影(Development)第64页/共105页显影台甩干机刷版机显影台烘箱第65页/共105页光刻工艺过程除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性，增强胶膜抗腐蚀能力。坚膜的温度和时间要适当坚膜时间短，抗蚀性差，容易掉胶；坚膜时间过长，掩膜难以去除，或开裂。腐蚀时间长的可以采取中途多次坚膜（6）坚膜第66页/共105页光刻工艺过程用适当的腐蚀剂对显影后暴露的表面进行腐蚀，获得光刻图形干法腐蚀和湿法腐蚀SiO2：HF，BHFAl：磷酸（70~90C，加乙醇或超声去气泡）；高锰酸钾（40~50C），多晶硅：CF4PLASMA，加入2~6%O2Si3N4：CF4，加入C2H4乙烯或H2（7）腐蚀第67页/共105页光刻工艺过程溶剂去胶：含氯的烃化物做去胶剂。氧化去胶：强氧化剂，如浓硫酸，双氧水和氨水混合液等离子体去胶剥离工艺（8）去胶第68页/共105页剥离工艺（Lift-Off）在光刻工艺中，有一种代替刻蚀方法的工艺，我们称之为剥离工艺（Lift-Off）。在剥离工艺中，首先形成光刻图形，然后沉积薄膜，最后用化学试剂去除光刻胶，此时连同不需要的薄膜一同除去，这个过程正好与刻蚀过程相反。第69页/共105页第70页/共105页第71页/共105页第72页/共105页第73页/共105页四、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第74页/共105页1、蒸发定义：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，在硅片表面淀积形成金属薄膜的工艺。分类：电阻、高频、激光、电子束加热真空镀膜机：真空镀膜室：钟罩、加热器、挡板、底盘抽气系统：10-5~10-2Pa,真空泵和扩散泵真空测量仪器：热偶、热阴极电离、高频火花第75页/共105页第76页/共105页电子束蒸发原理：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优点淀积的Al膜纯度高，钠离子玷污少台阶覆盖性能好采用红外线加热衬底，工作效率高缺点：X射线破坏硅表面晶体；压力大于10²Pa时会引起放电。第77页/共105页2、溅射原理：惰性气体（Ar）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，以高速溅射到阳极（硅片）上淀积形成薄膜。分类：直流溅射、等离子体溅射、高频溅射、磁控溅射第78页/共105页高频溅射在绝缘材料的背面加上一个金属电极，加上高频电压，使绝缘材料中产生位移电流，实现绝缘材料的溅射淀积。频率：10MHz特点：不需要热阴极，能在较低的气压和电压下进行溅射，可以溅射多种材料的绝缘介质膜。第79页/共105页磁控溅射可溅射各种合金和难熔金属；磁控溅射中衬底可不加热，从阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚而不再轰击硅片，避免了硅片的温升及器件特性的退化。第80页/共105页平板型磁控溅射源示意图由于在阴极面上存在极强的磁场，电子受洛伦茲力作用而被限制在阴影区内，沿着类似摆线的轨迹运动（虚线），于是增加了电子与气体的碰撞次数，增加了等离子体的密度，提高了溅射速率。第81页/共105页真空蒸发与溅射成膜的比较蒸发溅射沉积速度较快较慢（磁控除外）膜的致密性很好更好膜与基板结合力较差牢固膜中含气量很少较多膜材选择性各材蒸汽压相差大各材溅射率相差小操作要求操作要求较高，工艺重复性差工艺重复性好，易实现自动化第82页/共105页合金化目的：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，合金化是一个必需的工艺第83页/共105页五、刻蚀选用适当的腐蚀剂，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，腐蚀剂应对光刻胶或掩膜层不腐蚀腐蚀因子：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第84页/共105页VLSL对图形转移的要求---保真度第85页/共105页VLSL对图形转移的要求---选择性第86页/共105页VLSL对图形转移的要求---均匀性第87页/共105页VLSL对图形转移的要求---均匀性

边缘腐蚀速率超过中间的部分，腐蚀结果。腐蚀停技术的应用可以做出非常光滑的腐蚀表面第88页/共105页VLSL对图形转移的要求---清洁度第89页/共105页刻蚀方法--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）反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中，并随溶液被排出。第90页/共105页刻蚀方法--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。第91页/共105页物理性刻蚀•机理：利用辉光放电将惰性气体解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀物材料的原子击出。•设备：离子铣•特点：1.纯粹的机械过程，对所有材料都可实现强的各向异性刻蚀。但选择性差2.刻出物易再淀积；3.易对下面结构造成损伤；第92页/共105页•机理：利用等离子中的化学活性原子团与被刻蚀材料发生化学反应，从而实现刻蚀目的。由于刻蚀的核心还是化学反应，因而刻蚀效果与湿法腐蚀相近，各向异性较差，但选择性很好。利用ICP技术，将等离子体密度加大，并加以较强的直流偏置，在刻蚀与钝化交替进行的步骤下，可以实现非常高深宽比的刻蚀。（BOSCH工艺）化学性刻蚀第93页/共105页物理化学性刻蚀•机理：物理性的离子轰击和化学反应相结合实现的刻蚀。•设备：反应离子刻蚀机（RIE)•传统的RIE设备结构简单、价格较低廉。通过适当选择反应气体、气压、流量和射频功率，可以得到较快的刻蚀速率和良好的各向异性。•特点：1.选择比较高；2.各向异性较好，3.刻蚀速度较快第94页/共105页•离子轰击的作用：1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏；2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉第95页/共105页DRIE、ICP刻蚀工艺第96页/共105页六、净化和清洗清洗：除去器件制造过程中偶然引