第一章

微電子技術中圖形加工的一般方法在半導體發展的早期，首先使用的半導體材料是鍺，但它很快被硅取代了。因為硅在大氣中氧化可以形成一層結力很強的透明的氧化硅(SiO2)薄膜，它可作硅表面的保護層；電路間的絕緣介質，以及作雜質擴散的掩蔽膜。砷化鎵具有很高的遷移率，是一種重要的半導體材料。但由于砷化鎵在生長大的單晶和形成絕緣層方面還存在某些技術問題，因此在目前的微電子學中占統治地位的半導體材料仍然是硅。第一章微電子技術中圖形加工的一般方法在半導體發展的早期，1第一節制造微細圖形的要求平面工藝是微細加工發展中的一個非常重要的工序，其基本制作工藝是在不同電特性的薄膜材料上加工所需要的圖形。每層薄膜上先形成晶體管、電容器和整流器等元件，最后將它們連接在一起，構成了集成電路(IC)。每層薄膜有不同的電特性，可通過改變基片的性質而得到，如摻雜和氧化，但也可以用蒸發和濺射的方法，在基片上沉積一層薄膜。通過光刻的方法產生所需要的圖形，即把設計好的圖形投影到涂有光刻膠的表面層上，使被曝光部分的光刻膠變成堅硬的抗蝕劑層，而未被曝光的光刻膠則在某一溶劑中被溶解。

第一節制造微細圖形的要求平面工藝是微細加工發展中的一個非2材料ppt課件第一章微電子技術中圖形加工的方法3第二節外

延

“外延”是指在單晶襯底上生長一層新單晶的技術。新單晶層的晶向取決于襯底(基片)，并由襯底向外延伸而成，故名“外延層”。外延生長之所以重要，在于外延層中雜質濃度可以方便地通過控制反應氣流中的雜質含量加以調節，而不依賴于襯底中的雜質種類與摻雜水平。薄膜的摻雜可以是n型或p型。目前流行的外延生長工藝有三種：氣相(VPE)、液相(LPE)和分子束外延(MBE)。第二節外延“外延”是指在單晶襯底上生長一層新4硅氣相外延生長系統

SiCl4+2H2=Si+4HCl硅氣相外延生長系統，它包合裝有硅片的反應器，采用氫氣作為載氣，控制SiCl4(四氯化硅)的濃度，然后輸送到反應器。反應器內有一用射頻線圈加熱的石墨基座，其溫度通常在1000℃以上。置于石墨基座上的硅基片表面上，SiCl4與氫氣發生還原反應而生成硅，并以單晶形式沉積在硅基片表面上。其基本反應是SiCl4十2H2Si(固)十4HCl該反應是可逆的，向右反應產生硅外延膜，相反的反應則使基片剝離或刻蝕。

硅氣相外延生長系統SiCl4+2H2=Si+4HCl硅氣相5圖2—2(b)表示外延膜的生長速率與氣體中SiCl4濃度的關系。濃度定義為SiCl4分子數與氣體總分子數之比。由圖可見，生長速率達到最大值后，隨著SiCl4的濃度增加而減少。這一現象是化學反應引起的，即SiCl4十Si(固)→2SiCl2；因此，當SiCl4濃度較高時就可能發生硅的刻蝕。在流動氣體中引入雜質原子可生長摻雜的外延層，n型摻雜使用PH3(磷烷)，F型摻雜使用B2H3(乙硼烷)。圖2—2(b)表示外延膜的生長速率與氣體中SiCl4濃度的6四種不同外延層液相(LPE)生長裝置在同一基片上沉積不同材料的多層膜，常采用LPE。圖2—3表示四種不同薄層外延生長的LPE裝置。在工作時，移動滑動的溶液架以帶動基片與溶液接觸。用這種方法可以制造膜層厚度小于1μm的不同材料(Ge-Si，GaAs-GaP的半導體。四種不同外延層液相(LPE)生長裝置在同一基片上沉積不同材料7分子束外延MBE(分子束外延)是在超高真空(10-8～10-6Pa)條件下通過多極分子束與加熱的單晶片反應而獲得結晶生長膜的。圖2-4說明了這一過程，它表示分子束外延摻雜不同材料(如A1XGa1-XAs)的基本方法。每一爐子裝有一個坩堝，它們依次裝有希望得到薄膜的某些元素。爐溫的選擇是在熱能分子束的自由蒸汽產生的情況下，使材料的蒸汽壓足夠高。爐子按一定的要求排列，使束流分布與每個爐子的中心位置和基片交叉，則通過選擇合適的爐子和基片溫度，就可獲得所希望的化學外延膜。整個生長工藝的附加控制可通過在每個爐子和基片之間分別插入光欄而獲得。由光欄的開、關可以讓任一束流到達基片，從而形成所需要的外延膜。分子束外延MBE(分子束外延)是在超高真空(10-8～10-8MBE的一個顯著特點是生長速率低，大約為1μm／h或單分子層／s，因此基片上的分子束流可以容易地用單分子層的數量調節。光欄的操作速度小于1s。在外延生長技術中，分子束外延使微細加工在結構清晰度方面，幾乎提高了兩個數量級。MBE一直被用來制備各種GaAs和AlxGa1-xAs器件薄膜和膜層結構，如電容電壓可急劇變化的高可控的變容二極管、碰撞雪崩渡越時間二極管、微波混合二極管、肖特基層場效應晶體管、光波導、集成光學結構等；對微波、光學固體器件及亞微米層結構電路等固體電子學，MBE具有最大的影響，其工藝對平面和集成工藝也有十分重要的意義。MBE的一個顯著特點是生長速率低，大約為1μm／h或單分子層9第三節氧化通常將硅片在電阻爐中加熱到900～1200℃，讓氧氣流過硅表面，使氧氣與硅原子起化學反應而制成Si02層。

干法氧化：Si(固)+O2→Si02(固)蒸汽流氧化：Si(固)+2H20→Si02(固)+2H2

第三節氧化通常將硅片在電阻爐中加熱到900～1210熱氧化過程熱氧化過程11第四節光刻光刻是一種圖像復印與刻蝕(化學的、物理的或兩者兼而有之)相結合的綜合性技術。它先用照相復印的方法，將光刻掩模的圖形精確地復印到涂有待刻蝕材料(Si02、A1、多晶硅等薄膜)表面的光刻膠上面，然后在光刻膠的保護下對待刻材料進行選擇性刻蝕，從而在待刻材料上得到所需要的圖形。

第四節光刻光刻是一種圖像復印與刻蝕(化學的、物理12微細結構加工所使用的光刻類型

微細結構加工所使用的光刻類型13光學光刻是微電子工業中最重要的技術，通常用于2～3μm線寬的制造。電子束光刻主要用于掩模制造。對于高密度的微電子結構，電子背散射使它的實際線寬下限限制在0．5μm左右。X射線光刻所加工的線寬接近百分之幾微米的量級，但需要一個復雜的吸收掩模和薄膜支撐結構。離子束光刻提供了圖形的摻雜能力，并具有很高的分辨率(0．01μm以下)。光學光刻是微電子工業中最重要的技術，通常用于2～3μm線寬的14掩模制造

掩模制造15

一、制版工藝

在制版工藝中，首先需要制造一個掩模或傳送一個所需要的圖形。掩模制造從一個被稱作原圖的大尺寸布線圖開始

接著用照相機拍照。一般初始原圖尺寸是最后電路芯片的500倍。2.5mm的芯片，原圖可能是125cm。成功的制版工藝首先將原圖縮小為1／100，然后再縮小為原圖的1／500，最后精確地印在模版上。

一、制版工藝在制版工藝中，首先需要制造一個掩模或傳送一個16接觸曝光光刻膠涂在氧化物層上，如圖2—9(a)所示，并將它和玻璃版接觸，然后曝光，如圖2—9(b)所示。在顯影工藝中，未曝光的涂層被溶掉，這樣便在涂層中留有一個窗口，如圖2—9(c)所示。剩余的光刻膠涂層具有化學穩定性，以便隔離酸性溶液對氧化物層的刻蝕，并在氧化物層中產生一窗口，如圖2—9(d)所示。然后，把剩余的光刻膠涂層從基片上除去，為下一步加工準備了基片。這種在半導體基片上產生圖形的方法稱為接觸曝光。接觸曝光中，由于掩模與光刻膠的接觸，使掩模磨損而引起缺陷。若掩模與基片之間有一間隔，這就避免了相互接觸和由接觸而引起的缺陷。但是，較大的間隔會增加透射光的繞射，降低了分辨率，同時使個別光刻膠上的圖形變模糊。這種影響，取決于掩模與基片間的實際間隔。基片平整度的變化和繞射效應，通常把可見光的非接觸曝光限制到特征尺寸為7μm。

接觸曝光光刻膠涂在氧化物層上，如圖2—9(a)所示，并將它和17

二、投影復制

在投影復制中，借助在掩模和基片之間的高分辨率透鏡把光掩模的圖形直接投影在基片的光刻膠上，掩模壽命主要受操作損傷的限制。一種類型是用單一光照射整個基片，掩模上的圖形通常與基片(直徑5～10cm)上的圖形具有相同的尺寸。市售1：1的投影復制機在2～3μm的范圍內圖像清晰，其對準精度為0．3～0．6μm。另一類型是用掩模產生的圖形只對部分基片曝光，這時掩模比投影圖形大5或10倍。然后基片步進到一個新的位置，又對基片的另一部分曝光。通過步進重復，整個基片就完成了曝光。步進重復系統為9～8l步，分辨率為1～2μm，重復精度約0．25～0．5μm。二、投影復制

在投影復制中，借助在掩模和基片之間的高分辨率18三、電子束光刻

采用常用光刻工藝可形成的最小線條寬度畢竟受光波長的限制，現行技術通常能復制幾微米的元件，并有可能把最小尺寸降到1μm。由于電子束和X射線的波長為毫微米(nm)甚至更小，故利用它們可產生極細的線條。電子束光刻比光學光刻有吸引力，并不只是因為它波長短，還因為它有如下優點：(1)電子可以成像，形成圖形或小點的尺寸可≤0．01μm；而可見光點則只有0．5μm。(2)通過靜電場或磁場可使電子束偏轉和進行速度調制。(3)電子束能量和涂敷在基片上的光刻膠劑量可精確控制。

電子束可以由計算機程序控制直接掃描而產生圖形，或通過特別掩模的電子圖像而產生圖形。來自電子束源的電子可形成一射束，它在涂有光刻膠的基片上偏轉和調制便可繪出所希望的圖形。電子可形成亞微米點的圖像，在小于10-7s的時間里，有足夠的電流使光刻膠曝光。

三、電子束光刻

采用常用光刻工藝可形成的最小線條寬度畢竟受光19電子束光刻系統方框圖掃描系統有光柵掃描和矢量控制兩種系統。光柵掃描系統有順序地覆蓋著產生圖形的整個面積，并根據要記錄的圖形的需要，調整電子束的開或關；矢量控制系統則根據圖形的需要使電子束偏轉到確定的軌跡。與電子束發生器有關的電子光學系統類似于電子顯微鏡，一般由熱陰極的電子源提供了熱發射的自由電子，這些電子被靜電場加速和電磁場聚焦，受靜電場和電磁場的偏轉和控制，最后到達基片，形成清晰的圖形。電子束光刻系統方框圖掃描系統有光柵掃描和矢量控制兩種系統。光20四、X射線光刻

掩模由X射線透明膜片組成，膜片支撐著一個薄膜圖案，圖案材料對X射線具有強的吸收作用。掩模放在涂有對X射線敏感的光刻膠的基片上。由聚焦電子束產生的遠“點”X射線源照射到掩模上，吸收了X射線的圖形被投影到聚合膜上。圖中給出了半陰影δ，它由X射線源的實際有限尺寸d產生。在任一給定曝光條件下，可通過適當選擇s、d和D，就可按要求使δ減小。四、X射線光刻

掩模由X射線透明膜片組成，膜片支撐著一個薄膜21圖2—12和圖2—13為制造微米表面圖形所用的工藝和光刻后單層及層狀基片的摻雜工藝。曝光后，顯影除去的或是曝光區(正性膠)或是非曝光區(負性膠)。因此，在基片表面上留下了明顯的光刻膠圖形。在光刻膠上形成凹凸結構后，用下述方法之一加工基片：在基片上刻蝕圖形；生長材料；摻雜；通過光刻膠圖形的開口位置沉積材料。由于X射線波長在10-3μm的數量級，因此衍射效應通常可以忽略。

圖2—12和圖2—13為制造微米表面圖形所用的工藝和光刻后單22第五節刻蝕通過光刻工藝在光刻膠上產生圖形以后，光刻膠下面的薄膜通常采用刻蝕的方法得到圖形。在微電子技術中，刻蝕包括濕法和干法。濕法刻蝕通常是指化學刻蝕，它是利用材料和刻蝕液的化學反應進行加工的，適用于幾乎所有的金屬、玻璃、塑料等材料的大批量加工，也適用于硅、鍺等半導體材料，以及在玻璃上形成的金屬膜、氧化膜等的微細加工，是應用范圍很廣的重要技術。干法刻蝕是利用活性氣體與材料反應而生成揮發性化合物來進行的加工，包括離子刻蝕、等離子刻蝕、反應等離子刻蝕等，它是今后微電子技術中一種非常有用的刻蝕方法。第五節刻蝕23一、化學刻蝕表2—2列出了微電子工業中用于薄膜材料的典型刻蝕劑。濕化學法或溶液刻蝕法會產生一些問題，如光刻膠置于加熱的酸液中，常常失去它對下面薄膜的附著力；在向下刻蝕的同時，也向著橫方向刻蝕，即所謂“鉆蝕”作用，使加工的線條變寬，這對于刻蝕亞微米圖形就失去了意義。

其次，由于存在表面張力的作用，溶劑刻蝕越來越難以適應高分辨率圖形的加工，而干法刻蝕正好彌補了這些不足。一、化學刻蝕表2—2列出了微電子工業中用于薄膜材料的典型刻蝕24二、各向異性刻蝕

用化學試劑刻蝕單晶硅時，不同晶面的刻蝕速率是不同的。圖2—14為硅的金剛石立方結構和它的兩個面的密勒指數。因硅<111>面(圖2—14的c)比硅<100>面(圖2—14的b)的排列更緊密，故其刻蝕速率更低。這一概念已被用于三維結構的有源或無源器件的加工以及表面器件的加工。二、各向異性刻蝕

用化學試劑刻蝕單晶硅時，不同晶面的刻蝕速率25各向異性刻蝕工藝與各向異性刻蝕液(專用于刻蝕硅的溶液，由乙烯二胺、鄰苯二酚及水組成，典型的組成是17mL乙烯二胺、3g鄰苯二酚及8mL水，它可阻止對重摻雜p+硅的刻蝕)結合，可以制造薄膜型小圓孔，如圖2—15所示。當雜質濃度NA達到1019／cm3時，專用液中的硅急劇下降；當NA＞7×1019／cm3時，刻蝕速率達到零。在專用液中刻蝕重摻雜p+表面層的硅基片時，末摻雜的硅被除去p+膜被留下，其厚度等于表面層的深度，而雜質濃度NA＞7×1019／cm3。這一特性已被用于制造膜厚在1—10um之間的不同結構的器件。

各向異性刻蝕工藝與各向異性刻蝕液(專用于刻蝕硅的溶液，由乙烯26第六節

摻

雜

摻雜是指用人為的方法，將所需的雜質按要求的濃度與分布摻人半導體等材料中，以達到改變材料電學性質和形成半導體器件的目的。利用摻雜技術可以制備p-n結、電阻器、歐姆接觸和互連線等。摻入雜質的種類、數量及其分布，對部件性能的影響極大，因此必須進行精確的控制。摻雜方法可分為合金法、擴散法和離子注人法。在集成電路制造中，主要采用擴散法和離子注入法，圖2-16及表2—3對對采用這兩種工藝進行摻雜時的均勻性、重復性、污染情況和環境條件等作了比較。第六節摻雜

摻雜是指用人為的方法，將所需的雜質按27材料ppt課件第一章微電子技術中圖形加工的方法28一、擴散擴散過程包括兩個步驟，首先是通過氣相沉積或涂覆的方法，在基片表面上覆蓋一層所希望的摻雜劑，使基片表面上合有一定量的雜質；然后進行驅動擴散，使雜質原子向晶體內運動。這就是常說的兩步擴散法。前者稱為預沉積，后者稱為再分布。雜質原子分布的形狀主要由雜質原子在基片表面的狀況而定，而擴散深度主要取決于溫度和擴散時間。一、擴散29替位式擴散和間隙式擴散

擴散運動是微觀粒子(原子或分子)熱運動的統計結果。在一定溫度下雜質原子具有一定的能量，能夠克服某種阻力而進入半導體，并在其中作緩慢的遷移運動。這些雜質原子不是代替硅原子的位置就是處在晶體的間隙中，因此擴散也就有替位式擴散和間隙式擴散兩種方式，如圖2—17所示。替位式擴散和間隙式擴散

擴散運動是微觀粒子(原子或分子)熱運30替位式擴散。雜質原子通過從一個格點位置跳到下一個格點位置，替代了原來的晶格原子而達到在晶格中移動。為此，要求相鄰的位置必須是空的，也就是說，要產生替位式擴散必須有空位。由于空位的平衡濃度相當低，故可認為替位式擴散比間隙式擴散慢得多。實際情況確實如此。間隙式擴散。處于晶格原子之間空位的雜質原于稱為間隙原子，雜質原子由一個間隙位置跳到下一個間隙位置而在晶格中移動，它們既可以從格點位置開始移動，也可以從間隙位置開始移動，最終可停在兩種位置中的一種位置上。間隙式擴散要求雜質從一個間隙位置跳到相鄰的另一個間隙位置，而且雜質原子只有處于間隙位置時才能以顯著的速率在晶體中移動。替位式擴散。雜質原子通過從一個格點位置跳到下一個格點位置，替31二、離子注入離子注入就是先將雜質原子電離，再由電場加速，使其獲得很高的能量(30—100KeV)，然后“注入”到晶體中，再經過退火使雜質激活而達到摻雜的目的。離子注入多用于淺結高精度摻雜。磁偏轉質量分析器(90°分析磁體)消除了不需要的某些離子，經偏轉與聚焦后，離子束瞄準半導體靶，使高能離子滲透到半導體表面。進入半導體內的高能離子與靶原子核和電子碰撞后失去其能量，最后靜止下來。二、離子注入32離子注入的優點及其問題

離子注入的優點是它具有很好的可控性和重復性。通過測量離子流和注入時間，可以確定硅中雜質離子的數量，從而改變雜質的濃度。因此，通過調節加速電壓來控制雜質分布就可能優于高溫擴散。

被加速的離子與靶中的硅原子相碰，可以把能量傳給靶原子，而當靶原子的能量足夠大時則可使其發生位移。當位移原子的能量足夠大時還可使其他靶原子發生位移，從而形成一個碰撞與位移的級鏈，造成晶體損傷。不過，在低于1000℃的溫度下讓晶片退火，可消除大部分損傷而恢復晶體的單晶結構，同時使注入離子激活(即運動到晶格位置而產生電活性的摻雜作用)。

離子注入的優點及其問題

離子注入的優點是它具有很好的可控性和33三、中子嬗變摻雜技術(NTD)

中子嬗變摻雜技術是另一種非常吸引人的摻雜方法，最普通的是用它進行磷摻雜而形成均勻的n型材料。其基本原理是由于硅有三個穩定的同位素28Si、29Si和30Si，它們分別為92．21％、4．70％和3．02％，當受到熱中子照射時，其中只有30Si捕獲中子才產生放射性同位素31Si，隨后31Si嬗變為穩定的同位素31P，從而達到了n型摻雜的目的。這一過程的摻雜核反應式為：

30Si+n 31Si

31Si 31P+β- 31P+n 32P

32P 32S+β-

由此看到，31P也可以捕獲一個中子而引起32P的發射。由于31Si的衰變壽命很短，沒有顯示出殘余的放射性，而32P有中等的壽命，故可導致可測的放射性劑量。當然，32P的劑量主要取決于31P產生的