智能传感器系统-刘君华第4章

第4章智能传感器系统的集成技术第4章智能传感器系统的集成技术4.1集成电路的基本工艺4.2典型的集成电路元件制造工艺4.3微机械工艺的主要技术4.4典型微机械结构的制造4.5集成智能传感器系统举例第4章智能传感器系统的集成技术4.1集成电路的基本工艺4.1.1晶片的制备图4-1由原材料制成抛光晶片的工艺流程第4章智能传感器系统的集成技术第一步，把石英砂与碳一起放在炉中加热，炉子中发生一系列反应，得到纯度为98%的冶金级硅，总反应式为SiC(固体)+SiO2(固体)→Si(固体)+SiO(气体)+CO(气体)第二步，把硅碾成粉末，并使其与氯化氢(HCI)反应生成三氯氢硅(SiHCl#-3)。在室温下，三氯氢硅为液体(沸点32℃)，将液体分馏，除去杂质，然后将提纯后的三氯氢硅进行氢还原，得到电子级硅(EGS)SiHCl3(气体)+H2(气体)→Si(固体)+3HCl(气体)这个反应在反应器中进行，反应器用电阻加热硅棒作硅的淀积成核中心，电子级硅(EGS)是高纯度多晶材料，一般杂质含量在10-9量级。(4-1)(4-2)第4章智能传感器系统的集成技术图4-2直拉单晶炉第4章智能传感器系统的集成技术(1)炉子：包括石英坩埚、石墨基座、旋转装置、加热元(2)单晶提拉机构：包括籽晶夹持器及旋转装置；(3)保护气体控制系统：包括气体源、流量控制装置和一个抽气系统。整个系统在微机控制下自动运行，温度、单晶直径、提拉速度、旋转速率等工艺参数也由微机进行控制，尽量减少人工干预。第4章智能传感器系统的集成技术生长单晶时，把多晶硅置于坩埚内，加热至硅的熔点温度以上。坩埚上方的籽晶夹持器夹持有一小块晶向合适(例如〈111〉)的籽晶。把籽晶浸入熔体，部分籽晶熔化，但籽晶剩余部分的头部仍与液面紧密接触，然后将籽晶慢慢向上提拉，随着固—液交界面逐渐冷却，籽晶长成大直径单晶。典型的提拉速度为几mm/min。还有一种与直拉法类似的悬浮区融法，能生长更高纯度的单晶硅，用于生产大功率器件。除此之外，还有一种布里奇曼法，用于制备高速电路和集成光电器件用GaAs单晶。晶体生长时，在熔体中加入一定量的掺杂剂，使生长的晶体中含有所要求的掺杂浓度，P型硅常用硼作掺杂剂，N型硅常用的掺杂剂是磷。第4章智能传感器系统的集成技术晶体生长后，第一步先切去头部籽晶和尾部最后固化部分；第二步是研磨晶棒表面，使直径达到规格要求；第三步沿晶棒长度方向研磨出一个或几个平面，这些面标志晶棒的特定晶向及材料导电类型。接下来，用金刚石刀片把晶锭切成薄片。切片决定四个晶片参数：表面晶向、厚度、斜度及弯曲度。切片以后，用Al2O3和甘油混合物对晶片进行双面研磨。晶片成形的最后一步工序是抛光，经过抛光的晶片表面光滑如镜，可以在其上用光刻方法制造器件。第4章智能传感器系统的集成技术4.1.2外延(epitaxis)一词是由希腊字epi(...之上)和taxis(排列)组成。外延工艺是控制杂质分布，优化器件和电路性能的一个重要手段。外延工艺的主要优点是能在远低于熔点的温度下生长。外延工艺主要有气相外延(VPE)、液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)几种。在各种外延工艺中，对硅器件而言，气相外延(VPE)是最重要的工艺，其它外延工艺(如分子束外延)可提供VPE所不具备的优点。第4章智能传感器系统的集成技术图4-3(a)水平型；(b)圆盘型；(c)桶型第4章智能传感器系统的集成技术气相外延生长可用四种硅源，即四氯化硅(SiCl4)、二氯二氢烷(SiH2Cl2)、三氯氢硅(SiHCl3)、硅烷(SiH4)。其中人们研究最多，应用最广的是四氯化硅源，它的典型反应温度是1200℃。用四SiCl4(气体)+2H2(气体)Si(固体)+4HCl(气体)与(4-3)SiCl4(气体)+Si(固体)2SiCl2(气体)(4-3)(4-4)第4章智能传感器系统的集成技术因此，反应中如果四氯化硅浓度过高，将发生硅的腐蚀而不是生长，同时，因为(4-3)式是可逆的，如果进入反应室的携带气体中含有氯化氢，将会发生腐蚀反应，常利用这个特性对硅片进行外延生长前的在位清洁处理。外延生长时，掺杂剂和四氯化硅同时导入生长系统；常用气态乙硼烷(B2H6)作为P型掺杂剂，用磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)作为N型掺杂剂。通常用氢做稀释剂，与掺杂剂混合，以适当控制混合气体浓度，达到所需掺杂浓度。图4-4示意地说明了掺砷的化学过程：砷烷在硅表面吸附、分解，并掺入生长层。图4-4还说明了表面生长机理：基质原子(硅)与掺杂原子(如砷)在表面吸附，并运动到生长的边缘处，为使这些原子有足够的迁移率以寻找它们在晶格中的合适位置，外延生长必须有较高的温度。第4章智能传感器系统的集成技术图4-4掺砷硅外延生长过程示意图第4章智能传感器系统的集成技术4.1.3热氧化半导体可用热氧化、电化学阳极氧化、等离子体反应等多种氧化方法，其中对硅器件热氧化是最重要的，是现代硅集成电路的关键工艺之一。例如在MOSFET电路中，栅氧化层和场氧化层都是用热氧化的方法生长的。第4章智能传感器系统的集成技术图4-5是电阻加热氧化炉的截面示意图，反应器由电阻加热的圆筒型石英管组成。开槽的石英舟放在石英管中，硅片垂直插在石英舟的槽内，气源用高纯度干燥氧气(干氧氧化)或高纯度水蒸气(湿氧氧化)，炉管装片端在垂直层流罩下，罩上保持有过滤后的空气流，可减少硅片装入时受到玷污。氧化温度一般在900~1000℃，气体流速一般约为1cm/s，氧化系统用微处理器来控制气流顺序，自动升温并使氧化温度变化控制在±1℃内。Si(固体)+O2(气体)→SiO2(固体)Si(固体)+2H2O(气体)→SiO2(固体)+2H2(气体)(4-5)(4-6)第4章智能传感器系统的集成技术图4-5电阻加热氧化炉的截面示意图第4章智能传感器系统的集成技术干氧生长的氧化层电学性质最好，但在一定温度下生长同样厚度的氧化层所需时间比湿氧氧化要长得多。对于较薄的氧化层，如MOSFET栅氧化层(≤100nm)用于氧氧化；对于较厚的氧化层，如MOS集成电路中的场氧化层(≥500nm)，以及对于双极型器件，则用湿氧氧化，以获得适当隔离和钝化的效果。第4章智能传感器系统的集成技术4.1.4物理气相淀积物理气相淀积主要有两种基本方法：真空蒸发淀积和物理溅射淀积。真空蒸发淀积是利用热源或电子束等能源加热待淀积材料，使材料蒸发，在真空中扩散的过程中，一部分蒸发的材料淀积在衬底上。在集成电路制造工艺中，常用这种方法淀积铝或铝合金等熔点较低的材料，作为电极或连线，对器件进行金属化。物理溅射淀积是利用荷能离子(通常为带正电的气体离子)轰击靶材，把动能直接传递给靶材原子，而使某些靶材原子从靶表面逸出，淀积在衬底材料上的物理化学过程。溅射淀积方法对于熔点特别高的难熔金属或希望保持一定化学组分的化合物材料特别有用，在集成电路中得到广泛应用。常用的溅射方法有直流溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射和反应溅射等几种。第4章智能传感器系统的集成技术直流溅射的原理如图4-6所示。整个系统置于真空室内，真空室中充有惰性气体，常用的惰性气体是氩气，典型的气压为1.3~13.3Pa。被溅射材料(例如W，Ti,Si等)称为靶材，作为阴极；硅片(或其它衬底)作为阳极，阳极接地。阴极与阳极间加有-500~-5000V的直流高压。电子在电场作用下被加速，与氩分子碰撞电离，产生氩离子和更多的电子，从而产生辉光放电。氩离子被电场加速向阴极运动，而电子向阳极运动产生电流。当氩离子打在靶材上时，溅射出某些靶原子和二次电子，二次电子可维持辉光放电，溅射出的部分原子落在阳极衬底上，在那里凝结成核，扩大并形成薄膜。第4章智能传感器系统的集成技术图4-6直流溅射淀积的原理图第4章智能传感器系统的集成技术直流溅射只能用于溅射导电材料，绝缘靶溅射常采用射频(RF)溅射的方法，图4-7是射频溅射的原理图。在阳极衬底和阴极之间加有射频电压，这样正半周在靶上积累起来的正电荷将被负半周的电子轰击所中和，有效地解决了绝缘靶溅射过程中阴极的电荷积累问题。在射频溅射时，采用的频率一般都比较高，因为过低的频率会使正半周一开始积累起来的电荷过多，使该半周大部分时间没有溅射效率，一般采用的频率是13.56MHz。另外，射频溅射可以在更低的压强(如0.133Pa)下进行，造成的污染较小。第4章智能传感器系统的集成技术图4-7射频溅射的原理图第4章智能传感器系统的集成技术把磁场用于溅射系统中，磁场能对电子起加速作用，同时大大减小电子数目损失，更有效地利用电子去电离产生离子，使溅射效率提高，衬底二次电子轰击减小，从而使薄膜均匀性改善，这就是所谓磁控溅射。利用磁控溅射淀积铝及其合金的淀积速率高达1μm/min。离子束溅射是正在发展中的一种新技术，它的特点是离子不是用辉光放电产生的，而是来自一个独立的离子源，由电场加速进入放置样品的真空室。离子束源的真空度为13.3×10-3Pa，样品室的真空度为1.33×10-3Pa。为了防止带电束流因库仑排斥作用而弥散，在真空室中，离子束入口附近放一发生电子的热灯丝，使入射离子束中性化，束流打在靶上以后，靶材原子被溅射淀积在衬底上。第4章智能传感器系统的集成技术(1)离子能量和电流独立于靶的作用过程，可根据需要单独控制，束流的入射角也可单独控制，(2)无电荷积累现象，(3)整个过程可以在较高的真空度下进行(高于1.33×10-3Pa)，可以减少污染。第4章智能传感器系统的集成技术4.1.5化学气相淀积化学气相淀积的介质膜主要用于分立器件和集成电路的绝缘和钝化。通常有三种淀积方法：常压化学气相淀积(CVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体增强化学气相淀积(PCVD或等离子体淀积)。在选择淀积工艺时，需要综合考虑衬底温度、淀积速率、膜的均匀性、表面形貌、电学性能、机械性能以及介质膜的化学组分等多种因素。图4-8是热壁低压CVD反应器原理图。石英管用三温区管状炉加热，气体由一端引入，另一端抽出，半导体晶片竖直插在开槽的石英舟上。典型的反应工艺参数为：压强为30~250Pa,气体流速为1~10cm/s，温度为300~900℃。这种反应器淀积薄膜非常均匀而且加工量大，一炉可以加工几百片。第4章智能传感器系统的集成技术图4-8热壁低压CVD反应器原理图第4章智能传感器系统的集成技术当器件特征尺寸减小到10-7m时，为减小热扩散造成掺杂分布的展宽，人们发展了能量增强CVD技术，能够在很低温度(25~300℃)下进行淀积。所谓能量增强，是指在CVD系统的热能上加上其它形式的能量，如等离子能量、聚焦电子束能量、聚焦激光束能量或聚焦离子束能量等等。事实上，我们前面提到的PCVD就是一种能量增强CVD技术。在集成电路中，SiO#-2膜具有广泛的应用。不掺杂的SiO2膜可用作多层金属化之间的绝缘膜、离子注入或扩散的掩蔽模、腐蚀的掩模或用来增加热生长场氧化物的厚度，掺磷的二氧化硅膜可用作金属层之间的绝缘隔离(磷硅玻璃回流)，也可用作最终的钝化层，掺磷，砷或硼的氧化物有时也用来作扩散源。第4章智能传感器系统的集成技术还可以用常压CVD、LPCVD及其它方法来形成二氧化硅淀积膜。低温(300~500℃)时，用硅烷、掺杂剂与氧进行反应形成二氧化硅膜。SiH4+O2→SiO2+2H24PH3+5O2→2P2O5+6H2淀积过程可以在常压CVD反应器内进行，也可以在低压LPCVD反应器内进行，因为硅烷和氧反应淀积温度低，非常适合在铝层上淀积氧化硅膜。(4-7)(4-8)第4章智能传感器系统的集成技术在中等淀积温度(500~800℃)下，可以通过在LPCVD反应器Si(OC2H5)4(简称TEOS)得到二氧化硅。TEOS从液态蒸发并进行分解，形成SiO2及有机物和有机硅化合Si(OC2H5)4→SiO2+副产品由于反应要求高温，所以覆盖在铝上面的二氧化硅不能用这种方法获得，它适用于在多晶硅栅上制造均匀性及台阶覆盖性好的绝缘层。在高温(900℃)淀积情况下，二氯甲硅烷(SiCl2H2)和氧化亚氮(笑气)