第三章-MEMS制造技术-1(半导体工艺)教材

第三章MEMS制造技术——半导体制造技术主要内容掺杂技术、退火技术表面薄膜制造技术光刻技术金属化技术刻蚀技术净化与清洗接触与互连键合、装配和封装集成电路制造过程一、掺杂与退火掺杂定义：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退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。目的：激活杂质消除损伤结构释放后消除残余应力退火方式：炉退火快速退火1.扩散工艺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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。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。液态源扩散扩散源：硼酸三甲酯，硼酸三丙酯等扩散原理：硼酸三甲酯500C分解后与硅反应，在硅片表面形成硼硅玻璃，硼原子继续向内部扩散，形成扩散层。硼B扩散系统：N2气源、纯化、扩散源、扩散炉扩散工艺：预沉积，去BSG，再分布工艺条件对扩散结果的影响气体流量、杂质源、温度液态源扩散扩散源：POCl3，PCl3，PBr3等扩散原理：三氯氧磷600C分解后与硅反应，在硅片表面形成磷硅玻璃，磷原子继续向内部扩散，形成扩散层。扩散系统：O2和N2气源、纯化、扩散源、源冷却系统、扩散炉扩散工艺：预沉积，去PSG，再分布磷P固态源扩散箱法B扩散B2O3或BN源，石英密封箱片状BN扩散氧气活化，氮气保护，石英管和石英舟，预沉积和再分布片状P扩散扩散源为偏磷酸铝和焦磷酸硅固-固扩散（乳胶源扩散）扩散炉质量分析1．硅片表面不良：表面合金点；表面黑点或白雾；表面凸起物；表面氧化层颜色不一致；硅片表面滑移线或硅片弯曲；硅片表面划伤，边缘缺损，或硅片开裂等2．漏电电流大：表面沾污引起的表面漏电；氧化层的缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在电路中的绝缘作用而导电；硅片的缺陷引起杂质扩散时产生管道击穿。3．薄层电阻偏差工艺控制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掺杂的均匀性好温度低：小于600℃可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多可以对化合物半导体进行掺杂离子注入的优点：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、真空系统离子注入系统的原理示意图离子注入的步骤注入的离子在基底中的分布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）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)67．826．13、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。方式：热退火：管式炉，保护气氛，900C，20~30min，用于再扩散激光退火：自淬火，局部加热，制备欧姆接触普通热退火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。扩散与注入的特点扩散注入工艺温度：高温常温浓度和分布控制：较精确精确横向扩散：大小晶格损伤：小大工艺自由度：低高工艺成本：低高二、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）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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O22SiO2干氧氧化：Si+OH2O22SiOH2湿氧氧化：Si+HO干氧典型速度：1200oC，50min，180nm二氧化硅膜的五种用途：􀀠杂质扩散掩蔽膜a􀀠器件表面保护或钝化膜b􀀠电路隔离介质或绝缘介质c􀀠电容介质材料d􀀠MOS管的绝缘栅材料e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。DsiDsio2SiO2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）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。常压氧化技术设备：氧化源、加热器、氧化炉、热电偶氧化效果分析厚度检测：比色法、干涉法针孔检测：腐蚀法、电化学法C-V性能检测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：二氧化硅的热氧化设备a)氧化初始阶段b)氧化层的形成c）氧化层的生长由颜色来确定氧化层厚度氧化炉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。化学气相淀积技术（CVD）分类：按照淀积温度：低温（200－500）中温（500－1000）高温（1000－1200）按照反应压力：常压、低压按反应壁温度：热壁、冷壁按反应激化方式：热激活等离子体激活光激活常用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CVD工艺特点：（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点或软点。因此减轻了衬底片的热形变，减少了玷污，抑制了缺陷生成;设备简单，重复性好；（2）薄膜的成分精确可控、配比范围大；（3）淀积速率一般高于PVD（物理气相淀积，如蒸发、溅射等）；厚度范围广，由几百埃至数毫米。且能大量生产；（4）淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好。常压化学气相淀积特点:用于SiO2的淀积◆PWS－5000：SiH4+O2=SiO2+H2Oφ100mm：10片，φ125mm:8片Time:15minTemp:380～450℃±6℃厚度均匀：±5％低压化学气相淀积应用情况多晶硅：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750~800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+NO2910℃等离子体化学气相淀积◆特点：温度低200~350℃，适用于布线隔离Si3N4:SiH2Cl2+NH3􀀠PSG:SiH4+PH3+O2􀀠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3.外延沉积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微电子工业中有几种技术可用于外延沉积气相外延(VPE)分子束外延(MBE)金属有机物CVD(MOCVD)互补金属氧化物半导体(CMOS)外延用于外延淀积的反应物气体反应物蒸气正常工艺温度℃正常淀积速率μm/min需要的能量供给eVSiH410000.1~0.51.6~1.7SiH2Cl211000.1~0.80.3~0.6SiHCl311750.2~0.80.8~1.0SiCl412250.2~1.01.6~1.7在上页中用SiH4蒸气在硅衬底上生长硅膜是其中最简单的一种。在约1000℃时，通过简单的分解可生产硅，如下式所示：系统示意图外延生长程序(1)N2预冲洗260L/min4min(2)H2预冲洗260L/min5min(3)升温1850ºC5min(4)升温21170ºC6min(5)HCl排空1.3L/min1min(6)HCl抛光1.3L/min3