【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热氧化过程第四节光刻•光刻是一种图像复印与刻蚀(化学的、物理的或两者兼而有之)相结合的综合性技术。它先用照相复印的方法，将光刻掩模的图形精确地复印到涂有待刻蚀材料(Si02、A1、多晶硅等薄膜)表面的光刻胶上面，然后在光刻胶的保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻材料上得到所需要的图形。微细结构加工所使用的光刻类型•光学光刻是微电子工业中最重要的技术，通常用于2～3μm线宽的制造。•电子束光刻主要用于掩模制造。对于高密度的微电子结构，电子背散射使它的实际线宽下限限制在0．5μm左右。•X射线光刻所加工的线宽接近百分之几微米的量级，但需要一个复杂的吸收掩模和薄膜支撑结构。•离子束光刻提供了图形的掺杂能力，并具有很高的分辨率(0．01μm以下)。掩模制造一、制版工艺•在制版工艺中，首先需要制造一个掩模或传送一个所需要的图形。•掩模制造从一个被称作原图的大尺寸布线图开始•接着用照相机拍照。一般初始原图尺寸是最后电路芯片的500倍。2.5mm的芯片，原图可能是125cm。成功的制版工艺首先将原图缩小为1／100，然后再缩小为原图的1／500，最后精确地印在模版上。接触曝光光刻胶涂在氧化物层上，如图2—9(a)所示，并将它和玻璃版接触，然后曝光，如图2—9(b)所示。在显影工艺中，未曝光的涂层被溶掉，这样便在涂层中留有一个窗口，如图2—9(c)所示。剩余的光刻胶涂层具有化学稳定性，以便隔离酸性溶液对氧化物层的刻蚀，并在氧化物层中产生一窗口，如图2—9(d)所示。然后，把剩余的光刻胶涂层从基片上除去，为下一步加工准备了基片。这种在半导体基片上产生图形的方法称为接触曝光。接触曝光中，由于掩模与光刻胶的接触，使掩模磨损而引起缺陷。若掩模与基片之间有一间隔，这就避免了相互接触和由接触而引起的缺陷。但是，较大的间隔会增加透射光的绕射，降低了分辨率，同时使个别光刻胶上的图形变模糊。这种影响，取决于掩模与基片间的实际间隔。基片平整度的变化和绕射效应，通常把可见光的非接触曝光限制到特征尺寸为7μm。二、投影复制•在投影复制中，借助在掩模和基片之间的高分辨率透镜把光掩模的图形直接投影在基片的光刻胶上，掩模寿命主要受操作损伤的限制。•一种类型是用单一光照射整个基片，掩模上的图形通常与基片(直径5～10cm)上的图形具有相同的尺寸。市售1：1的投影复制机在2～3μm的范围内图像清晰，其对准精度为0．3～0．6μm。•另一类型是用掩模产生的图形只对部分基片曝光，这时掩模比投影图形大5或10倍。然后基片步进到一个新的位置，又对基片的另一部分曝光。通过步进重复，整个基片就完成了曝光。步进重复系统为9～8l步，分辨率为1～2μm，重复精度约0．25～0．5μm。三、电子束光刻•采用常用光刻工艺可形成的最小线条宽度毕竟受光波长的限制，现行技术通常能复制几微米的元件，并有可能把最小尺寸降到1μm。由于电子束和X射线的波长为毫微米(nm)甚至更小，故利用它们可产生极细的线条。•电子束光刻比光学光刻有吸引力，并不只是因为它波长短，还因为它有如下优点：•(1)电子可以成像，形成图形或小点的尺寸可≤0．01μm；而可见光点则只有0．5μm。•(2)通过静电场或磁场可使电子束偏转和进行速度调制。•(3)电子束能量和涂敷在基片上的光刻胶剂量可精确控制。•电子束可以由计算机程序控制直接扫描而产生图形，或通过特别掩模的电子图像而产生图形。来自电子束源的电子可形成一射束，它在涂有光刻胶的基片上偏转和调制便可绘出所希望的图形。电子可形成亚微米点的图像，在小于10-7s的时间里，有足够的电流使光刻胶曝光。电子束光刻系统方框图扫描系统有光栅扫描和矢量控制两种系统。光栅扫描系统有顺序地覆盖着产生图形的整个面积，并根据要记录的图形的需要，调整电子束的开或关；矢量控制系统则根据图形的需要使电子束偏转到确定的轨迹。与电子束发生器有关的电子光学系统类似于电子显微镜，一般由热阴极的电子源提供了热发射的自由电子，这些电子被静电场加速和电磁场聚焦，受静电场和电磁场的偏转和控制，最后到达基片，形成清晰的图形。四、X射线光刻掩模由X射线透明膜片组成，膜片支撑着一个薄膜图案，图案材料对X射线具有强的吸收作用。掩模放在涂有对X射线敏感的光刻胶的基片上。由聚焦电子束产生的远“点”X射线源照射到掩模上，吸收了X射线的图形被投影到聚合膜上。图中给出了半阴影δ，它由X射线源的实际有限尺寸d产生。在任一给定曝光条件下，可通过适当选择s、d和D，就可按要求使δ减小。图2—12和图2—13为制造微米表面图形所用的工艺和光刻后单层及层状基片的掺杂工艺。曝光后，显影除去的或是曝光区(正性胶)或是非曝光区(负性胶)。因此，在基片表面上留下了明显的光刻胶图形。在光刻胶上形成凹凸结构后，用下述方法之一加工基片：在基片上刻蚀图形；生长材料；掺杂；通过光刻胶图形的开口位置沉积材料。由于X射线波长在10-3μm的数量级，因此衍射效应通常可以忽略。第五节刻蚀通过光刻工艺在光刻胶上产生图形以后，光刻胶下面的薄膜通常采用刻蚀的方法得到图形。在微电子技术中，刻蚀包括湿法和干法。湿法刻蚀通常是指化学刻蚀，它是利用材料和刻蚀液的化学反应进行加工的，适用于几乎所有的金属、玻璃、塑料等材料的大批量加工，也适用于硅、锗等半导体材料，以及在玻璃上形成的金属膜、氧化膜等的微细加工，是应用范围很广的重要技术。干法刻蚀是利用活性气体与材料反应而生成挥发性化合物来进行的加工，包括离子刻蚀、等离子刻蚀、反应等离子刻蚀等，它是今后微电子技术中一种非常有用的刻蚀方法。一、化学刻蚀表2—2列出了微电子工业中用于薄膜材料的典型刻蚀剂。湿化学法或溶液刻蚀法会产生一些问题，如光刻胶置于加热的酸液中，常常失去它对下面薄膜的附着力；在向下刻蚀的同时，也向着横方向刻蚀，即所谓“钻蚀”作用，使加工的线条变宽，这对于刻蚀亚微米图形就失去了意义。其次，由于存在表面张力的作用，溶剂刻蚀越来越难以适应高分辨率图形的加工，而干法刻蚀正好弥补了这些不足。二、各向异性刻蚀用化学试剂刻蚀单晶硅时，不同晶面的刻蚀速率是不同的。图2—14为硅的金刚石立方结构和它的两个面的密勒指数。因硅111面(图2—14的c)比硅100面(图2—14的b)的排列更紧密，故其刻蚀速率更低。这一概念已被用于三维结构的有源或无源器件的加工以及表面器件的加工。各向异性刻蚀工艺与各向异性刻蚀液(专用于刻蚀硅的溶液，由乙烯二胺、邻苯二酚及水组成，典型的组成是17mL乙烯二胺、3g邻苯二酚及8mL水，它可阻止对重掺杂p+硅的刻蚀)结合，可以制造薄膜型小圆孔，如图2—15所示。当杂质浓度NA达到1019／cm3时，专用液中的硅急剧下降；当NA＞7×1019／cm3时，刻蚀速率达到零。在专用液中刻蚀重掺杂p+表面层的硅基片时，末掺杂的硅被除去p+膜被留下，其厚度等于表面层的深度，而杂质浓度NA＞7×1019／cm3。这一特性已被用于制造膜厚在1—10um之间的不同结构的器件。第六节掺杂•掺杂是指用人为的方法，将所需的杂质按要求的浓度与分布掺人半导体等材料中，以达到改变材料电学性质和形成半导体器件的目的。利用掺杂技术可以制备p-n结、电阻器、欧姆接触和互连线等。掺入杂质的种类、数量及其分布，对部件性能的影响极大，因此必须进行精确的控制。•掺杂方法可分为合金法、扩散法和离子注人法。在集成电路制造中，主要采用扩散法和离子注入法，图2-16及表2—3对对采用这两种工艺进行掺杂时的均匀性、重复性、污染情况和环境条件等作了比较。一、扩散•扩散过程包括两个步骤，首先