【材料】第一章微電子技術(shù)中圖形加工的方法

第一章微電子技術(shù)中圖形加工的普通方法在半導(dǎo)體開展的早期，首先運用的半導(dǎo)體資料是鍺，但它很快被硅取代了。由于硅在大氣中氧化可以構(gòu)成一層結(jié)力很強(qiáng)的透明的氧化硅(SiO2)薄膜，它可作硅外表的維護(hù)層；電路間的絕緣介質(zhì)，以及作雜質(zhì)分散的掩蔽膜。砷化鎵具有很高的遷移率，是一種重要的半導(dǎo)體資料。但由于砷化鎵在生長大的單晶和構(gòu)成絕緣層方面還存在某些技術(shù)問題，因此在目前的微電子學(xué)中占統(tǒng)治位置的半導(dǎo)體資料依然是硅。第一節(jié)制造微細(xì)圖形的要求平面工藝是微細(xì)加工開展中的一個非常重要的工序，其根本制造工藝是在不同電特性的薄膜資料上加工所需求的圖形。每層薄膜上先構(gòu)成晶體管、電容器和整流器等元件，最后將它們銜接在一同，構(gòu)成了集成電路(IC)。每層薄膜有不同的電特性，可經(jīng)過改動基片的性質(zhì)而得到，如摻雜和氧化，但也可以用蒸發(fā)和濺射的方法，在基片上堆積一層薄膜。經(jīng)過光刻的方法產(chǎn)生所需求的圖形，即把設(shè)計好的圖形投影到涂有光刻膠的外表層上，使被曝光部分的光刻膠變成鞏固的抗蝕劑層，而未被曝光的光刻膠那么在某一溶劑中被溶解。第二節(jié)外延“外延〞是指在單晶襯底上生長一層新單晶的技術(shù)。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(zhì)濃度可以方便地經(jīng)過控制反響氣流中的雜質(zhì)含量加以調(diào)理，而不依賴于襯底中的雜質(zhì)種類與摻雜程度。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)。硅氣相外延生長系統(tǒng)SiCl4+2H2=Si+4HCl硅氣相外延生長系統(tǒng)，它包合裝有硅片的反響器，采用氫氣作為載氣，控制SiCl4(四氯化硅)的濃度，然后保送到反響器。反響器內(nèi)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外表上，SiCl4與氫氣發(fā)生復(fù)原反響而生成硅，并以單晶方式堆積在硅基片外表上。其根本反響是SiCl4十2H2Si(固)十4HCl該反響是可逆的，向右反響產(chǎn)生硅外延膜，相反的反響那么使基片剝離或刻蝕。

圖2—2(b)表示外延膜的生長速率與氣體中SiCl4濃度的關(guān)系。濃度定義為SiCl4分子數(shù)與氣體總分子數(shù)之比。由圖可見，生長速率到達(dá)最大值后，隨著SiCl4的濃度添加而減少。這一景象是化學(xué)反響引起的，即SiCl4十Si(固)→2SiCl2；因此，當(dāng)SiCl4濃度較高時就能夠發(fā)生硅的刻蝕。在流動氣體中引入雜質(zhì)原子可生長摻雜的外延層，n型摻雜運用PH3(磷烷)，F(xiàn)型摻雜運用B2H3(乙硼烷)。四種不同外延層液相(LPE)生長安裝在同一基片上堆積不同資料的多層膜，常采用LPE。圖2—3表示四種不同薄層外延生長的LPE安裝。在任務(wù)時，挪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的不同資料(Ge-Si，GaAs-GaP的半導(dǎo)體。分子束外延MBE(分子束外延)是在超高真空(10-8～10-6Pa)條件下經(jīng)過多極分子束與加熱的單晶片反響而獲得結(jié)晶生長膜的。圖2-4闡明了這一過程，它表示分子束外延摻雜不同資料(如A1XGa1-XAs)的根本方法。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在蒸汽產(chǎn)生的情況下，使資料的蒸汽壓足夠高。爐子按一定的要求陳列，使束流分布與每個爐子的中心位置和基片交叉，那么經(jīng)過選擇適宜的爐子和基片溫度，就可獲得所希望的化學(xué)外延膜。整個生長工藝的附加控制可經(jīng)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(guān)可以讓任一束流到達(dá)基片，從而構(gòu)成所需求的外延膜。MBE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(shù)量調(diào)理。光欄的操作速度小于1s。在外延生長技術(shù)中，分子束外延使微細(xì)加工在構(gòu)造明晰度方面，幾乎提高了兩個數(shù)量級。MBE不斷被用來制備各種GaAs和AlxGa1-xAs器件薄膜和膜層構(gòu)造，如電容電壓可急劇變化的高可控的變?nèi)荻O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(yīng)晶體管、光波導(dǎo)、集成光學(xué)構(gòu)造等；對微波、光學(xué)固體器件及亞微米層構(gòu)造電路等固體電子學(xué)，MBE具有最大的影響，其工藝對平面和集成工藝也有非常重要的意義。第三節(jié)氧化通常將硅片在電阻爐中加熱到900～1200℃，讓氧氣流過硅外表，使氧氣與硅原子起化學(xué)反響而制成Si02層。干法氧化：Si(固)+O2→Si02(固)蒸汽流氧化：Si(固)+2H20→Si02(固)+2H2熱氧化過程第四節(jié)光刻光刻是一種圖像復(fù)印與刻蝕(化學(xué)的、物理的或兩者兼而有之)相結(jié)合的綜合性技術(shù)。它先用照相復(fù)印的方法，將光刻掩模的圖形準(zhǔn)確地復(fù)印到涂有待刻蝕資料(Si02、A1、多晶硅等薄膜)外表的光刻膠上面，然后在光刻膠的維護(hù)下對待刻資料進(jìn)展選擇性刻蝕，從而在待刻資料上得到所需求的圖形。微細(xì)構(gòu)造加工所運用的光刻類型光學(xué)光刻是微電子工業(yè)中最重要的技術(shù)，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構(gòu)造，電子背散射使它的實踐線寬下限限制在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，但需求一個復(fù)雜的吸收掩模和薄膜支撐構(gòu)造。離子束光刻提供了圖形的摻雜才干，并具有很高的分辨率(0．01μm以下)。掩模制造一、制版工藝在制版工藝中，首先需求制造一個掩模或傳送一個所需求的圖形。掩模制造從一個被稱作原圖的大尺寸布線圖開場接著用照相機(jī)拍照。普通初始原圖尺寸是最后電路芯片的500倍。2.5mm的芯片，原圖能夠是125cm。勝利的制版工藝首先將原圖減少為1／100，然后再減少為原圖的1／500，最后準(zhǔn)確地印在模版上。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(xué)穩(wěn)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(chǎn)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，為下一步加工預(yù)備了基片。這種在半導(dǎo)體基片上產(chǎn)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。假設(shè)掩模與基片之間有一間隔，這就防止了相互接觸和由接觸而引起的缺陷。但是，較大的間隔會添加透射光的繞射，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踐間隔。基片平整度的變化和繞射效應(yīng)，通常把可見光的非接觸曝光限制到特征尺寸為7μm。二、投影復(fù)制

在投影復(fù)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)上的圖形具有一樣的尺寸。市售1：1的投影復(fù)制機(jī)在2～3μm的范圍內(nèi)圖像明晰，其對準(zhǔn)精度為0．3～0．6μm。另一類型是用掩模產(chǎn)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(jìn)到一個新的位置，又對基片的另一部分曝光。經(jīng)過步進(jìn)反復(fù)，整個基片就完成了曝光。步進(jìn)反復(fù)系統(tǒng)為9～8l步，分辨率為1～2μm，反復(fù)精度約0．25～0．5μm。三、電子束光刻

采用常用光刻工藝可構(gòu)成的最小線條寬度畢竟受光波長的限制，現(xiàn)行技術(shù)通常能復(fù)制幾微米的元件，并有能夠把最小尺寸降到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(chǎn)生極細(xì)的線條。電子束光刻比光學(xué)光刻有吸引力，并不只是由于它波長短，還由于它有如下優(yōu)點：(1)電子可以成像，構(gòu)成圖形或小點的尺寸可≤0．01μm；而可見光點那么只需0．5μm。(2)經(jīng)過靜電場或磁場可使電子束偏轉(zhuǎn)和進(jìn)展速度調(diào)制。(3)電子束能量和涂敷在基片上的光刻膠劑量可準(zhǔn)確控制。電子束可以由計算機(jī)程序控制直接掃描而產(chǎn)生圖形，或經(jīng)過特別掩模的電子圖像而產(chǎn)生圖形。來自電子束源的電子可構(gòu)成一射束，它在涂有光刻膠的基片上偏轉(zhuǎn)和調(diào)制便可繪出所希望的圖形。電子可構(gòu)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。電子束光刻系統(tǒng)方框圖掃描系統(tǒng)有光柵掃描和矢量控制兩種系統(tǒng)。光柵掃描系統(tǒng)有順序地覆蓋著產(chǎn)生圖形的整個面積，并根據(jù)要記錄的圖形的需求，調(diào)整電子束的開或關(guān)；矢量控制系統(tǒng)那么根據(jù)圖形的需求使電子束偏轉(zhuǎn)到確定的軌跡。與電子束發(fā)生器有關(guān)的電子光學(xué)系統(tǒng)類似于電子顯微鏡，普通由熱陰極的電子源提供了熱發(fā)射的自在電子，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(zhuǎn)和控制，最后到達(dá)基片，構(gòu)成明晰的圖形。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，圖案資料對X射線具有強(qiáng)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(chǎn)生的遠(yuǎn)“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射線源的實踐有限尺寸d產(chǎn)生。在任一給定曝光條件下，可經(jīng)過適中選擇s、d和D，就可按要求使δ減小。圖2—12和圖2—13為制造微米外表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(qū)(正性膠)或是非曝光區(qū)(負(fù)性膠)。因此，在基片外表上留下了明顯的光刻膠圖形。在光刻膠上構(gòu)成凹凸構(gòu)造后，用下述方法之一加工基片：在基片上刻蝕圖形；生長資料；摻雜；經(jīng)過光刻膠圖形的開口位置堆積資料。由于X射線波長在10-3μm的數(shù)量級，因此衍射效應(yīng)通?？梢院雎?。第五節(jié)刻蝕經(jīng)過光刻工藝在光刻膠上產(chǎn)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(shù)中，刻蝕包括濕法和干法。濕法刻蝕通常是指化學(xué)刻蝕，它是利用資料和刻蝕液的化學(xué)反響進(jìn)展加工的，適用于幾乎一切的金屬、玻璃、塑料等資料的大批量加工，也適用于硅、鍺等半導(dǎo)體資料，以及在玻璃上構(gòu)成的金屬膜、氧化膜等的微細(xì)加工，是運用范圍很廣的重要技術(shù)。干法刻蝕是利用活性氣體與資料反響而生成揮發(fā)性化合物來進(jìn)展的加工，包括離子刻蝕、等離子刻蝕、反響等離子刻蝕等，它是今后微電子技術(shù)中一種非常有用的刻蝕方法。一、化學(xué)刻蝕表2—2列出了微電子工業(yè)中用于薄膜資料的典型刻蝕劑。濕化學(xué)法或溶液刻蝕法會產(chǎn)生一些問題，如光刻膠置于加熱的酸液中，經(jīng)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，由于存在外表張力的作用，溶劑刻蝕越來越難以順應(yīng)高分辨率圖形的加工，而干法刻蝕正好彌補了這些缺乏。二、各向異性刻蝕

用化學(xué)試劑刻蝕單晶硅時，不同晶面的刻蝕速率是不同的。圖2—14為硅的金剛石立方構(gòu)造和它的兩個面的密勒指數(shù)。因硅<111>面(圖2—14的c)比硅<100>面(圖2—14的b)的陳列更嚴(yán)密，故其刻蝕速率更低。這一概念已被用于三維構(gòu)造的有源或無源器件的加工以及外表器件的加工。各向異性刻蝕工藝與各向異性刻蝕液(公用于刻蝕硅的溶液，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?fù)诫sp+硅的刻蝕)結(jié)合，可以制造薄膜型小圓孔，如圖2—15所示。當(dāng)雜質(zhì)濃度NA到達(dá)1019／cm3時，公用液中的硅急劇下降；當(dāng)NA＞7×1019／cm3時，刻蝕速率到達(dá)零。在公用液中刻蝕重?fù)诫sp+外表層的硅基片時，末摻雜的硅被除去p+膜被留下，其厚度等于外表層的深度，而雜質(zhì)濃度NA＞7×1019／cm3。這一特性已被用于制造膜厚在1—10um之間的不同構(gòu)造的器件。

第六節(jié)摻雜

摻雜是指用人為的方法，將所需的雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻人半導(dǎo)體等資料中，以到達(dá)改動資料電學(xué)性質(zhì)和構(gòu)成半導(dǎo)體器件的目的。利用摻雜技術(shù)可以制備p-n結(jié)、電阻器、歐姆接觸和互連線等。摻入雜質(zhì)的種類、數(shù)量及其分布，對部件性能的影響極大，因此必需進(jìn)展準(zhǔn)確的控制。摻雜方法可分為合金法、分散法和離子注人法。在集成電路制造中，主要采用分散法和離子注入法，圖2-16及表2—3對對采用這兩種工藝進(jìn)展摻雜時的均勻性、反復(fù)性、污染情況和環(huán)境條件等作了比較。一、分散分散過程包括兩個步驟，首先是經(jīng)過氣相堆積或涂覆的方法，在基片外表上覆蓋一層所希望的摻雜劑，使基片外表上合有一定量的雜質(zhì)；然后進(jìn)展驅(qū)動分散，使雜質(zhì)原子向晶體內(nèi)運動。這就是常說的兩步分散法。前者稱為預(yù)堆積，后者稱為再分布。雜質(zhì)原子分布的外形主要由雜質(zhì)原子在基片外表的情況而定，而分散深度主要取決于溫度和分散時間。替位式分散和間隙式分散

分散運動是微觀粒子(原子或分子)熱運動的統(tǒng)計結(jié)果。在一定溫度下雜質(zhì)原子具有一定的能量，可以抑制某種阻力而進(jìn)入半導(dǎo)體，并在其中作緩慢的遷移運動。這些雜質(zhì)原子不是替代硅原子的位置就是處在晶體的間隙中，因此分散也就有替位式分散和間隙式分散兩種方式，如圖2—17所示。替位式分散。雜質(zhì)原子經(jīng)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到達(dá)在晶格中挪動。為此，要求相鄰的位置必需是空的，也就是說，要產(chǎn)生替位式分散必需有空位。由于空位的平衡濃度相當(dāng)?shù)?，故可以為替位式分散比間隙式分散慢得多。實踐情況確實如此。間隙式分散。處于晶格原子之間空位的雜質(zhì)原于稱為間隙原子，雜質(zhì)原子由一個間隙位置跳到下一個間隙位置而在晶格中挪動，它們既可以從格點位置開場挪動，也可以從間隙位置開場挪動，最終可停在兩種位置中的一種位置上。間隙式分散要求雜質(zhì)從一個間隙位置跳到相鄰的另一個間隙位置，而且雜質(zhì)原子只需處于間隙位置時才干以顯著的速率在晶體中挪動。二、離子注入離子注入就是先將雜質(zhì)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(jīng)過退火使雜質(zhì)激活而到達(dá)摻雜的目的。離子注入多用于淺結(jié)高精度摻雜。磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)量分析器(90°分析磁體)消除了不需求的某些離子，經(jīng)偏轉(zhuǎn)與聚焦后，離子束瞄準(zhǔn)半導(dǎo)體靶，使高能離子浸透到半導(dǎo)體外表。進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)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。離子注入的優(yōu)點及其問題

離子注入的優(yōu)點是它具有很好的可控性和反復(fù)性。經(jīng)過丈量離子流和注入時間，可以確定硅中雜質(zhì)離子的數(shù)量，從而改動雜質(zhì)的濃度。因此，經(jīng)過調(diào)理加速電壓來控制雜質(zhì)分布就能夠優(yōu)于高溫分散。

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(dāng)靶原子的能量足夠大時那么可使其發(fā)生位移。當(dāng)位移原子的能量足夠大時還可使其他靶原子發(fā)生位移，從而構(gòu)成一個碰撞與位移的級鏈，呵斥晶體損傷。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(fù)晶體的單晶構(gòu)造，同時使注入離子激活(即運動到晶格位置而產(chǎn)生電活性的摻雜作用)。三、中子嬗變摻雜技術(shù)(NTD)

中子嬗變摻雜技術(shù)是另一種非常吸引人的摻雜方法，最普通的是用它進(jìn)展磷摻雜而構(gòu)成均勻的n型資料。其根本原理是由于硅有三個穩(wěn)定的同位素28Si、29Si和30Si，它們分別為92．21％、4．70％和3．02％，當(dāng)遭到熱中子照射時，其中只需30Si捕獲中子才產(chǎn)生放射性同位素31Si，隨后31Si嬗變?yōu)榉€(wěn)定的同位素31P，從而到達(dá)了n型摻雜的目的。這一過程的摻雜核反響式為： 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(fā)射。由于31Si的衰變壽命很短，沒有顯示出剩余的放射性，而32P有中等的壽命，故可導(dǎo)致可測的放射性劑量。當(dāng)然，32P的劑量主要取決于31P產(chǎn)生的劑量，它在一定程度上取決于中子流和硅中磷的最初劑量。中子嬗變摻雜最顯著的優(yōu)點是均勻性很好(可達(dá)土2％)，它不但可以使高阻的懸浮區(qū)熔硅晶錠變成濃度分布非常均勻的n型(也可以實現(xiàn)p型)資料，而且可以獲得非常均勻的外延層；其次是易于正確地監(jiān)控所引進(jìn)的裁流子數(shù)目(準(zhǔn)確度為士5％)。由于經(jīng)過核反響