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MEMS技术,唐 军,MEMS工艺分类,光刻（Lithography） 刻蚀（Etching） 化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积(PVD) 氧化 扩散与离子注入 退火 LIGA工艺,氧化,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。 种类：热氧化、热分解淀积、外延淀积。,SiO2的性质及其作用,SiO2的化学性质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生反应，因此在集成电路工艺中经常利用氢氟酸腐蚀SiO2层,SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，电阻率可以高达1016cm以上。介电强度约为106107V。,SiO2 + 4HF SiF4 + 2H2O,SiF4 + 6HFH2(SiF6) + 2H2O,氧化硅层的主要作用有： 1 在MOS集成电路中，SiO2层作为MOS器件的绝缘栅介质，这时，二氧化硅是器件的一个重要组成部分。 2利用硼、磷、砷等杂质在二氧化硅层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数的特性，二氧化硅可以用作选择扩散时的掩蔽层，对于离子注入，SiO2有时与光刻胶，Si3N4层一起作用也可以作为离子注入的阻挡层。 3作为集成电路的隔离介质材料。 4作为电容器的绝缘介质材料。 5作为多层金属互连层之间的介质材料。 6作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料.,热氧化层形成SiO2的机理,硅与氧气和水蒸气的热氧化反应方程式为：,Si(固体) + O2 SiO2(固体),Si(固体) + 2H2O SiO2(固体) + 2H2,硅的氧化过程是一个表面过程。必须经过以下三个步骤：1氧化剂从气体内部被传输到气体/氧化物界面。2通过扩散穿过已经形成的氧化层。3在氧化层/硅界面处发生反应。,SiO2(d),0.44d,原始硅界面,硅衬底,SiO2,影响硅表面氧化速率的三个关键因素为：温度，氧化剂的有效性，硅层的表面势。,氧化剂的有效性：既然氧化反应发生在硅表面，氧化剂必须穿过已形成的氧化层被输运到氧化层硅界面后才能发生反应；没有输运到氧化层的氧化剂是无效的。影响氧化剂有效性的因素主要有氧化剂在氧化层中的扩散系数，溶解度和氧化气体的压强等。,硅层表面势或者表面能量：硅层的表面势与硅的晶向，掺杂浓度以及氧化前表面的处理有关，在所有的晶向中，(111)晶向的氧化速率最高，(100)晶向的氧化速率最低。,SiO2的制备方法,制备SiO2的方法很多，其中最主要的有热氧化法，化学气相淀积，热分解淀积法，溅射法，等离子氧化法等，在集成电路工艺中最常用的方法为热氧化和化学气相淀积两种。 热氧化形成的二氧化硅质量最好，而且具有很高的重复性和化学稳定性，是现代集成电路制备中重要的基础工艺之一。,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,.干氧氧化：是指在氧化过程中，直接通入氧气进行氧化的方法。采用这种方法制备的氧化层结构致密，均匀性和重复性好，对杂质扩散的掩蔽能力强，钝化效果好，与光刻胶的附着性好等优点：它的缺点是氧化速率慢，氧化温度高。,水蒸汽氧化：是指硅片与高温水蒸汽发生反应的氧化方法。采用这种方法制备的氧化层结构疏松，缺陷较多，含水量大，掩蔽能力较差，其优点是氧化速率高。在现代集成电路工艺中已经很少使用这种方法。,湿氧氧化：在该方法中，氧气首先通过盛有左右去离子水的石英瓶，将水汽一起带入氧化炉内，再在高温下与硅反应。这时，与硅反应的氧化剂同时包括氧气和水汽。与干氧氧化的SiO2膜相比，湿氧氧化的SiO2膜质量略差，但远好于水蒸气氧化的效果，而且生长速度较快，其缺点是与光刻胶的附着性不是很好。,干氧，湿氧，水蒸气以及干湿干氧化等工艺装置,氢氧合成氧化：它是指在常压下，将高纯氢气和氧气通入氧化炉内，使之在一定的温度下燃烧生成水，水在高温下汽化，然后水汽与硅反应生成SiO2。氢与氧的化学反应方程式为： 2H2 + O2 2H2O,除了以上几种热氧化法外，还有分压氧化和高压氧化等方法。前者主要用于制备薄膜氧化层小于nm的，通常是在氧气中通入一定比例的不活泼气体，降低氧气的分压，进而起到降低氧化速率的作用。采用分压氧化技术可以得到均匀性和重复性好的高质量薄栅氧化层，高压氧化则是主要用来制备厚的氧化层，如场氧化等。,MEMS工艺分类,光刻（Lithography） 刻蚀（Etching） 化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积(PVD) 氧化 扩散与离子注入 退火 LIGA工艺,扩 散,替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位： 、族元素 一般要在很高的温度(9501280)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67个数量级,利用液态源进行扩散的装置示意图,离子注入,离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，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,离子注入系统的原理示意图,离子注入到无定形靶中的高斯分布情况,MEMS工艺分类,光刻（Lithography） 刻蚀（Etching） 化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积(PVD) 氧化 扩散与离子注入 退火 LIGA工艺,退火,机理:注入技术掺杂的晶片，必须消除晶格损伤，并使注入的杂质进入替代位置以实现电激活。 在一定的温度和时间进行热处理可以消除损伤、激活杂质、少子寿命和迁移率恢复。 高温加大了原子的热运动能量，可化解复杂的损伤,使空位