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薄膜淀积技术 半导体工艺中所涉及的常用薄膜 Evaporation 蒸发 Sputtering 溅射 使用加热 等离子体或紫外线等各种能源 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的方法 叫做化学汽相淀积 ChemicalVaporDeposition 技术 简称CVD技术 它与真空蒸发和溅射技术并列 是应用较为普遍的一种薄膜淀积技术 特点 1 淀积温度低 2 可以淀积各种电学和化学性质都符合要求的薄膜 3 均匀性好 4 操作简便 适于大量生产 CVD技术 CVD的分类 可按淀积温度 反应腔气压或淀积反应的激活方式分类 低温CVD 200 500 C 中温CVD 500 1000 C 高温CVD 1000 1300 C 常压CVD 低压CVD 热CVD 等离子体CVD 光CVD等等 热CVD系统 等离子体CVD MolecularBeamEpitaxy MBE 分子束外延技术 MBE自1960年开始就有人提出 是一种超精密和极精确的薄膜生长技术 其利用的是蒸发原理 将分子束射至单晶衬底上生长单晶外延层的方法 MBE的特点 超高真空 设备中外延生长室真空度可达5x10 11Torr 这样分子平均自由程L较大 例如 P 10 9Torr L 5x106cm 这样大的自由程使分子碰撞几率很小 薄膜生长均匀 生长速率和组分可精确控制 可以实现低温过程 这样能减少杂质扩散和沾污的几率 利用MBE技术可生长出位错密度 102cm 2的外延层 原位监控 MBE设备上安装有许多原位监控仪器 可以实时监控外延薄膜的生长参数以及物理性能 UHV UltraHighVacuum PhotolithographyLithographyistheprocessinwhichamicroelectronicspatternsaretransfertoasubstrate Thistransfercanbeaidedbylight electron beams ionbeams x rays etc Withoutthetechniquesofpatterndefinition thefabricationofmultipledevicesononesemiconductorwouldbeimpossible AlthoughthetechniquesofpatterndefinitionseemsimpletheyaretheheartofmodernICfabrication 半导体器件制作 PhotoresistPhotolithographyisaprocessinwhichwaferiscoatedwithalightsensitivepolymercalledphotoresist Polyisopreneisanexampleofacommonlyusedphotoactiveagent AmaskisusedtoexposeselectedareasofphotoresisttoUVlight TheUVlightinducespolymerizationintheexposedphotoresist UVcausesittocrosslinkrenderingitinsolubleindevelopingsolution Suchaphotoresistiscalledapositivephotoresist Anegativephotoresistshowsanoppositebehavior ThatisexposuretoUVmakesthephotoresistsolubleindevelopingsolution Remember Therearetwotypesofphotoresist NEGATIVE unexposedareasremoved POSITIVE exposedareasremovedNegativeresististhemostoftenusedbecauseitislessaffectedbyetchantsalthoughpositiveresistoffersbetterresolution Positiveresistsaremorecapableofproducingthesmallsizeofmoderndevicefeatureswhicharetypicallybelow1 0 mbutmaybeassmallas0 15 m 光刻的大致工艺流程 涂胶 一般从高温炉中取出硅片立即涂胶或在180 200 C恒温干燥箱中烘烤30分钟后再进行涂胶 要求粘附性能良好 厚度均匀适当 前烘 在80 C恒温干燥箱中烘10 15分钟 目的是使胶膜体内溶剂充分挥发 使胶膜干燥 以增强胶膜与SiO2膜的粘附性和胶膜的耐磨 曝光与显影 在涂好光刻胶的硅片表面覆盖掩膜版 Mask 一般利用紫外光进行选择性照射 使光照部分光刻胶发生光化学反应 经显影将部分光刻胶除去得到相应的图形 坚膜 一般将显影后的硅片放在烘箱中热烘30分钟左右使经显影时软化 膨胀的胶膜坚固 这样可使胶膜与硅片贴得更牢 同时也增强了胶膜本身的抗蚀能力 腐蚀 在用正胶的情况下 利用适当的腐蚀液将SiO2或Al腐蚀掉 而有光刻胶覆盖的区域保存下来 去胶 腐蚀结束后 利用湿法去胶 氧气去胶或等离子体去胶等方法将覆盖在硅片表面的保护胶膜去除 ExposureMethod CONTACTPRINTING 1xmaskrequired DIRECTSTEP 5xmaskrequired E BEAM nomaskrequired X RayLithographyX Raylithography XRL consistsofproximityprintingofamaskontoawafer Advantages1 resolutionandprocesssimplicity linewidth 1 m 2 noneedformultilevelresistsystemsusedine beamlithography3 XRLparallelwritingprocess e beamisaserial EtchProcessthatfollowsimmediatelyafterphotolithographystepistheremovalofmaterialfromareasunprotectedbyphotoresist Thisprocessmustbeselective thatisSiO2isremovedwhileleavingphotoresistandsiliconintact Itmustalsobeanisotropic thatisetchingshouldbeinonedirectiononly EtchMethod Twotypesofetchingprocessesareusedinpractice namely chemicalandphysicaletching Inpurelychemicaletchingmaterialisremovedbydissolutionwhichishighlyselectivebutnotanisotropic Inpurelyphysicalmethodmaterialisremovedbybombardmentofhighenergyionswhichisinherentlyanisotropicbutunselective Asanexample SiO2whichisusedasamaskfordriveindiffusionisremovedbyexposuretohydrogenfluoride HydrogenfluoridereactswithSiO2toformvolatileSiF4whichissweptawaybyinertargongas 湿法刻蚀特点 选择性高 生产量大 加工精度 3 m 装置成本低 干法刻蚀特点 可控性好 加工精度高 可达0 2 m 可加工设计形状 对于硅系材料 最常用的是用在CF4中放电所产生的等离子体来腐蚀Si 多晶硅和Si3N4 主要反应 在刻蚀过程中起主要作用的是原子态F和CF3游离基 近来人们发现在CF4中添加少量氧可使Si的腐蚀速率明显提高 这是因为O2与等离子体中的CF3 CF2或CF游离基作用而放出原子态F所致 Doping DiffusionandIonImplantation Dopingisageneraltermwhichreferstotheintroductionofimpuritiesintoasemiconductormedium Dopingusedindependentlyisnonselective whereasifusedinconjunctionwithpatterndefinition itcanbeselective introducingimpuritiesintoonlythoseareasthatyoudesire THEREARETWOTECHNIQUESOFDOPING SOLID STATEDIFFUSION IONIMPLANTATION Diffusion Diffusionistheprocesswherebyparticlesmovefromregionsofhigherconcentrationtoregionsoflowerconcentration Althoughthisincludestheselfdiffusionphenomena ourinterestisinthediffusionofimpurityatoms 硅平面扩散工艺是在硅集成电路中广泛使用的一种掺杂技术 其利用硅片表面的SiO2作为扩散掩膜 把待掺入的元素从窗口扩散到硅片内 固态源扩散装置气态源扩散装置液态源扩散装置 扩散原理 空位扩散复合扩散格子间隙扩散 MathematicalModelforDiffusion Thebasicone dimensionaldiffusionprocessfollowsFick sfirstlawofdiffusion J D N xwhereJistheparticlefluxofthedonororacceptorimpurityspecies Nistheconcentrationoftheimpurity andDisthediffusioncoefficient Fick ssecondlawofdiffusionmaybederivedusingthecontinuityequationfortheparticleflux N t D 2N x2inwhichthediffusioncoefficientDhasbeenassumedtobeindependentofposition Thisassumptionisviolatedathighimpurityconcentrations Twospecifictypesofboundaryconditionsareimportantinmodelingimpuritydiffusioninsilicon Thefirstistheconstant sourcediffusion 恒定表面浓度扩散 inwhichthesurfaceconcentrationisheldconstantthroughoutthediffusion N x t Noerfc x 2 Dt 1 2 Whereerfciscomplementaryerrorfunction 相补误差函数 Thesecondiscalledalimited sourcediffusion 限定源扩散 inwhichafixedquantityoftheimpurityspeciesisdepositedinathinlayeronthesurfaceofthesilicon SOLID STATEDIFFUSIONUSUALLYCONSISTSOFTWOSTEPS 1 PRE DEPOSITION 2 DRIVE IN Duringthepre depositionstep impuritiesareintroducedbuttypicallydonotdiffuseveryfarintothesubstrate 恒定表面浓度扩散 Beforethedrive in alayerofoxideisdepositedtocapthewaferthuspreventingimpuritiesfromescaping Duringthedrive in thewaferisheatedandtheimpuritiesdiffusefurtherintothewaferuntilthedesiredprofileisreached 限定源扩散 在热扩散中 掺杂原子通过掩膜向硅片中扩散时 除了在深度方向形成一定分布外 在窗口边缘同样有横向扩散 另外 在大面积掺杂时的掺杂量 结深和浓度分布可控性重复性等方面 高温扩散法有着一定不足之处 限制了其应用 目前 在低浓度高精度掺杂方面已被离子注入技术所替代 IonImplantation Ionsofdopantatomsareacceleratedtoahighvelocityinanelectricfieldandimpingeontargetwafer Theionspenetratethroughtheoxidelayerandenterintosilicon Penetrationdepthsof500to5000Aareeasilyachieved Penetrationdepthdependsonsizeofionandenergyapplied Theionsdonotpenetratethephotoresistlayerswhicharetypically10 000Athick Bymanipulatingtheaccelerationvoltage theaverageimplantationdept