第三章-半导工艺基础

第三章半导体工艺基础,单晶硅制备,半导体材料生长,一、半导体级硅,加热含碳的硅石来制备冶金级硅SiO2+CSi+CO2沙子MGS纯度98%通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯硅烷Si+3HClSiHCl3+H2通过三氯硅烷和氢气反应生产半导体级的硅SiHCl3+H2Si+3HClSGS纯度99.9999999%多晶工艺:西门子改良工艺,二、单晶硅锭的制备,半导体级硅（多晶）单晶生长后的单晶硅称为硅锭方法：CZ法（直拉法）FZ法（区熔法）CZ法：85%以上的单晶硅是用CZ法生长的FZ法：纯度高（氧含量低）可生长的直径小掺杂,CZ法（直拉法）,CZ法工艺过程,大部分单晶硅都是通过直拉法生长的。首先把多晶硅料和掺杂剂放在石英坩埚中加热熔化。然后把籽晶放于溶硅中，待籽晶周围的溶液冷却后，硅晶体就会依附在籽晶上。在温度和拉速达到要求后把晶体向上提拉。在晶体提拉到预定要求后，会把尾部拉制成锥形，这样一支完整的单晶就形成了。,直拉法生长出的单晶硅锭,硅片加工,1.整形处理2.切片3.倒角4.磨片5.刻蚀6.抛光7.清洗质量检测包装,III-V族化合物半导体的外延生长,内容提要：气相外延生长VPE卤化物法氢化物法金属有机物气相外延生长MOVPE（MOCVD）分子束外延生长MBE,气相外延生长,气相外延生长(vaporphaseepitaxy,VPE)发展较早，主要有以下三种方法：卤化物法(Ga/AsCl3/H2体系)氢化物法(Ga/HCl/AsH3/H2体系)金属有机外延法,卤化物法外延生长GaAs,Ga/AsCl3/H2体系气相外延原理及操作高纯H2经过AsCl3鼓泡器，把AsCl3蒸气携带入反应室中，它们在300500的低温就发生还原反应，4AsCl3+6H2=As4+12HCl生成的As4和HCI被H2带入高温区(850)的Ga源(也称源区)处，As4便溶入Ga中形成GaAs的Ga溶液，直到Ga饱和以前，As4不流向后方。4Ga+xAs4=4GaAsx(x1)而HCI在高温下同Ga或GaAs反应生成镓的氯化物，它的主反应为2Ga+2HCl=2GaCl+H2GaAs+HCl=GaCl+As4+H2,卤化物法外延生长GaAs,GaCI被H2运载到低温区，如此时Ga舟已被As饱和，则As4也能进入低温区，GaCI在750下发生歧化反应，生成GaAs，生长在放在此低温区的衬底上(这个低温区亦称沉积区)，6GaCl+As4=4GaAs+2GaCl3有H2存在时还可发生以下反应4GaCl+As4+2H2=4GaAs+HCl反应生成的GaCl3被输运到反应管尾部，以无色针状物析出，未反应的As4以黄褐色产物析出。,氢化物法外延生长GaAs,氢化物法是采用GaHCIAsH3H2体系，其生长机理为Ga(l)+HCl(g)=GaCl(g)+H2(g)AsH3(g)=As4(g)+3/2H2(g)GaCl(g)+As4(g)+H2(g)=GaAs(s)+HCl(g)这种方法，Ga(GaCI)和As4(AsH3)的输入量可以分别控制，并且As4的输入可以在Ga源的下游，因此不存在镓源饱和的问题，所以Ga源比较稳定。卤化物和氢化物法生长GaAs除了水平生长系统外，还有垂直生长系统，这种系统的基座大都是可以旋转的，因此其均匀性比较好。,金属有机物化学气相沉积,金属有机物化学气相沉积(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，MOCVD)自20世纪60年代首次提出以来，经过70年代至80年代的发展，90年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法能与之相比。,MOVPE技术,MOVPE(MetalorganicVaporPhaseEpitaxy)技术是生长化合物半导体薄层晶体的方法，最早称为MOCVD。近年来从外延生长角度出发，称这一技术为MOVPE。它是采用族、族元素的有机化合物和V族、族元素的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长一V族，一族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶。金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如Ga、Al、In、Zn、Cd等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、Ga(C2H5)3等，,金属有机化合物的名称及其英文缩写,三甲基镓Tri-methyl-galliumTMGTMGa三甲基铟Tri-methyl-indiumTMITMIn三甲基铝Tri-methyl-alumiumTMAI三乙基镓Tri-ethyl-galliumTEGTEGa三乙基铟Tri-ethyl-indiumTEITEIn二甲基锌Di-methyl-zincDMZn二乙基锌Di-ethyl-zincDEZn二甲基镉Di-methyl-cadmiumDMCA二乙基镉Di-ethyl-cadmiumDECA,MOVPE的特点,MOVPE具有下列的特点：(1)可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的性质用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可以生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。(2)反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质和多层结构无疑是很重要的。,MOVPE的特点,(3)晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要控制的参数少，设备简单。便于多片和大片外延生长，有利于批量生长。(4)晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。(5)源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物，因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。此外，MOVPE可以进行低压外延生长(LP-MOVPE.LowPressureMOVPE)，比上述常压MOVPE的特点更加显著。,MOVPE设备,MOVPE设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。因为MOVPE生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要紧凑等等。不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPE设备往往是不同的，但一般来说，都由以下几部分组成：(1)源供给系统、(2)气体输运和流量控制系统，(3)反应室加热及温度控制系统，(4)尾气处理，(5)安全防护报警系统，(6)自动操作及电控系统。,MOVPE生长GaAs,使用TMGa与AsH3反应生长GaAs原理Ga(CH3)3(g)+AsH3(g)=GaAs(s)+3CH4(g)如果要生长三元化合物Ga1-xAlxAs时，可以在上述反应系统中再通往TMAl，反应式为：xAl(CH3)3(g)+(1-x)Ga(CH3)3(g)+AsH3(g)=Ga1-xAlxAs(s)+3CH4(g),MOVPE法生长GaN,由于得不到GaN衬底材料，所以GaN只能进行异质外延生长。目前作为实用的衬底材料的有SiC、蓝宝石等，也在寻找新的衬底材料，如ZnO、Si、GaAs及某些锂盐等。现在用于生长制备高亮度蓝色发光二极管所需GaN系材料的方法是MOVPE,，原料：以蓝宝石(0001)为衬底，NH3和TMG为N和Ga源，H2为输运气体。二步外延法：由于GaN和衬底之间的失配大到15.4，为此先用MOVPE法，在550左右，在衬底上先生长一层2025nm厚的GaN的缓冲层，然后升温至1030，接着生长GaN外延层。,分子束外延生长(MBE),分子束外延(molecularbeamepitaxy，MBE)是在超高真空条件下，用分子束或原子束输运源进行外延生长的方法。在超高真空中，分子束中的分子之间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞。分子束外延与其他外延方法相比具有如下的优点：源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低，如GaAs可在500左右生长，可减少生长过程中产生的热缺陷及衬底与外延层中杂质的扩散，可得到杂质分布陡峭的外延层；生长速度低(0.1-1nm/s)，利用快门可精密地控制掺杂、组分和厚度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；MBE生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此可以生长一般热平衡生长难以得到的晶体；生长过程中，表面处于真空中，利用附设的设备可进行原位(即时)观测，分析、研究生长过程、组分、表面状态等。,分子束外延生长,MBE作为重要的超薄层生长技术，已广泛用于生长一V、一、族等化合物及其多元化合物的单晶层，制做结构复杂、性能优异的各种器件。缺点：MBE设备比较复杂，价格昂贵，使用时消耗大量液氮。某些元素如Zn的粘附系数较小，用这类元素掺杂尚有困难。过去，由于MBE生长速率慢，每次只生长一片，因此只限于研究使用，目前，生产型的MBE已投入市场。,MBE的设备,MBE设备主要由真空系统、生长系统及监控系统等组成。,MBE的设备,生长室内设有多个内有BN或石英、石墨制的坩埚，外绕钨加热丝并用热电偶测温的温控炉。分别用来装Ga、In、Al和As以及掺杂元素Si(N型掺杂)、铍Be(P型掺杂)。温度控制精度为05。在热平衡时气态分子(或原子)从坩埚开口处射出形成分子束射向衬底。由在炉口的快门控制分子束的发射与中止。在分子束发射炉对面设置带有加热器的衬底架，利用In或Ga将衬底黏附在衬底架上。为了对衬底表面清洁处理还装有离子枪。监控系统一般包括四极质谱仪，俄歇谱仪和高、低能电子衍射仪等。四极质谱仪用来监测残余气体和分子束流的成分。低能电子衍射仪可分析晶体表面结构，高能电子衍射仪还可以观察生长表面光洁平整度。各监测仪器所得信号，分子束发射炉温度信号等输入微机进行处理，自动显示并调节温度和快门，按编制的程序控制生长，以获得结构、组分、厚度等均符合要求的外延片。,MBE生长原理,MBE生长过程可分为两个步骤：一是源蒸发形成具有一定束流密度的分子束,并在高真空条件下射向衬底；二是分子束在衬底上进行外延生长,钝化层和金属电极淀积工艺,膜淀积,淀积：一种材料以物理方式沉积在晶圆表面的工艺过程与热氧化的区别：形成膜的来源不同淀积：形成膜的物质全部来自外部的源热氧化：从硅片表面生长，消耗衬底材料淀积的膜：SiO2，Si3N4，多晶硅，金属等,一、薄膜特性（质量参数要求）,高密度：连续的不含孔隙厚度一致（均匀性）对台阶的覆盖好高的深宽比间隙填充能力高纯度合适的化学剂量低的膜应力对下层材料的粘附性,台阶覆盖,3.等离子体辅助CVD（PECVD）,在LPCVD基础上，加高频电场，使反应气体电离成等离子体，发生反应，沉积成膜特点：低压，可与LPCVD比拟低温快速淀积好的台阶覆盖能力要求RF系统成本高应用：淀积热稳定性差的材料,CVD生长薄膜形成过程：晶核形成聚集成束（岛生长）连续成膜膜结构控制：淀积膜可能是无定形、多晶、单晶,PECVD,PECVD结构示意图,借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。,二、金属淀积方法,蒸发溅射金属CVD电镀,1.蒸发,在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，沉积在晶片上。分为：真空热蒸发电子束蒸发早期的金属膜采用蒸发法，20世纪70年代被溅射取代特点：台阶覆盖差沟槽填充能力差淀积合金困难,金属热蒸发台,真空蒸发法结构示意图,电子束蒸发法结构示意图,2.溅射（sputtering）,高能粒子撞击靶，撞击出原子，沉积在基片上，形成薄膜特点：可在大晶圆上控制淀积均匀的薄膜膜厚均匀，台阶覆盖能力好保持复杂合金原组分能淀积高熔点和难溶金属能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本身的氧化层（原位溅射）,溅射机制,溅射系统,三类溅射系统：RF（射频）磁控IMP（离子化的金属等离子体）,直流二极溅射系统交流溅射系统,光刻,光刻材料光刻工艺流程先进的光刻技术,光刻材料,一、概述制作掩膜版将掩膜版上的图形转移到硅片表面的光敏薄膜上刻蚀离子注入（掺杂）,光刻使用光敏光刻胶材料和受控制的曝光形成三维图形光刻是IC制造中关键步骤1/3成本、40%50%生产时间多次光刻光刻材料：光刻胶掩膜版,二、光刻胶（PR）,1.光刻胶的特性及作用是一种光敏材料通过曝光使光刻胶在显影液中的溶解度发生改变可溶不可溶（负胶）不可溶可溶（正胶）光刻胶的作用：保护下层材料光刻胶：负性光刻胶正性光刻胶,2.光刻胶的组成树脂感光剂溶剂另外还有添加剂,负性光刻胶,树脂（可溶于显影液）曝光后感光剂产生自由基自由基使树脂交联而不溶于显影液显影后图形与掩膜版相反,正性光刻胶,树脂（本身是可溶于显影液，感光剂是一种强力溶解抑制剂，曝光前，感光剂抑制树脂溶解）曝光后感光剂产生酸酸提高树脂在显影液中的溶解度显影后图形与掩膜版相同,对比：正、负光刻胶,负胶：显影泡胀而变形，使分辨率下降曝光速度快，与硅片粘附性好价格便宜2m分辨率正胶：无膨胀，良好的线宽分辨率和基片之间的粘附性差当前主要使用正胶,三、掩膜版,掩膜版：包含整个硅片上所有管芯投影掩膜版：包含一个管芯或几个管芯,两个基本部分：基板（石英版）+不透光材料基板要求：低温度膨胀、高光学透射、耐腐蚀、材料表面和内部没有缺陷超微粒干版：AgBr（卤化银）铬版：Cr（铬）+氧化铬氧化铁版：Fe2O3（氧化铁）,光刻工艺,正性和负性光刻工艺：负性光刻,正性光刻,光刻的基本步骤,气相成底膜旋转涂胶前烘对准和曝光曝光后烘焙显影坚膜烘焙显影检查,（增强硅片与光刻胶的黏附性）,（增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能力）,1.曝光方式和设备：接触式/接近式光刻机光学扫描投影光刻机步进扫描光刻机电子束光刻机非光学X射线光刻机离子束光刻机,接触式光刻机,20世纪70年代使用，用于5m及以上尺寸，产生最平整的图形和最好的分辨率。特点：掩膜版容易损坏;重复掩模版与硅片接触工艺的结果是在掩模版上产生缺陷。这些缺陷在用光掩模版曝光的过程中被复印到下面的硅片上。为了减少这种影响，硬表面掩模版必须被有规律的检查和清洁。如果通过清洁不能去除缺陷，掩模版就必须被更换。掩模版和硅片之间的杂质影响紧密结合，降低了局部区域的分辨率。这样导致大规模集成电路接触复印的失败。高分辨率，可以实现亚微米（0.4m）线宽,接近式光刻机,由接触式发展来，70年代使用，用于2m4m尺寸线宽特点：与接触式相比减少了沾污问题掩膜版的寿命也较长由于光的衍射而分辨率降低.许多大规模集成电路要求特征尺寸小于2m，所以这种技术不适合大规模集成电路。,接触和接近式光刻机,扫描投影式光刻机,70年代末80年代初，现在仍有使用，用来实现1m的非关键层，采用光学反射或者折射原理将图像投影到晶片上。使用1：1掩膜版特点：亚微米尺寸的掩膜版制作困难,非光学曝光（0.1um以下）,电子束曝光利用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术。X射线曝光利用X光抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术。离子束曝光,离子束曝光是一种类似于电子束曝光的技术,它是在聚焦离子束技术基础上将原子被离化后形成的离子束的能量控制在10keV200keV范围内,再对抗蚀剂进行曝光,从而获得微细线条的图形。其曝光机理是离子束照射抗蚀剂并在其中沉积能量,使抗蚀剂起降解或交联反应,形成良溶胶或非溶凝胶,再通过显影,获得溶与非溶的对比图形。,刻蚀的概念,一、基本概念刻蚀：去除材料用化学的或物理的或化学物理结合的方式有选择的去除（光刻胶开出的窗口）整体剥离或反刻被刻蚀的材料：介质硅金属光刻胶,刻蚀,刻蚀工艺：湿法刻蚀：大尺寸（3m尺寸）整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等干法刻蚀：形成亚微米尺寸目前用来形成图形主要方法,二、刻蚀参数,刻蚀速率刻蚀剖面刻蚀偏差选择比均匀性,1.刻蚀速率,刻蚀速率：去除材料的速度单位：A/min公式：T/t,2.刻蚀剖面,刻蚀剖面：刻蚀后图形的侧壁形状各向同性各向异性各向异性对制作亚微米器件很关键高的各向异性，可以形成8889垂直度的侧壁,各向异性各向同性,3.刻蚀偏差,刻蚀后线宽或关键尺寸间距的变化通常是由横向钻蚀引起。,4.选择比,选择比：两种材料刻蚀速率的比公式：S=Er/Ef高选择比意味着只刻除想要刻去得那层材料。高选择比对于确保关键尺寸和剖面控制是必需的，要制造的关键尺寸越小，选择比要求越高,5.均匀性,衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键难点在于在刻蚀具有不同图形密度的硅片上保持均匀性,刻蚀工艺,一、湿法刻蚀液体化学试剂（酸、碱和溶剂等）以化学方式去除硅片表面材料反应产物必须是易挥发性的或可溶于刻蚀剂的物质，否则会成为沉淀，影响刻蚀的进行,特点：各向同性难以精确控制线宽和获得精细图形安全性光刻胶脱落难控制参数化学试剂处理高选择性无离子体损伤设备简单方式：浸泡喷射应用：通常用于大尺寸刻蚀（3m尺寸），一般用于整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等,二、干法刻蚀,利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的特点：横向钻蚀小，无化学废液，分辨率高，细线条，操作安全，简便；处理过程未引入污染；易于实现自动化，表面损伤小。缺点:成本高,设备复杂。,刻蚀方式：等离子刻蚀（在低温等离子体中，除了含有电子和离子外，还含有大量处于激发态的游离基和化学性质活泼的中性原子团。正是利用游离基和中性原子团与被刻蚀材料之间的化学反应，达到刻蚀的目的。对硅基材料刻蚀是用“硅-卤”键代替“硅-硅”键，从而产生挥发性硅卤化合物。利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差溅射与离子束刻蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差反应离子刻蚀(RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。,化学和物理干法刻蚀机理,刻蚀设备,化学桶式下游式物理离子束刻蚀物理和化学反应离子刻蚀高密度等离子刻蚀,圆桶式刻蚀系统,化学各向同