电子元器件中的薄膜技术

1、电子元器件中的薄膜技术 孟祥龙硅基集成电路o平面工艺，多层加工o以硅单晶片为单位制造o发展迅速，重要o摩尔定律o薄膜技术电子集成电路信息社会基础o电子系统重量减少（几百公斤-几公斤），功耗降低（几千瓦-几十瓦）o战争为例二战混凝土9000枚越战200-300枚海湾战争1-2枚Ivy Bridge就要来了 集成电路加工的基本操作o形成某种材料的薄膜o在各种材料的薄膜上形成需要的图形o通过掺杂改变材料的电阻率或杂质类型形成材料薄膜的方法o化学气相沉积（CVD）o物理气相沉积（PVD）o热氧化方法Si O2 SiO2 当前的光刻技术，采用193nm曝光波长，可实现大于100nm线宽的图形。 下一代光

2、刻技术，*157nm曝光，小于50nm线宽图形。 再下一代光刻技术，*126nm曝光。*德国的Carl Zeiss公司美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室、SVGL公司 日本的尼康公司荷兰的ASML公司*德国的Carl Zeiss公司美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室 0246810mm用AFM机械刻蚀原理刻写的亚微米尺寸的唐诗STM 技术在Si(111)面上形成的“中国”字样。最邻近硅原子间的距离为0.4nm。 纳米量级结构纳米量级结构的制作是纳米技术的关键技术之一。 我国SPM系统在Au-Pd合金膜表面上机械刻画出的最小线宽为25nm。光刻和刻蚀形成需要的图形正胶和负胶的区别曝光过程中，光刻胶中的感

3、光剂发生光化学反应，从而使正胶的感光区、负胶的非感光区能够溶解于显影液中曝光过程中，光刻胶中的感光剂发生光化学反应，从而使正胶的感光区、负胶的非感光区能够溶解于显影液中 在硅芯片上涂光阻剂的甩胶在硅芯片上涂光阻剂的甩胶 机机掺杂改变材料的电阻率或杂质类型o常用掺杂方法o扩散-高温过程o离子注入-常温下进行，注入后需要高温退火处理o* 掺杂类型、掺杂浓度、结深（从硅中表面到扩散层浓度等于称底浓度处之间的距离,一般以微米为单位计量 ）典型的CMOS结构和工艺oMOS晶体管的结构和分类MOS晶体管的平面结构和剖面结构on阱CMOS结构和工艺n阱CMOS工艺基本流程和剖面图一、绝缘栅场效应管一、绝缘栅

4、场效应管绝缘栅场效应管是一种金属绝缘栅场效应管是一种金属氧化物氧化物半导体场效半导体场效应管，简称应管，简称MOS管。管。MOS管按管按工作工作方式方式分类分类增强型增强型MOS管管耗尽型耗尽型MOS管管N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（一）（一）N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理NNb-衬底引线衬底引线sgdP衬底衬底bSiO2绝绝缘层缘层g-栅极栅极S-源极源极d-漏极漏极N型区型区ggssddbb箭头方向是区别箭头方向是区别N沟道与沟道与P沟道的标志沟道的标志N沟道沟道P沟道沟道铝铝2.工作原理工作原理（1）感生沟道的形成）感生沟道的形成在

5、电场的作用下，可以把在电场的作用下，可以把P型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥掉，形成空间电荷区。掉，形成空间电荷区。当当uGS增加到某一临界电压增加到某一临界电压(UT)值时，吸引足够多的电子，在值时，吸引足够多的电子，在P型半导型半导体的表面附近感应出一个体的表面附近感应出一个N型层型层,形成反型层形成反型层漏源之间的导电沟道。漏源之间的导电沟道。 开始形成反型层的开始形成反型层的uGS称为开启电压称为开启电压(UT)。uGS越高，电场越强，感越高，电场越强，感应的电子越多，沟道就越宽。应的电子越多，沟道就越宽。uGSgb自由电子自由电子反型层反型层耗

6、尽区耗尽区绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏而控制漏-源极间电流的大小。源极间电流的大小。栅极和源极之间加正向电压栅极和源极之间加正向电压耗尽区耗尽区铝铝SiO2衬底衬底 P型硅型硅gbuGS受主离子受主离子空穴空穴（2）栅源电压）栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用在栅源电压在栅源电压uGS=0时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背向时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背向PN结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，iD0。增大增

7、大VGG，使，使uGS=UT时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，沟道内的多子（电子）产生漂移运动，形成漏极电流沟道内的多子（电子）产生漂移运动，形成漏极电流iD。uGS变大变大iD变大变大沟道宽度变宽沟道宽度变宽沟道电阻变小沟道电阻变小NNVDDVGGsdbgiDPN沟道沟道uGSUT时才能形成导电沟道时才能形成导电沟道uGS对对iD的控制作用：的控制作用：MOS晶体管的平面结构和剖面结构MOS晶体管的实际尺寸MOS晶体管的类型n阱CMOS工艺结构特点n阱CMOS主要工艺步骤1. 衬底硅片的选择o晶向无缺陷的单晶硅片o8英寸硅片，硅片厚度约700umop

8、 型硅片，电阻率为10-50cm2.制作n阱o热氧化形成初始氧化层作为阱区注入的掩蔽层。o在氧化层上开出n阱区窗口o注磷在窗口下面形成n阱o退火和阱区推进3. 场区氧化LOCOS具体工艺o生长薄层SiO2作为缓冲层o淀积氮化硅o刻掉场区的氮化硅和缓冲氧化层o场区注入o热氧化形成场氧化层早期的场区氧化工艺-非等平面鸟嘴问题o二氧化硅层生长在没有氧化硅阻挡层的区域上,由于氧化剂能够通过衬底 sio2层横向扩散,将会使得氧化反应从氮化硅薄摸的边缘横向扩散在氮化硅的边缘到其内部生成逐渐变薄的sio2层该部分的形状和鸟的嘴部类似,通常叫鸟嘴.o在同等工艺的情况下，鸟嘴的尺寸是不会有太大改变的，所以，当尺

9、寸变小时，鸟嘴部份就会吃掉很多isolation的空间，所以必须通过工艺的改变来缩小鸟嘴，但还是有一定限度的，所以不会随尺寸的缩小无限收缩鸟嘴大小o当鸟嘴已不能再缩时，收缩space的唯一办法就是把nitride之间的space做的很小，这样的后果就是，当nitride space 太小时，通过locos长的field oxide会长不厚，直接导致field isolation fail, 即场开启电压不能符合要求场区寄生MOS晶体管o图右边两个P型扩散区被一条隔着厚氧化层的铝线跨接,也形成一个MOS晶体管（此区氧化层较厚，称为场区）,这一晶体管称为场MOS晶体管。加大场氧化层厚度,使此寄生管

10、的阈值电压低于电路中的最低电位,以保证所有场MOS管始终处于截止状态,从而可消除这种寄生影响 o在p型硅衬底上通过热氧化等平面工艺来制作器件和电路时，往往由于SiO2薄膜中存在有正电荷（Na离子沾污等所致），使得p型硅衬底表面上出现n型寄生沟道而造成短路防止出现寄生沟道的措施: :足够厚的场氧化层, ,场区注硼合理的版图4、制作硅栅硅栅工艺实现了栅和源、漏区自对准具体步骤o生长缓冲层o沟道区注入o生长栅氧化层oCVD工艺淀积多晶硅o多晶硅掺杂o光刻和刻蚀形成多o晶硅栅的图形5、形成源和漏区o用磷注入，或砷、磷双注入形成n+区作为NMOS源、漏区和n阱引出区o硼注入，形成PMOS的源、漏区和p型

11、衬底的欧姆接触区6. 形成金属互连线o在整个硅片上淀积氧化层o通过光刻在氧化层上开出引线孔o在整个硅片上淀积金属层，如铝o光刻形成需要的金属互连线图形深亚微米CMOS结构和工艺相比常规CMOS结构主要改进 浅沟槽隔离代替场氧隔离 外延双阱工艺代替单阱工艺 逆向掺杂和环绕掺杂代替均匀的沟道掺杂 对NMOSNMOS和PMOSPMOS分别采用n n硅栅和p p硅栅 在沟道两端形成很浅的源、漏延伸区 硅化物自对准结构 铜互连代替铝互连浅沟槽隔离常规CMOS工艺中的LOCOS隔离的缺点o表面有较大的不平整度o鸟嘴使实际有源区面积减小o厚的场氧化层要占用较大面积影响了集成密度o高温氧化热应力也会对硅片造成

12、损伤和变形浅沟槽隔离的优势o占用的面积小，有利于提高集成密度o不会形成鸟嘴o用CVD淀积绝缘层从而减少了高温过程浅沟槽隔离抑制窄沟效应o当场效应晶体管的沟道宽度源和漏结的耗尽层宽度时，即为所谓“窄沟道”器件。在器件结构的尺寸缩小时，不仅沟道长度变短，宽度也将按同比例在缩小，于是就会出现窄沟道器件。器件的阈值电压等性能因为沟道变窄而发生变化的现象即称为窄沟道效应晶体管的阈值电压升高。 外延双阱工艺o常规单阱CMOSCMOS工艺，阱区浓度较高，使阱内的器件有较大的衬偏系数和源、漏区pnpn结电容采用外延双阱工艺的好处o由于外延层电阻率很高，可以分别根据NMOS和PMOS性o能优化要求选择适当的n阱

13、和p阱浓度o做在阱内的器件可以减少受到粒子辐射的影响o外延衬底有助于抑制体硅CMOS中的寄生闩锁效应o闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，严重会导致电路的失效，甚至烧毁芯片。闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。避免闩锁的方法就是要减小衬底和N阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态。 o静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生影响。ESD 和相关的电压瞬变都会引起闩锁效应（latch-up）是半导体器件失效的主要原因之一。如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物

14、薄膜就会因介质击穿而损坏。很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。这就是所谓的“闩锁效应”。在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、EOS（电过载）和器件损坏。双阱形成工艺n、p两种类型的硅栅o在CMOSCMOS电路中希望NMOSNMOS和PMOSPMOS的性能对称，这样有利于获得最佳电路性能o使NMOSNMOS和PMOSPMOS性能对称很重要的一点是使它们的阈值电压绝对值基本相同o在同样条件下，如果NMOSNMOS和PMOSPMOS都选用n+n+硅栅，则PMOSPMOS的负阈值电压绝对值比NMOSNMOS的阈值电压大很多oPMOSPMOS采用p

15、 p硅栅减小其阈值电压的绝对值，从而获得和NMOSNMOS采用n n硅栅对称的性能采用MOS器件的存储器oROM和RAM（DRAM&SRAM）oDRAM的一个存储单元由一个三极管和一个电容器组成，结构简单易于集成o1byte 存储单元o存电为1，反之为0化合物半导体器件oGaAs器件适用于高频高速工作要求，但其表面难于形成优质稳定绝缘层，因此不能采用MOS型，只能采用MES-FET（metal-semiconductor field effect transistor）,结型FET等型式o在基板表面离子注入Si或者Ge，选择性形成GaAs的能动层o低温溅射沉积高介电常数薄膜（SrTiO

16、3）将电容由外置式转为内置式薄膜电阻o碳膜电阻器 将结晶碳沉积在陶瓷棒骨架上制成。碳膜电阻器成本低。性能稳定。阻值范围宽。温度系数和电压系数低，是目前应用最广泛的电阻器。 o金属膜电阻器。 将合金材料沉积于陶瓷棒骨架表面。金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声，温度系数校在仪器仪表及通讯设备中大量采用。 o金属氧化膜电阻器 在绝缘棒上沉积一层金属氧化物。由于其本身即是氧化物，所以高温下稳定，耐热冲击，负载能力强。 o合成膜电阻 将导电合成物悬浮液涂敷在基体上而得，因此也叫漆膜电阻。由于其导电层呈现颗粒状结构，所以其噪声大，精度低，主要用他制造高压，高阻，小型电阻器。薄膜电阻薄膜电容o薄膜

17、电容器主要等性如下：无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小。基于以上的优点，所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其是在信号交连的部份，必须使用频率特性良好，介质损失极低的电容器，方能确保信号在传送时，不致有太大的失真情形发生。在所有的塑料薄膜电容当中，又以聚丙烯(PP)电容和聚苯乙烯(PS)电容的特性最为显著，当然这两种电容器的价格也比较高。然而近年来音响器材为了提升声音的品质，所采用的零件材料已愈来愈高级，价格并非最重要的考量因素，所以近年来PP电容和PS电容被使用在音响器材的频率与数量也愈来愈高。o通常的薄膜电容器其制法是将铝等金属箔当成电极和塑料薄膜重叠

18、后卷绕在一起制成。但是另外薄膜电容器又有一种制造法，叫做金属化薄膜(Metallized Film)，其制法是在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极。如此可以省去电极箔的厚度，缩小电容器单位容量的体积，所以薄膜电容器较容易做成小型，容量大的电容器。例如常见的MKP电容，就是金属化聚丙烯膜电容器(Metailized Polypropylene Film Capacitor)的代称，而MKT则是金属化聚乙酯电容Metailized Polyester)的代称。o金属化薄膜电容器所使用的薄膜有聚乙酯、聚丙烯、聚碳酸酯等，除了卷绕型之外，也有叠层型。金属化薄膜这种型态的电容器具有一种所谓的

19、自我复原作用(Self Healing Action)，即假设电极的微小部份因为电界质脆弱而引起短路时，引起短路部份周围的电极金属，会因当时电容器所带的静电能量或短路电流，而引发更大面积的溶融和蒸发而恢复绝缘，使电容器再度回复电容器的作用。薄膜电感o随着电子系统向高集成度、高复杂度方向发展，势必要求在更小的基片上集成更多的元器件。这除了要求高密度集成技术的发展外，从器件本身出发，研制小型化、薄膜化的器件，以减小系统的整体体积、重量，无疑为一可行的途径。而作为最重要的磁性元器件之一的电感，它不仅在滤波电路、扼流圈、天线中必不可少，也是构成变压器的基本组成单元，其片式化、薄膜化将带动磁性元件向小型

20、化发展。 编织结构型电感o电感的磁芯为Co-Fe-Si-B材料，采用RF磁控溅射的方法在光敏微晶玻璃基片上制成 编织结构型电感o电感的结构更为紧密，在单位体积内获得更高的电感o磁芯闭合，漏磁少，电感升高o分离磁芯，使得随着频率升高而增大的涡流不能形成整体闭合回路，降低涡流损耗o制作过程复杂、工艺难度高，重复性不太好 螺旋线圈型薄膜电感o螺旋线圈型薄膜电感是最常见的一种薄膜电感，是目前有芯与无芯电感的主要绕线形式。磁芯可选用CoNbZr、FeTaN、FeSiAl等磁性薄膜材料。o绕线采用掩膜或光刻，易于实现，因此是各种薄膜电感中研究最广泛的一种。 o日本富士电气公司将上述结构的平面电感集成到一微

21、型（45mm）DC-DC开关电源上，在开关频率为3MHz时，得到功率密度为5.6W/cm3，转换效率为80%的优良性能。o对于该种结构还可采用磁控溅射与离子刻蚀相结合的方法，使磁芯与导线具有相同的形状，这样可以大大减小漏感，使电感量有大幅的提高，但其工艺难度高。 之之 字形薄膜电感字形薄膜电感o“之”字型电感量上述螺旋型薄膜电感的变形o有众多的转角，增大了有效面积，大大地节省了空间，从而使单位面积内的电感量大大提高。但随着转角的增多，导线长度随之增长，进而导致电阻增大，使品质因数有所下降。薄膜SAW器件o声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）就是在压电基片材料表面产生并传

22、播、且其振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器一叉指换能器（IDT）。它采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，再把设计好的两个IOT的掩膜图案，利用光刻方法沉积在基片表面，分别用作输入换能器和输出换能器。其工作原理是：输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。 SAW器件的应用oSAW滤波器在抑制电了信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波干扰等方面起到了良好的作用，可以实现所需任意精度的幅频特性和和频特性的滤波，这是其它

23、的滤波器所难以完成的。另外由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使得声表面波器件（SAW）的使用上限频率提高到2.53GHz，从而 更加促进SAW滤波器在抗EMT领域获得广泛的应用。 SAW滤波器以极陡的过度带使CATV的邻频传输得以实现，与隔频传输和比，频谱利用率提高了一倍。电视接收机如果不采用SAW滤波器，不可能工作得这么稳定可靠。事实上，早期SAW滤波器的主要应用领域即是以电视机为代表的视听类家电产品，进入80年代末之后，由于电子信息、特别是通信产业的高速发展，为SAW滤波器提供了一个广阔的市场空间，致使其产量和需求呈直线上升趋势。目前世界声表面波（SAW）滤波器的年产量在6亿只以上。移动通信系统的发射端（TX ）和接收端（RX）必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，由于其工作频段一般在 800MHz2GHz、带宽为1730MHz，故要求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像哀减、承