光电子芯片-基础、应用及制造 课件 第9章 光电子芯片制造技术与工艺

1第9章

光电子芯片制造技术及工艺9.1概述9.2光电子芯片半导体材料9.3光刻、蚀刻与薄膜沉积技术及设备9.4掺杂技术9.5先进芯片制造技术9.1概述

9.1.1芯片制造工艺流程简介光电子芯片—基础、应用及制造2芯片制造工艺主要有衬底上涂光刻胶、曝光、显影、掺杂和蒸镀等，工艺流程如图9.1.1所示。在衬底（硅片、铌酸锂晶片等化合物）上面，涂上一层光刻胶（图9.1.1b），这是一种感光胶状物，当用聚焦后的紫外线/X射线等光照射某一个部位时，胶面会发生变化，显影后形成电路图形，之后，利用化学原理进行腐蚀，光照过的部分就会被腐蚀掉，留下凹槽，没有被光照的光刻胶，也被清洗掉，如图9.1.1e所示。然后，再掺磷、钛等杂质，就会出现一个新半导体、化合物或者电容，如图9.1.1g和图9.1.2b所示。以此类推，我们再涂一层胶，再照射、再腐蚀、再掺杂，不断重复，像搭房子一样累出一个复杂的集成电路，也就是芯片的核心部分。光刻最主要的设备就是光刻机。图9.1.1芯片制造工艺主要流程光电子芯片—基础、应用及制造3图9.1.2布拉格光栅制造示意图a）用紫外干涉光曝光制作光纤布拉格光栅b）在InP衬底表面涂光刻胶，曝光、显影刻蚀产生凹槽、

扩散/离子注入掺杂，最后产生布拉格光栅芯片光电子芯片—基础、应用及制造4图9.1.3马赫-曾德尔幅度调制器（图3.2.4）的制作示意图a）在衬底上钛扩散（离子注入）产生LiNbO3波导，蒸镀产生金属共平面电极b）刻蚀产生凹槽，蒸镀产生电极光电子芯片—基础、应用及制造5图9.1.4RZ-DQPSK传输系统光发送机（图2.2.5）芯片照相掩膜版光电子芯片—基础、应用及制造6

图9.1.5光纤传输正交频分复用（O-OFDM）发送机结构照相图a）O-OFDM发送机PIC照相图b）安装在印制板上的O-OFDM发送机照相图光电子芯片—基础、应用及制造79.1.2光电子芯片制造中的基本工艺

光芯片制造中的基本工艺有清洗、热处理、掺杂物导入、薄膜形成、光刻、平坦化等，如表9.1.1所示。

下面以在300mm硅光平台上的O波段Si基Ge吸收电吸收波导调制器（EAM）为例，说明光电子芯片制造中的基本工艺。（1）衬底掺杂与平坦化SOI晶圆进行磷离子（P）注入形成n型掺杂的底部接触层。

沉积二氧化硅（SiO₂），并进行平坦化处理，之后通过湿法蚀刻在硅波导中制造出腔体结构。（2）外延生长与处理

晶圆经清洗后被置入ASMIntrepid™化学气相沉积（CVD）反应器中。随后利用减压外延化学气相沉积（RPCVD）技术与常规Ge和Si前驱体，选择性地在硅波导腔体内生长不同外延层。（3）表面平整与p掺层生长

利用化学机械抛光（CMP）工艺将顶部表面处理至与周边氧化物平齐，保证表面平整度，利于后续光刻、沉积等工艺操作。光电子芯片—基础、应用及制造89.2光电子芯片半导体材料

9.2.1硅基材料集成电路按所使用的半导体材料，分为硅IC和化合物IC两大类。硅（Si）IC价格也比化合物IC的便宜，物性稳定，利用热氧化可形成非常稳定的二氧化硅（SiO2）绝缘膜，利用微细加工技术可制作精细化图形，制作工艺已相当成熟。缺点是与化合物IC相比，电子迁移率低。硅IC主要用于存储器、微处理器、逻辑元件等一般的大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（ULSI）。化合物IC中电子迁移率要比硅IC中的快得多，但从技术、价格等方面看，前者要推广使用还有不少问题，但光芯片通常采用化合物材料，如LiNbO3、InP、异质结材料、有机半导体材料等（见9.2.2节）。硅IC可以分为金属-氧化物-半导体（MOS）型和双极结型晶体管。电荷藕合芯片（CCD），一般以N型硅（N-Si）作为半导体衬底，它是集光/电转换、电荷存储、电荷转移和自扫描等功能于一体的电荷耦合摄像芯片。对于N-Si半导体衬底，空穴被施加负电压栅极的下方收集，进入势阱中，该电荷与光照成正比，少数载流子是空穴；对于P-Si衬底，则要施加一个正的外电压，进入势阱中的就是电子而不是空穴，少数载流子是电子。光电子芯片—基础、应用及制造99.2.2化合物半导体材料化合物半导体主要包括由镓（Ga）、铟（In）、铝（Al）等III族元素与氮（N）、砷（As）、磷（P）等V族元素构成的III-V族，之外还有II-VI族化合物和IV-IV族半导体等。技术开发和实用化最早的当属砷化镓（GaAs）化合物半导体，与硅（Si）半导体相比，GaAs中的电子迁移率约为前者的5倍，因此可大大提高器件的工作速度，而且工作电压、功耗也低得多。但是，难以获得大外径单晶。砷化镓（GaAs）化合物半导体的应用领域既有模拟系统，又有数字系统。模拟系统有卫星广播接收机用的低噪声放大器，手机用的功率放大器、驱动放大器。数字系统有手机的接收/发送天线转换开关，10Gbit/s以上光通信系统中的多路调制/解调器，高速IC测量用的可变延迟电路、电源IC等。目前，大多数调制器是由LiNbO3晶体制成的，这种晶体在某些方向具有非常大的电光系数。化合物半导体材料在电致发光二极管（LED）得到了广泛的使用，占据了主导地位。光电子芯片—基础、应用及制造109.2.3柔性发光二极管材料柔性发光二极管所用材料也是一种化合物半导体材料。6.3节和6.4节已进行了介绍。微型发光二极管（MLED）结构已薄膜化、微小化、阵列化，其尺寸仅为1~10μm，由直接能隙半导体材料（如AlxGa1-xAs）构成。6.3节也介绍了有机发光（OLED）显示，它是通过电流驱动有机半导体薄膜材料来达到发光和显示的目的。一类是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基OLED，另一类是以共轭高分子为发光材料的聚合物LED（PLED）。6.4.2节也介绍了钙钛矿发光二极管（PeLED），它是将几种化学物质按照比例溶于溶液中，经挥发后就形成了钙钛矿材料，它是一类有机-无机杂化晶体，也属于半导体。光电子芯片—基础、应用及制造119.3光刻、蚀刻与薄膜沉积技术及设备

9.3.1光刻技术及光刻机光刻就是用照相复印的方法，将掩模版上的图形精确地复印涂覆在衬底（如铌酸锂晶片、磷化铟晶片、有机半导体衬底等）表面的光刻胶或其他掩蔽膜上，然后在光刻胶或其他掩蔽膜的保护下，先后对衬底进行曝光）、干法/湿法刻蚀（将光刻技术所产生的光刻胶图形准确无误地转印到光刻胶底下的衬底上）、离子注入掺杂、金属蒸镀（产生电极）等，如图9.1.1所示。使光刻胶感光的光线有，可见光、近紫外光（汞灯，光波长436nm或365nm）、深紫外光（DUV，波长248~193nm）、真空紫外光、极远紫外光（软X线，波长13.5nm）、X射线等激光器，近年来，又发展了电子束和离子束曝光技术。几种激光器的应用技术节点（图形分辨率）为，近紫外光≥0.5~0.25µm，深紫外光0.25µm~7nm，极远紫外光7nm/5nm及以下。对准和曝光所用的设备为光刻机，它是整个集成电路制造工艺中单台价格最高的工艺设备。光刻机的技术水平代表了整条生产线的先进程度。光电子芯片—基础、应用及制造12EUV由4部分组成，即反射式投影曝光系统、反射式光刻掩模版、极远紫外光源系统和光刻涂层。

其主要成像原理是10~14nm的极远紫外光波经过周期性多层膜反射镜投射，将反射式掩模版上的集成电路几何图形投影成像到衬底（如Si片、化合物晶片）表面的光刻胶中，形成集成电路制造所需要的光刻图形。

图9.3.1极紫外光光刻原理示意图光电子芯片—基础、应用及制造139.3.2蚀刻技术与设备——获得衬底表面图形1.正光刻胶和负光刻胶

先进芯片的制造大部分都使用正胶，这是因为正胶能达到纳米（nm）图形尺寸所要求的高分辨率。16nm/14nm及以下这代技术的刻蚀工艺在通孔和金属层又发展出正胶负显影技术。它是将未经曝光的正光胶剂使用负显影液清洗掉，留下曝光的光刻胶，这种方法可提高小尺寸沟槽的成像对比度。2.湿法刻蚀和干法刻蚀3μm之后的工艺大多采用干法蚀刻，干法刻蚀是指使用气态的化学刻蚀剂与晶片上的材料发生反应，以刻蚀掉需去除的部分材料，并形成可挥发性的反应生成物，然后将其抽离反应腔的过程。3.等离子体刻蚀

绝大多数的等离子体刻蚀是在活性粒子和离子同时参与下完成的。在此过程中，离子轰击具有两个功能，一是破坏被刻蚀材料表面的原子键，从而加大中性粒子与其反应的速率；二是将沉积于反应界面的反应生成物打掉，以利于刻蚀剂与被刻蚀剂材料表面充分接触，从而使刻蚀持续进行。光电子芯片—基础、应用及制造149.3.3薄膜生长（沉积）技术与设备

采用物理或化学方法使物质（原材料）附着于衬底表面的过程叫做薄膜生长。根据工作原理的不同，集成电路薄膜沉积可分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和外延三大类。

在超大规模集成电路产业中，使用最为广泛的PVD技术是溅射镀膜，主要应用于集成电路的电极和金属互连。

化学气相沉积（CVD）技术是指不同分压的多种气相状态反应物在一定温度和气压下发生化学反应，生成的固态物质沉积在衬底材料表面，从而获得所需薄膜的工艺技术。

外延技术是指在衬底上生长完全排列有序的单晶体层技术。一般来讲，外延工艺是在单晶衬底上生长一层与原衬底相同晶格取向的晶体层。外延技术广泛用于半导体制造，如LED衬底上的外延生长等。

薄膜生长（沉积）设备有真空蒸镀设备、直流物理气相沉积设备、射频物理气相沉积磁控溅射设备、离子化物理气相常亚化学气相沉积设备沉积设备、低压化学气相沉积设备、等离子体增强化学气相沉积设备、原子层沉积设备、分子束外延系统、气相外延系统、液相外延系统。光电子芯片—基础、应用及制造159.4掺杂技术

9.4.1热扩散向离子注入掺杂过渡热扩散法是使杂质原子在热激活状态下向硅中扩散，这种扩散现象是由高浓度侧向低浓度侧的物质迁移。离子注入法是使离子化的各元素在高加速电压下碰撞Si基板，使其物理式地侵入Si中。在此过程中，由于离子的侵入，使部分Si单晶受到破坏，因此离子注入后需要退火进行回复。退火温度高时，在结晶性回复的同时，元素进入硅单晶的晶格中，在被化性化的同时伴随有热扩散的效果，并最终决定了杂质浓度分布。因离子注入法在低温状态下进行，控制性好，对导入的杂质原子数量还可以计数，所以，目前离子注入+退火技术法已替代了热扩散法。杂质导入不仅在双极结型及CMOS器件中，用于三极管pn结的形成，还用于电阻（此时称为扩散电阻）的形成。光电子芯片—基础、应用及制造169.4.2离子注入掺杂技术及设备

在IC芯片制造中，n、p导电型杂质的添加及扩散层的形成都广泛利用离子注入法。之所以采用离子注入，是因为离子注入就能对杂质浓度进行正确控制，使形成浅扩散层成为可能；而且，在横向宽度整齐、控制精细的前提下，也能形成深的扩散层。同时，还以光刻胶作为掩模，能选择性地进行杂质掺入等优点。

离子注入机分为低加速型、中加速型、高加速型三大类。通常，低、中加速型在电子注入能量（keV）几十以下，用于浅扩散层制造。与此相对应，高加速型从数百keV到MeV级，用于深扩散层制造。

采用离子注入机时，首先将需要掺杂的导电型杂质，即n型杂质的含磷及砷，p型杂质的含硼气体导入电弧室内，通过放电使之离子化。离子被电场加速后，通过磁场质量分析器，选择出需要的离子种类和电荷种类（正负及价位）。选好的离子进一步被加速由衬底晶片（如硅圆片）表面注入，还需要对晶片进行离子束扫描及晶片移动。

离子注入设备由7个基本模块组成，它们是离子源和吸极、质量分析仪（及分析磁体）、加速管、扫描盘、静电中和系统、工艺腔、剂量控制系统。光电子芯片—基础、应用及制造179.5先进芯片制造技术

9.5.1从100nm到7nm——以材料和工艺的创新为支撑

特征长度降至65nm节点时，就会出现短沟道效益（沟道电流），显著增大器件的功耗。

特征长度降至45nm节点时，多晶硅/高介电常数绝缘材料衬底MOS器件出现严重的多晶硅耗尽效应。多晶硅的高电阻率也严重影响了MOS器件的高频特性。因此，用金属栅替代多晶硅栅，用于nm晶体管和先进晶体管结构。

随着半导体器件特征尺寸的缩小，芯片集成度不断提高，使传统的平面型MOS场效应晶体管（FET）在半导体技术发展到22nm时，遇到了瓶颈。目前，针对此问题已经提出了多种可能的解决措施，主要包括全耗尽绝缘体上的硅技术（FDSOI）及三维立体鳍式场效应晶体管（FinFFT）等。FDSOI结构增大了栅极对沟道的控制范围，从而可以有效缓解平面器件中出现的短沟道效应，无需高掺杂沟道，有效降低了杂质散射效应，提高了沟道载流子迁移率。光电子芯片—基础、应用及制造189.5.2Si基异质集成III-V族半导体激光器

采用互补-金属-氧化物半导体（CMOS）制造和封装技术，利用光子集成电路（PICs）将III-V族半导体激光器、光调制器、光放大器、波分多路复用器、传输光波导、光敏探测器等集成在单个硅芯片上，称为异质集成。硅光PICs具有成本低、功耗小、集成密度大、扩展容易、可规模制造等优势，应用前景十分广泛。

业已证明，硅在光传输、调制和检测诸方面具有出色的表现，然而，它是间接带隙半导体材料，发光效率低下，因此，片上激光器一直是硅基PICs亟需解决的问题。为了获得性能出色的硅上激光器，科研人员进行了大量的研究，已经证明，使用硅纳米晶体、稀土掺杂、锗及其合金、硅基集成III-V族激光器等几种方法，可有效产生片上激光器。

另一方面，经过十多年的深入研究，硅光子学不再是局限于面向通信的技术，已经发展成为一个多功能的集成平台，在传感、光谱学、信号处理、量子科学、微波工程、成像和高性能计算等领域具有巨大潜力。光电子芯片—基础、应用及制造19图9.5.1晶片键合技术a）晶片直接键合 b）晶片通过中介体键合光电子芯片—基础、应用及制造20Si基异质集成III-V族半导体激光器——集成方式元素周期表III-V族材料是直接带隙材料，将III-V族激光器集成到硅基上，具有极大的吸引力。在硅基上实现III-V族异质集成激光器的方法主要可以分为以下4种：倒装芯片集成、芯片/晶片键合、微转印、直接外延生长。倒装芯片集成技术（见8.2.2节），是一种利用焊球/焊盘实现芯片/晶片、芯片/硅基粘合和电连接的方法。芯片-晶片键合技术（见8.2.2节），分为直接键合或通过中介体键合2种。直接键合技术，是一种通过机械或电场作用，将两块镜面抛光的半导体晶片表面直接连接的方法，无需任何中间层，两表面通过范德华力或氢键紧密接触。中介体键合是通过粘合剂把中介体层把不同的晶片表面结合在一起，如图9.5.1所示。晶片键合还可以通过胶粘剂材料作为键合夹层来实现。微转印技术是将微米级薄膜组件从源基板转移到目标基板上的方法。光电子芯片—基础、应用及制造219.5.3硅基锗PIN光敏探测器制造工艺图9.5.2面入射硅基锗PIN光敏探测器制造工艺光电子芯片—基础、应用及制造229.5.4芯片封装技术的演化图9.5.3芯片二维封装光电子芯片—基础、应用及制造23为了继续提升集成电路性能，半导体产业界近年来一方面继续减小晶体管特征尺寸，通过改进制造工艺来提升晶体管性能。另一方面采用新型封装技术来提升集成电路的整体性能，例如系统级封装、三维集成等通过将多层管芯垂直堆叠，并使用硅通孔实现管芯间的垂直互连，可大幅减小全局互连长度，从而减小延时和功耗，提升集成电路的整体性能。图9.5.4系统级封装（SIP）2.5D/3D先进封装技术是芯片系统关于延续摩尔定律的有效解决方案之一，该技术主要目的是通过在垂直方向上堆叠芯片以实现更高密度的集成。2.5D封装技术的关键之一是转接板为主要构成的中介层。3D封装技术是通过硅通孔或玻璃通孔把所有芯片都垂直连接。光电子芯片—基础、应用及制造24图9.5.5典型的三维集成技术示意图多层管芯堆叠之间的垂直互连由硅通孔实现，各层管芯的有源电路则可能是基于鳍式场效应晶体管（FinFET）工艺制造。光电子芯片—基础、应用及制造25图9.5.6单片三维集成使用单片层间通孔来实现多层FinFET有源器件的互连，以实现更高的性能和更小的尺寸。其中，上下层之间由单片层间通孔实现互连。光电子芯片—基础、应用及制造26图9.5.7芯片封装技术从可插拔收发机逐渐向2.5维和3维CPO结构过渡光电子芯片—基础、应用及制造27可插拔收发机

逐渐向2.5维和3维CPO结构过渡通过硅通孔实现垂直互连，每层管芯中的有源电路则可能是基于FinFET工艺制造，堆叠的管芯与倒装管芯之间通过插入层实现互连。随着近年来硅光技术的不断发展成熟，硅光芯片可以方便地将调制器、探测器、复用解复用、波导等集成在一颗芯片上，兼容CMOS工艺，采用硅光芯片的光模块是目前的热点。硅光芯片的光电共封装（CPO）采用陶瓷基板、有机基板、玻璃载