混合微電路技術(shù)實用教案

1、 3.1 淀積工藝淀積工藝(gngy)在制造薄膜微電路時，基片材料選定后，下一步便是在基片在制造薄膜微電路時，基片材料選定后，下一步便是在基片上淀積金屬或金屬化合物，這些金屬材料將提供導體和電阻器上淀積金屬或金屬化合物，這些金屬材料將提供導體和電阻器的圖形和功能。一般情況，在基片上順序地淀積一層電阻材料，的圖形和功能。一般情況，在基片上順序地淀積一層電阻材料，一層阻擋層金屬材料和一層頂層導體材料。這些層相當一層阻擋層金屬材料和一層頂層導體材料。這些層相當(xingdng)?。ū。?0-2000nm），可用真空蒸發(fā)、濺射淀積和），可用真空蒸發(fā)、濺射淀積和化學氣相淀積和這些工藝的變種來實現(xiàn)。化學氣

2、相淀積和這些工藝的變種來實現(xiàn)。導語導語(doy)第1頁/共32頁第一頁，共33頁。 3.1 淀積工藝淀積工藝(gngy) 薄膜淀積工藝是薄膜淀積工藝是IC制造中的重要組成部分：在硅表面制造中的重要組成部分：在硅表面以上以上(yshng)的器件結(jié)構(gòu)層絕大部分是由淀積工藝形的器件結(jié)構(gòu)層絕大部分是由淀積工藝形成的。成的。金屬層間金屬層間絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)多晶多晶-金屬金屬絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)場氧化層場氧化層N阱阱源極源極柵氧化層柵氧化層P型襯底型襯底漏極漏極接觸孔接觸孔通孔通孔多晶硅柵多晶硅柵第第1層金屬層金屬第第2層金屬層金屬第2頁/共32頁第二頁，共33頁。3.1.1 蒸發(fā)蒸發(fā)(zhngf)淀積淀積蒸

3、發(fā)淀積包括在相當高的真空蒸發(fā)淀積包括在相當高的真空中加熱一種材料，以至于它的中加熱一種材料，以至于它的蒸發(fā)壓力超過周圍環(huán)境的壓力，蒸發(fā)壓力超過周圍環(huán)境的壓力，使它能很快的蒸發(fā)。被涂覆的使它能很快的蒸發(fā)。被涂覆的基片放在真空室中源材料的鄰基片放在真空室中源材料的鄰近，如圖近，如圖3.1所示。當蒸氣接觸所示。當蒸氣接觸到基片上較冷的表面時，通過到基片上較冷的表面時，通過晶核形成的機理使蒸氣濃縮晶核形成的機理使蒸氣濃縮(nn su)，且在基片上各顆，且在基片上各顆粒邊界處成長出膜層。粒邊界處成長出膜層。圖圖3.1 真空蒸發(fā)臺示意圖真空蒸發(fā)臺示意圖第3頁/共32頁第三頁，共33頁。3.1.1 蒸發(fā)蒸發(fā)

4、(zhngf)淀積淀積第4頁/共32頁第四頁，共33頁。圖圖3.2 JS-1600直流濺射儀直流濺射儀 3.1.2 直流（直流（DC）濺射）濺射(jin sh)p濺射是一種電物理過程濺射是一種電物理過程(guchng)，靶（作為陰，靶（作為陰極）被高能正離子轟擊，極）被高能正離子轟擊，轉(zhuǎn)變能量，進行能量傳遞，轉(zhuǎn)變能量，進行能量傳遞，將靶材的粒子彈出。這種將靶材的粒子彈出。這種濺射的粒子在陽極或接地濺射的粒子在陽極或接地的支架夾持著的基片上淀的支架夾持著的基片上淀積成薄膜。如圖積成薄膜。如圖3.2所示為所示為2JS-1600直流濺射儀。直流濺射儀。第5頁/共32頁第五頁，共33頁。直流濺射作為一

5、種直流濺射作為一種(y zhn)最簡單的濺射，其裝置由一個二最簡單的濺射，其裝置由一個二極管或平行板系統(tǒng)構(gòu)成，如圖極管或平行板系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3.3所示，被濺射的材料是附在陰所示，被濺射的材料是附在陰極板上的，而待涂覆的基片放在對面為陽極或接地的平板上。極板上的，而待涂覆的基片放在對面為陽極或接地的平板上。 3.1.2 直流（直流（DC）濺射）濺射(jin sh)圖圖3.3 直流濺射裝置直流濺射裝置(zhungzh)陰極（靶）陰極（靶）氬等離子體氬等離子體硅片硅片陽極陽極真空腔室真空腔室第6頁/共32頁第六頁，共33頁。 3.1.3 射頻濺射射頻濺射圖圖3.4 RF濺射濺射(jin sh)裝置示

6、意圖裝置示意圖氬氣入口氬氣入口到真空泵到真空泵RF發(fā)生器發(fā)生器真空室真空室匹配網(wǎng)絡匹配網(wǎng)絡接地護罩接地護罩金屬襯背金屬襯背介質(zhì)靶介質(zhì)靶基片基片 射頻濺射比直流濺射有更多的功能。除了金屬和合金以外，它可用于在相當?shù)偷臏囟群蛪毫ο碌矸e幾乎任何介質(zhì)材料，包括氧化硅、氮化硅、玻璃、氧化鋁、難溶氧化物和一些塑料如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯。 如圖所示，射頻濺射裝置除了增加13.56MHz和1-2kW功率的RF發(fā)生器和冷卻靶的設(shè)施以外，RF濺射所用(su yn)裝置實質(zhì)上與DC濺射是相同的。第7頁/共32頁第七頁，共33頁。3.1.4 反應濺射反應濺射 反應濺射是濺射的另一個變種。這里，反應氣體隨著惰性氣

7、體氬被引入形成等離子。因為反應氣體是活潑的，與從靶處被濺射出來的原子(yunz)進行化學結(jié)合，組成一種新的化合物。所以，反應濺射是一種組合的物理、電氣和化學反應過程。氮化鉭的反應濺射是淀積薄膜電阻最常用的兩種工藝之一。第8頁/共32頁第八頁，共33頁。 3.1.5 蒸發(fā)和濺射蒸發(fā)和濺射(jin sh)工工藝的比較藝的比較薄膜濺射明顯地優(yōu)于蒸發(fā)淀積，其優(yōu)點如下：薄膜濺射明顯地優(yōu)于蒸發(fā)淀積，其優(yōu)點如下：濺射膜對基片有更強的附著力。濺射膜對基片有更強的附著力。濺射膜更致密、更均勻。濺射膜更致密、更均勻。濺射工藝更為通用。濺射工藝更為通用。導體（金屬、合金）或非導體（介質(zhì)、絕緣體）膜都可以淀積。導體（

8、金屬、合金）或非導體（介質(zhì)、絕緣體）膜都可以淀積。濺射工藝也可以逆向濺射工藝也可以逆向(n xin)模式使用，用于清潔基片表面模式使用，用于清潔基片表面或刻蝕細線?；蚩涛g細線。淀積的速率、膜的厚度和膜的均勻性能更好地控制。淀積的速率、膜的厚度和膜的均勻性能更好地控制。第9頁/共32頁第九頁，共33頁。3.2 薄膜電阻器工藝薄膜電阻器工藝(gngy)在選擇薄膜電阻器時，幾個重要的問題需要考慮：在選擇薄膜電阻器時，幾個重要的問題需要考慮：在實際的厚度范圍，具有可控制的及能重復在實際的厚度范圍，具有可控制的及能重復(chngf)得到的面得到的面電阻率電阻率低的低的TCR緊密的阻值跟蹤緊密的阻值跟蹤長

9、期的穩(wěn)定性（在加電或熱老化時有低的漂移）長期的穩(wěn)定性（在加電或熱老化時有低的漂移） 薄膜電阻器薄膜電阻器薄膜電阻器可分類薄膜電阻器可分類(fn li)成純金屬、金屬合金、金屬化合物或成純金屬、金屬合金、金屬化合物或金屬陶瓷（陶瓷和金屬的組合）金屬陶瓷（陶瓷和金屬的組合）第10頁/共32頁第十頁，共33頁。 3.2.1 鎳鉻工藝鎳鉻工藝(gngy) 不管用的時鎳鉻、氮化鉭或不管用的時鎳鉻、氮化鉭或時金屬陶瓷電阻器，其工藝時金屬陶瓷電阻器，其工藝步驟步驟(bzhu)時十分相似的。時十分相似的。如右圖所示為薄膜導體如右圖所示為薄膜導體/電阻電阻網(wǎng)絡淀積光刻的工藝流程。網(wǎng)絡淀積光刻的工藝流程。薄膜電阻

10、所用的鎳鉻時鎳和薄膜電阻所用的鎳鉻時鎳和鉻的合金。可以使用這兩種鉻的合金。可以使用這兩種金屬的各種配比來獲得不同金屬的各種配比來獲得不同的面電阻數(shù)值。的面電阻數(shù)值。第11頁/共32頁第十一頁，共33頁。 3.2.2 鎳鉻電阻器的特性鎳鉻電阻器的特性(txng)鎳鉻電阻器的特性鎳鉻電阻器的特性(txng)如下表，薄膜電阻器的特性如下表，薄膜電阻器的特性(txng)高度地取決于在其上進行淀積的基片的表面特性高度地取決于在其上進行淀積的基片的表面特性(txng)，基片表面越光滑，電阻值越穩(wěn)定。然而，許多其他，基片表面越光滑，電阻值越穩(wěn)定。然而，許多其他的因素對電阻穩(wěn)定性性也有貢獻，其中主要有退火、穩(wěn)

11、定性的因素對電阻穩(wěn)定性性也有貢獻，其中主要有退火、穩(wěn)定性烘烤和調(diào)阻條件。烘烤和調(diào)阻條件。面電阻率面電阻率25300/，100200/（典型值）（典型值）面電阻率公差面電阻率公差標稱值的標稱值的10%TCR（050）ppm/,(025)ppm/（專門（專門退火）退火）TCR跟蹤跟蹤*2ppm電阻漂移電阻漂移2000ppm，在，在150下下1000h后后1000ppm，用專門方法退火，用專門方法退火200ppm，350退火的濺射膜退火的濺射膜比值跟蹤比值跟蹤5ppm在退火后和激光調(diào)阻后的阻值公差在退火后和激光調(diào)阻后的阻值公差0.1%噪音（噪音（100Hz1MHz）-35dB（最大）（最大）第12頁

12、/共32頁第十二頁，共33頁。 3.2.3 鎳鉻電阻器的特性鎳鉻電阻器的特性(txng)較高的溫度、較長的退火時間，提供更為較高的溫度、較長的退火時間，提供更為(n wi)穩(wěn)定穩(wěn)定的電阻器、低的的電阻器、低的TCR和更緊密的電阻跟蹤。如下表所示和更緊密的電阻跟蹤。如下表所示鎳鉻電阻器面鎳鉻電阻器面電阻率電阻率退貨條件（空氣中）退貨條件（空氣中）老化后阻值改變（老化后阻值改變（ppm）淀積方法淀積方法淀積時淀積時（/）溫度（溫度（）時間（時間（min）50h，N2,150168h，N2,125500h，N2,125最后最后TRC瞬間蒸發(fā)無瞬間蒸發(fā)無Ni阻擋阻擋層層1652251202000500

13、700-20瞬間蒸發(fā)有瞬間蒸發(fā)有400的的Ni阻擋層阻擋層1652251201700350630-16瞬間蒸發(fā)有瞬間蒸發(fā)有800的的Ni阻擋層阻擋層1652251201400280400-12瞬間蒸發(fā)有瞬間蒸發(fā)有800的的Ni阻擋層阻擋層1653001201310260300-10瞬間蒸發(fā)有瞬間蒸發(fā)有800的的Ni阻擋層阻擋層16535012046070110+34濺射有有濺射有有800的鎳的鎳阻擋層阻擋層125350235*7141+3濺射有有濺射有有800的鎳的鎳阻擋層阻擋層105350315*96-96+80-3第13頁/共32頁第十三頁，共33頁。 3.2.4 氮化鉭工藝氮化鉭工藝(g

14、ngy)p在陶瓷上制造氮化鉭電阻在陶瓷上制造氮化鉭電阻/金屬、導體電路圖形的工金屬、導體電路圖形的工藝，大體類似于制造鎳鉻電阻器的工藝。兩種情況藝，大體類似于制造鎳鉻電阻器的工藝。兩種情況都使用對多層金屬結(jié)構(gòu)進行選擇性刻蝕的光刻技術(shù)。都使用對多層金屬結(jié)構(gòu)進行選擇性刻蝕的光刻技術(shù)。工藝上的不同處包括：工藝上的不同處包括：p氮化鉭是用鉭在部分氮氣氣氛中反應濺射淀積，而氮化鉭是用鉭在部分氮氣氣氛中反應濺射淀積，而不是直流濺射或瞬間蒸發(fā)。不是直流濺射或瞬間蒸發(fā)。p在氮化鉭和金之間，分別用鈦和鈀作為捆綁層和阻在氮化鉭和金之間，分別用鈦和鈀作為捆綁層和阻擋層；對鎳鉻電阻用鎳作為阻擋層。擋層；對鎳鉻電阻用鎳

15、作為阻擋層。p鈦和氮化鉭是用氫氟酸鈦和氮化鉭是用氫氟酸-硝酸溶液硝酸溶液(rngy)腐蝕，對腐蝕，對細線分辨率，也可用濺射反刻。細線分辨率，也可用濺射反刻。第14頁/共32頁第十四頁，共33頁。 3.2.4 氮化鉭工藝氮化鉭工藝(gngy) 氮化鉭電阻(dinz)的兩種剖面圖如下所示：第15頁/共32頁第十五頁，共33頁。 3.2.5氮化鉭電阻器的性能氮化鉭電阻器的性能(xngnng) 氮化鉭電阻器在它們的電性能方面類似于鎳鉻電阻，包括面電阻率、電阻溫度系數(shù)（TCR）、電阻跟蹤和高溫老化后的長期(chngq)阻值漂移，如下表所示。氮化鉭電阻的一些氮化鉭電阻的一些(yxi)特性特性第16頁/共3

16、2頁第十六頁，共33頁。 3.2.6 陶瓷陶瓷(toc)金屬薄膜電阻金屬薄膜電阻器器S最為廣泛使用的薄膜陶瓷金最為廣泛使用的薄膜陶瓷金屬電阻器是氧化硅和鉻（屬電阻器是氧化硅和鉻（SiO-Cr）的復合物，它主要是因為）的復合物，它主要是因為具有高的面電阻率，能在最小具有高的面電阻率，能在最小的基片面積上制造出高值電阻的基片面積上制造出高值電阻器而被采用，通過改變一氧化器而被采用，通過改變一氧化硅對鉻的配比，很寬范圍硅對鉻的配比，很寬范圍(fnwi)的電阻率是可能實現(xiàn)的電阻率是可能實現(xiàn)的。如右圖所示為鉻的。如右圖所示為鉻-氧化硅組氧化硅組分與電阻率的關(guān)系。分與電阻率的關(guān)系。第17頁/共32頁第十七

17、頁，共33頁。3.3 光刻材料光刻材料(cilio)和工藝和工藝第18頁/共32頁第十八頁，共33頁。3.3 光刻材料光刻材料(cilio)和工藝和工藝光刻膠是由溶解在一種或多種有機溶劑光刻膠是由溶解在一種或多種有機溶劑中的光敏聚合物或初始聚合物構(gòu)成的有中的光敏聚合物或初始聚合物構(gòu)成的有機合成物。由兩種類型：一種能在曝光機合成物。由兩種類型：一種能在曝光時進一步聚合或交叉鏈接形成加固的能時進一步聚合或交叉鏈接形成加固的能抵抗刻蝕溶液的覆蓋物（負型），另一抵抗刻蝕溶液的覆蓋物（負型），另一種能在曝光時分解，斷裂并被溶解（正種能在曝光時分解，斷裂并被溶解（正型）。型）。一般使用的紫外光波長一般使用

18、的紫外光波長(bchng)200-400nm如右圖所示為三氧化二鋁陶瓷基如右圖所示為三氧化二鋁陶瓷基片上刻蝕金薄膜的步驟，使用負性光刻片上刻蝕金薄膜的步驟，使用負性光刻膠和一個負圖像的淹沒。制造的圖像與膠和一個負圖像的淹沒。制造的圖像與所用掩模板的圖像相反。所用掩模板的圖像相反。第19頁/共32頁第十九頁，共33頁。 使用正性或負性光刻膠時用正掩模還是負掩模，有四種可能的組合(zh)如下圖所示：3.3 光刻材料光刻材料(cilio)和工藝和工藝第20頁/共32頁第二十頁，共33頁。3.3.1 負性光刻膠的化學反應負性光刻膠的化學反應(huxu fnyng)p 負性光刻膠基于(jy)有乙烯或雙鍵

19、的化合物，當紫外光得p到能量后，它分離成雙游離基。這些自由基時不穩(wěn)定的，p很快頭尾相連，形成長鏈或交鏈聚合物，和原來未曝光p的有機涂層相比，此聚合物不溶解且具有化學抗蝕性。第21頁/共32頁第二十一頁，共33頁。 3.3.2正性光刻膠的化學反應正性光刻膠的化學反應(huxu fnyng)正光刻膠的化學反應是基于重氮鹽或二迭氮化合物的兩種反應。正光刻膠的化學反應是基于重氮鹽或二迭氮化合物的兩種反應。在堿性條件下，重氮鹽或二迭氮化物迅速地且?guī)缀醵康嘏c一耦合劑（一種酚在堿性條件下，重氮鹽或二迭氮化物迅速地且?guī)缀醵康嘏c一耦合劑（一種酚的化合物）發(fā)生反應，通過將這兩種成分配制在偏酸性的緩沖溶液中，能

20、禁止或的化合物）發(fā)生反應，通過將這兩種成分配制在偏酸性的緩沖溶液中，能禁止或阻止阻止(zzh)這種反應發(fā)生。顯影液提供堿性引起發(fā)生耦合反應。這種反應發(fā)生。顯影液提供堿性引起發(fā)生耦合反應。第22頁/共32頁第二十二頁，共33頁。3.3.2 正性光刻膠的化學反應正性光刻膠的化學反應(huxu fnyng)重氮基團分解并釋放出氮氣。一重氮基團分解并釋放出氮氣。一旦暴露在紫外光下，形成的化合物旦暴露在紫外光下，形成的化合物不能夠再發(fā)生耦合和成為不溶解的不能夠再發(fā)生耦合和成為不溶解的染料染料(rnlio)。如圖為正性光刻膠的。如圖為正性光刻膠的化學反應?；瘜W反應。第23頁/共32頁第二十三頁，共33頁。

21、3.3.3 工藝工藝(gngy)第24頁/共32頁第二十四頁，共33頁。8) 顯影檢查顯影檢查5) 曝光后烘焙曝光后烘焙6) 顯影顯影7) 堅膜烘焙堅膜烘焙紫外光紫外光掩膜版掩膜版4) 對準和曝光對準和曝光光刻膠光刻膠2) 旋轉(zhuǎn)涂膠旋轉(zhuǎn)涂膠3) 軟烘軟烘1) 氣相成底膜氣相成底膜HMDS3.3.3 工藝工藝(gngy)第25頁/共32頁第二十五頁，共33頁。 3.4 刻蝕材料刻蝕材料(cilio)和工和工藝藝薄膜的刻蝕方法分成薄膜的刻蝕方法分成“濕法濕法”或或“干法干法”兩種類型。濕法使用化學溶液，通常是水溶性的酸或堿；干兩種類型。濕法使用化學溶液，通常是水溶性的酸或堿；干法刻蝕包含用反濺射、

22、離子刻蝕或者通過氣相化學反應去掉膜的分子。法刻蝕包含用反濺射、離子刻蝕或者通過氣相化學反應去掉膜的分子。干法刻蝕的優(yōu)點如下：干法刻蝕的優(yōu)點如下：1.避免使用高度腐蝕性和有危險性的化學材料；避免使用高度腐蝕性和有危險性的化學材料；2.避免與化學溶液有關(guān)的處理和安全避免與化學溶液有關(guān)的處理和安全(nqun)問題；問題；3.避免表面被化學和離子沾污；避免表面被化學和離子沾污；4.刻蝕速率能更好的控制，具有更高的分辨率；刻蝕速率能更好的控制，具有更高的分辨率；5.刻蝕是各向異性的，避免了鉆孔?？涛g是各向異性的，避免了鉆孔。第26頁/共32頁第二十六頁，共33頁。 3.4.1金膜的化學金膜的化學(hux

23、u)刻蝕刻蝕 在混合微電路制造中，化學刻蝕在有電阻膜存在時能有選擇性的去掉導電膜或阻擋層是很重要的。王水是一種古老的溶解金的溶液，但是今天的薄膜工藝中已不太常用(chn yn)。目前常用(chn yn)KI/I2來腐蝕金，通過加入禁止劑（如二鹽基磷酸銨或者二鹽基磷酸鉀/磷酸）抑制甚至避免對鎳鉻和鎳的刻蝕?？涛g金的反應方程式如下： KI+I KI3+KI(過量) 3KI3+2Au 2KAuI4+KI為了完全溶解碘，應使用過量的KI（過量2-6克）第27頁/共32頁第二十七頁，共33頁。 3.4.2 鎳和鎳鉻膜的化學鎳和鎳鉻膜的化學(huxu)刻刻蝕蝕 能與鎳鉻發(fā)生能與鎳鉻發(fā)生(fshng)反應從

24、而溶解鎳鉻但又不攻擊金的刻蝕液是由硫化鈰、硝酸銨和反應從而溶解鎳鉻但又不攻擊金的刻蝕液是由硫化鈰、硝酸銨和硝酸的水溶液構(gòu)成。刻蝕的機理通常包含鎳和鉻被氧化成為可溶解的鹽。這些刻蝕液對金硝酸的水溶液構(gòu)成?？涛g的機理通常包含鎳和鉻被氧化成為可溶解的鹽。這些刻蝕液對金沒有作用。為了去掉鎳阻擋層而又不腐蝕金并把對阻擋層下的鎳鉻的腐蝕速率降到最低程沒有作用。為了去掉鎳阻擋層而又不腐蝕金并把對阻擋層下的鎳鉻的腐蝕速率降到最低程度，可使用三氯化鐵溶液，浸泡時間必須根據(jù)經(jīng)驗確定，以避免過量地去掉鎳鉻。度，可使用三氯化鐵溶液，浸泡時間必須根據(jù)經(jīng)驗確定，以避免過量地去掉鎳鉻。刻蝕是一種半經(jīng)驗性的工藝，在每種情況下，最佳工藝條件（曝光