混合微電路技術(shù)

1、第三章第三章 薄膜工藝薄膜工藝3.1 淀積工藝淀積工藝3.2 薄膜電阻器工藝薄膜電阻器工藝3.3 光刻材料和工藝光刻材料和工藝3.4 腐蝕材料和工藝腐蝕材料和工藝3.5 薄膜微橋跨接電路薄膜微橋跨接電路 3.1 淀積工藝淀積工藝在制造薄膜微電路時，基片材料選定后，下一步便是在基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片上淀積金屬或金屬化合物金屬或金屬化合物，這些金屬材料將提供，這些金屬材料將提供導(dǎo)體和導(dǎo)體和電阻器的圖形和功能電阻器的圖形和功能。一般情況，在基片上順序地淀積一。一般情況，在基片上順序地淀積一層層電阻材料電阻材料，一層，一層阻擋層金屬材料阻擋層金屬材料和一層和一層

2、頂層導(dǎo)體材料頂層導(dǎo)體材料。這些層相當(dāng)?。ㄟ@些層相當(dāng)?。?0-2000nm），可用真空蒸發(fā)、濺射淀積），可用真空蒸發(fā)、濺射淀積和化學(xué)氣相淀積和這些工藝的變種來實現(xiàn)。和化學(xué)氣相淀積和這些工藝的變種來實現(xiàn)。導(dǎo)語導(dǎo)語 3.1 淀積工藝淀積工藝 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：在硅表面以上制造中的重要組成部分：在硅表面以上的器件結(jié)構(gòu)層絕大部分是由的器件結(jié)構(gòu)層絕大部分是由淀積工藝淀積工藝形成的形成的。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?xùn)叛趸瘜覲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

3、屬第第2層金屬層金屬3.1.1 蒸發(fā)淀積蒸發(fā)淀積蒸發(fā)淀積包括在相當(dāng)高的真蒸發(fā)淀積包括在相當(dāng)高的真空中加熱一種材料，以至于空中加熱一種材料，以至于它的蒸發(fā)壓力超過周圍環(huán)境它的蒸發(fā)壓力超過周圍環(huán)境的壓力，使它能很快的蒸發(fā)。的壓力，使它能很快的蒸發(fā)。被涂覆的基片放在真空室中被涂覆的基片放在真空室中源材料的鄰近，如圖源材料的鄰近，如圖3.1所示。所示。當(dāng)蒸氣接觸到基片上較冷的當(dāng)蒸氣接觸到基片上較冷的表面時，通過晶核形成的機(jī)表面時，通過晶核形成的機(jī)理使蒸氣濃縮，且在基片上理使蒸氣濃縮，且在基片上各顆粒邊界處成長出膜層。各顆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3.1.1 蒸發(fā)淀

4、積蒸發(fā)淀積圖圖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p 濺射是一種電物理過程，濺射是一種電物理過程，靶（作為陰極）被高能正靶（作為陰極）被高能正離子轟擊，轉(zhuǎn)變能量，進(jìn)離子轟擊，轉(zhuǎn)變能量，進(jìn)行能量傳遞，將靶材的粒行能量傳遞，將靶材的粒子彈出。這種濺射的粒子子彈出。這種濺射的粒子在陽極或接地的支架夾持在陽極或接地的支架夾持著的基片上淀積成薄膜。著的基片上淀積成薄膜。如圖如圖3.2所示為所示為2JS-1600直直流濺流濺射儀。射儀。 直流濺射作為一種最簡單的濺射，其裝置由一個二極管或直流濺射作為一種最簡單的濺射，其裝置由一個二極管或平行板系統(tǒng)構(gòu)成，如圖平

5、行板系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3.3所示，被濺射的材料是附在陰極所示，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。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）濺射圖圖3.3 直流濺射裝置直流濺射裝置陰極（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 3.1.3 射頻濺射射頻濺射圖圖3.4 RF濺射裝置示意圖濺射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(luò)匹配網(wǎng)絡(luò)接地護(hù)罩接地護(hù)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射頻濺射比直流濺射有更多的功能。除

6、了金屬和合金以外，它可用于能。除了金屬和合金以外，它可用于在相當(dāng)?shù)偷臏囟群蛪毫ο碌矸e幾乎任在相當(dāng)?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、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。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如圖所示，射頻濺射裝置除了增加加13.56MHz和和1-2kW功率的功率的RF發(fā)生發(fā)生器和冷卻靶的設(shè)施以外，器和冷卻靶的設(shè)施以外，RF濺射所濺射所用裝置實質(zhì)上與用裝置實質(zhì)上與DC濺射是相同的。濺射是相同的。3.1.4 反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射 反應(yīng)濺射是濺射的另一

7、個變種。這里，反應(yīng)氣體反應(yīng)濺射是濺射的另一個變種。這里，反應(yīng)氣體隨著惰性氣體氬被引入形成等離子。因為反應(yīng)氣體是隨著惰性氣體氬被引入形成等離子。因為反應(yīng)氣體是活潑的，與從靶處被濺射出來的原子進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，活潑的，與從靶處被濺射出來的原子進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，組成一種新的化合物。所以，反應(yīng)濺射是一種組合的組成一種新的化合物。所以，反應(yīng)濺射是一種組合的物理、電氣和化學(xué)反應(yīng)過程。氮化鉭的反應(yīng)濺射是淀物理、電氣和化學(xué)反應(yīng)過程。氮化鉭的反應(yīng)濺射是淀積薄膜電阻最常用的兩種工藝之一。積薄膜電阻最常用的兩種工藝之一。 3.1.5 蒸發(fā)和濺射工藝的比較蒸發(fā)和濺射工藝的比較薄膜濺射薄膜濺射明顯地優(yōu)于蒸發(fā)淀積，其明顯地優(yōu)于蒸

8、發(fā)淀積，其優(yōu)點優(yōu)點如下：如下： 濺射膜對基片有更強(qiáng)的濺射膜對基片有更強(qiáng)的附著力附著力。 濺射膜更濺射膜更致密致密、更、更均勻均勻。 濺射工藝更為通用。濺射工藝更為通用。 導(dǎo)體（金屬、合金）或非導(dǎo)體（介質(zhì)、絕緣體）膜都可以導(dǎo)體（金屬、合金）或非導(dǎo)體（介質(zhì)、絕緣體）膜都可以淀積。淀積。 濺射工藝也可以濺射工藝也可以逆向模式逆向模式使用，用于清潔基片表面或刻蝕使用，用于清潔基片表面或刻蝕細(xì)線。細(xì)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。3.2 薄膜電阻器工藝薄膜電阻器工藝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

9、問題需要考慮：在實際的厚度范圍，具有可控制的及能重復(fù)得到的面在實際的厚度范圍，具有可控制的及能重復(fù)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成純金屬、金屬合金、金屬化合物或薄膜電阻器可分類成純金屬、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） 3.2.1 鎳鉻工藝鎳鉻工藝 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，其工藝步驟時十分相似的。如右圖步驟時十分相似的。如右圖所示為

10、薄膜導(dǎo)體所示為薄膜導(dǎo)體/電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)淀積光刻的工藝流程。淀積光刻的工藝流程。薄膜電阻所用的鎳鉻時鎳和薄膜電阻所用的鎳鉻時鎳和鉻的合金?？梢允褂眠@兩種鉻的合金?？梢允褂眠@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。 3.2.2 鎳鉻電阻器的特性鎳鉻電阻器的特性鎳鉻電阻器的特性如下表，薄膜電阻器的特性高度地取決鎳鉻電阻器的特性如下表，薄膜電阻器的特性高度地取決于在其上進(jìn)行淀積的基片的表面特性，基片表面越光滑，于在其上進(jìn)行淀積的基片的表面特性，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

11、貢獻(xiàn)，其中主要有退火、穩(wěn)定性烘烤和調(diào)阻條件。有貢獻(xiàn)，其中主要有退火、穩(wěn)定性烘烤和調(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(biāo)稱值的標(biāo)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） 3.

12、2.3 鎳鉻電阻器的特性鎳鉻電阻器的特性 較高的溫度較高的溫度、較長的退火時間較長的退火時間，提供更為穩(wěn)定的電阻，提供更為穩(wěn)定的電阻器、器、低的低的TCR和更和更緊密的電阻跟蹤緊密的電阻跟蹤。如下表所示。如下表所示 3.2.4 氮化鉭工藝氮化鉭工藝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(dǎo)體電路圖形的工藝，金屬、導(dǎo)體電路圖形的工藝，大體類似于制造鎳鉻電阻器的工藝。兩種情況都使用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(jìn)行選擇性刻蝕的光刻技術(shù)。工藝上對多層金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性刻蝕的光刻技術(shù)。工藝上的不同處包括：的不同處包括： 氮化鉭是用鉭在部分氮氣氣氛中反應(yīng)濺射

13、淀積，而不氮化鉭是用鉭在部分氮氣氣氛中反應(yīng)濺射淀積，而不是直流濺射或瞬間蒸發(fā)。是直流濺射或瞬間蒸發(fā)。 在氮化鉭和金之間，分別用鈦和鈀作為捆綁層和阻擋在氮化鉭和金之間，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。層；對鎳鉻電阻用鎳作為阻擋層。 鈦和氮化鉭是用氫氟酸鈦和氮化鉭是用氫氟酸-硝酸溶液腐蝕，對細(xì)線分辨率，硝酸溶液腐蝕，對細(xì)線分辨率，也可用濺射反刻。也可用濺射反刻。 3.2.4 氮化鉭工藝氮化鉭工藝 氮化鉭電阻的兩種剖面圖如下所示：氮化鉭電阻的兩種剖面圖如下所示： 3.2.5氮化鉭電阻器的性能氮化鉭電阻器的性能 氮化鉭電阻器在它們的電性能方面類似于鎳鉻電阻，氮化鉭電阻器在它們

14、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)（包括面電阻率、電阻溫度系數(shù)（TCR）、電阻跟蹤和高溫）、電阻跟蹤和高溫老化后的長期阻值漂移，如下表所示。老化后的長期阻值漂移，如下表所示。氮化鉭電阻的一些特性氮化鉭電阻的一些特性 3.2.6 陶瓷金屬薄膜電阻器陶瓷金屬薄膜電阻器S最為廣泛使用的薄最為廣泛使用的薄膜陶瓷金屬電阻器是膜陶瓷金屬電阻器是氧化硅和鉻（氧化硅和鉻（SiO-Cr）的復(fù)合物，它主要是的復(fù)合物，它主要是因為具有因為具有高的面電阻高的面電阻率率，能在，能在最小的基片最小的基片面積上制造出面積上制造出高值電高值電阻器阻器而被采用，通過而被采用，通過改變一氧化硅對鉻的改變一氧化

15、硅對鉻的配比，很寬范圍的電配比，很寬范圍的電阻率是可能實現(xiàn)的。阻率是可能實現(xiàn)的。如右圖所示為鉻如右圖所示為鉻-氧氧化硅組分與電阻率的化硅組分與電阻率的關(guān)系。關(guān)系。3.3 光刻材料和工藝光刻材料和工藝：3.3 光刻材料和工藝光刻材料和工藝 光刻膠光刻膠是由溶解在一種或多種有是由溶解在一種或多種有機(jī)溶劑中的光敏聚合物或初始聚合機(jī)溶劑中的光敏聚合物或初始聚合物構(gòu)成的有機(jī)合成物。由兩種類型：物構(gòu)成的有機(jī)合成物。由兩種類型：一種能在曝光時進(jìn)一步聚合或交叉一種能在曝光時進(jìn)一步聚合或交叉鏈接形成加固的能抵抗刻蝕溶液的鏈接形成加固的能抵抗刻蝕溶液的覆蓋物（覆蓋物（負(fù)型負(fù)型），另一種能在曝光），另一種能在曝光時

16、分解，斷裂并被溶解（時分解，斷裂并被溶解（正型正型）。）。一般使用的紫外光波長一般使用的紫外光波長200-400nm如右圖所示為三氧化二鋁陶瓷基片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(fù)性光上刻蝕金薄膜的步驟，使用負(fù)性光刻膠和一個負(fù)圖像的淹沒。制造的刻膠和一個負(fù)圖像的淹沒。制造的圖像與所用掩模板的圖像相反。圖像與所用掩模板的圖像相反。 使用正性或負(fù)性光刻膠時用正掩模還是負(fù)掩模，使用正性或負(fù)性光刻膠時用正掩模還是負(fù)掩模，有四種可能的組合如下圖所示：有四種可能的組合如下圖所示：3.3 光刻材料和工藝光刻材料和工藝3.3.1 負(fù)性光刻膠的化學(xué)反應(yīng)負(fù)性光刻膠的化學(xué)反應(yīng)p 負(fù)性光刻膠基于

17、有乙烯或雙鍵的化合物，當(dāng)紫外光得負(fù)性光刻膠基于有乙烯或雙鍵的化合物，當(dāng)紫外光得到能量后，它分離成雙游離基。這些自由基時不穩(wěn)定的，到能量后，它分離成雙游離基。這些自由基時不穩(wěn)定的，很快頭尾相連，形成長鏈或交鏈聚合物，和原來未曝光很快頭尾相連，形成長鏈或交鏈聚合物，和原來未曝光的有機(jī)涂層相比，此聚合物不溶解且具有化學(xué)抗蝕性。的有機(jī)涂層相比，此聚合物不溶解且具有化學(xué)抗蝕性。 3.3.2正性光刻膠的化學(xué)反應(yīng)正性光刻膠的化學(xué)反應(yīng)正光刻膠的化學(xué)反應(yīng)正光刻膠的化學(xué)反應(yīng)是基于重氮鹽或二迭氮化合物的是基于重氮鹽或二迭氮化合物的兩種反應(yīng)兩種反應(yīng)。在堿性條件下，重氮鹽或二迭氮化物迅速地且?guī)缀醵ㄔ趬A性條件下，重氮鹽或

18、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(yīng)，通過將量地與一耦合劑（一種酚的化合物）發(fā)生反應(yīng)，通過將這兩種成分配制在偏酸性的緩沖溶液中，能禁止或阻止這兩種成分配制在偏酸性的緩沖溶液中，能禁止或阻止這種反應(yīng)發(fā)生。顯影液提供堿性引起發(fā)生耦合反應(yīng)。這種反應(yīng)發(fā)生。顯影液提供堿性引起發(fā)生耦合反應(yīng)。3.3.2 正性光刻膠的化學(xué)反應(yīng)正性光刻膠的化學(xué)反應(yīng)重氮基團(tuán)分解并釋重氮基團(tuán)分解并釋放出氮氣。一旦暴露放出氮氣。一旦暴露在紫外光下，形成的在紫外光下，形成的化合物不能夠再發(fā)生化合物不能夠再發(fā)生耦合和成為不溶解的耦合和成為不溶解的染料。如圖為正性光染料。如圖為正性光刻膠的化學(xué)反應(yīng)。刻膠的化學(xué)反

19、應(yīng)。3.3.3 工藝工藝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(zhǔn)和曝光對準(zhǔn)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 3.4 刻蝕材料和工藝刻蝕材料和工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。濕法兩種類型。濕法使用化學(xué)溶液，通常是水溶性的酸或堿；干法刻蝕包含用使用化學(xué)溶液，通常是水溶性的酸或堿；干法刻蝕包含用反濺射、離子刻蝕或者通過氣相化學(xué)反應(yīng)去掉膜的分子。反濺射、離子刻蝕或者通過氣相化學(xué)反應(yīng)去掉膜的分子。干法刻蝕的

20、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(xué)材料；避免使用高度腐蝕性和有危險性的化學(xué)材料；2.避免與化學(xué)溶液有關(guān)的處理和安全問題；避免與化學(xué)溶液有關(guān)的處理和安全問題；3.避免表面被化學(xué)和離子沾污；避免表面被化學(xué)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。 3.4.1金膜的化學(xué)刻蝕金膜的化學(xué)刻蝕 在混合微電路制造中，化學(xué)刻蝕在有電阻膜存在在混合微電路制造中，化學(xué)刻蝕在有電阻膜存在時能有選擇性的去掉導(dǎo)電膜或阻擋層是很重要的。時能有選擇性的去掉導(dǎo)電膜或阻擋層是很

21、重要的。王水是一種古老的溶解金的溶液，但是今天的薄膜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。工藝中已不太常用。目前常用目前常用KI/I2來腐蝕金，通過加入禁止劑（如二來腐蝕金，通過加入禁止劑（如二鹽基磷酸銨或者二鹽基磷酸鉀鹽基磷酸銨或者二鹽基磷酸鉀/磷酸）抑制甚至避免磷酸）抑制甚至避免對鎳鉻和鎳的刻蝕。刻蝕金的反應(yīng)方程式如下：對鎳鉻和鎳的刻蝕。刻蝕金的反應(yīng)方程式如下： KI+I KI3+KI(過量過量) 3KI3+2Au 2KAuI4+KI為了完全溶解碘，應(yīng)使用過量的為了完全溶解碘，應(yīng)使用過量的KI（過量（過量2-6克）克） 3.4.2 鎳和鎳鉻膜的化學(xué)刻蝕鎳和鎳鉻膜的化學(xué)刻蝕 能與鎳鉻發(fā)生反應(yīng)從而溶解鎳鉻但又不攻擊金的刻蝕液是能與鎳鉻發(fā)生反應(yīng)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?？涛g的機(jī)理通常包由硫化鈰、硝酸銨和硝酸的水溶液構(gòu)成?？涛g的機(jī)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。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