材料课件第一章微电子技术中图形加工的方法
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• 在流动气体中引入杂质原子可生长掺杂 的外延层，n型掺杂使用PH3(磷烷)，F型 掺杂使用B2H3(乙硼烷)。
四种不同外延层液相(LPE)生长装置
在同一基片上沉积不同材料 的多层膜，常采用LPE。图 2—3表示四种不同薄层外延 生长的LPE装置。在工作时， 移动滑动的溶液架以带动基 片与溶液接触。用这种方法 可以制造膜层厚度小于1μm 的不同材料(Ge-Si，GaAsGaP的半导体。
第一章 微电子技术中图形加工的一般方法
• 在半导体发展的早期，首先使用的半导体材料 是锗，但它很快被硅取代了。因为硅在大气中 氧化可以形成一层结力很强的透明的氧化硅 (SiO2)薄膜，它可作硅表面的保护层；电路间 的绝缘介质，以及作杂质扩散的掩蔽膜。砷化 镓具有很高的迁移率，是一种重要的半导体材 料。但由于砷化镓在生长大的单晶和形成绝缘 层方面还存在某些技术问题，因此在目前的微 电子学中占统治地位的半导体材料仍然是硅。
SiCl4十2H2 Si(固)十4HCl 该反应是可逆的，向右反应产生硅 外延膜，相反的反应则使基片剥离或 刻蚀。
• 图2—2(b)表示外延膜的生长速率与气体 中SiCl4 浓度的关系。浓度定义为SiCl4 分子数与气体总分子数之比。由图可见， 生长速率达到最大值后，随着SiCl4的浓 度增加而减少。这一现象是化学反应引 起的，即SiCl4 十Si(固)→2SiCl2；因此， 当SiCl4 浓度较高时就可能发生硅的刻 蚀。
第一节 制造微细图形的要求
• 平面工艺是微细加工发展中的一个非常重要的工序， 其基本制作工艺是在不同电特性的薄膜材料上加工所 需要的图形。每层薄膜上先形成晶体管、电容器和整 流器等元件，最后将它们连接在一起，构成了集成电 路(IC)。
• 每层薄膜有不同的电特性，可通过改变基片的性质而 得到，如掺杂和氧化，但也可以用蒸发和溅射的方法， 在基片上沉积一层薄膜。通过光刻的方法产生所需要 的图形，即把设计好的图形投影到涂有光刻胶的表面 层上，使被曝光部分的光刻胶变成坚硬的抗蚀剂层， 而未被曝光的光刻胶则在某一溶剂中被溶解。
第三节 氧 化
• 通常将硅片在电阻炉中加热到900～ 1200℃，让氧气流过硅表面，使氧气与 硅原子起化学反应而制成Si02层。
• 干法氧化： • Si(固)+O2→Si02(固) • 蒸汽流氧化： • Si(固)+2H20→Si02(固)+2H2
热氧化过程
第四节 光 刻
• 光刻是一种图像复印与刻蚀(化学的、物 理的或两者兼而有之)相结合的综合性技 术。它先用照相复印的方法，将光刻掩 模的图形精确地复印到涂有待刻蚀材料 (Si02、A1、多晶硅等薄膜)表面的光刻胶 上面，然后在光刻胶的保护下对待刻材 料进行选择性刻蚀，从而在待刻材料上 得到所需要的图形。
硅气相外延生长系统
SiCl4+2H2=Si+4HCl
硅气相外延生长系统，它包合装有硅 片的反应器，采用氢气作为载气，控 制SiCl4(四氯化硅)的浓度，然后输送到 反应器。反应器内有一用射频线圈加 热的石墨基座，其温度通常在1000℃ 以上。置于石墨基座上的硅基片表面 上，SiCl4与氢气发生还原反应而生成 硅，并以单晶形式Hale Waihona Puke Baidu积在硅基片表面 上。其基本反应是
• MBE的一个显著特点是生长速率低，大约为1μm／h或单分子层／s， 因此基片上的分子束流可以容易地用单分子层的数量调节。光栏 的操作速度小于1s。在外延生长技术中，分子束外延使微细加工 在结构清晰度方面，几乎提高了两个数量级。
• MBE一直被用来制备各种GaAs和AlxGa1-xAs器件薄膜和膜层结构， 如电容电压可急剧变化的高可控的变容二极管、碰撞雪崩渡越时 间二极管、微波混合二极管、肖特基层场效应晶体管、光波导、 集成光学结构等；对微波、光学固体器件及亚微米层结构电路等 固体电子学，MBE具有最大的影响，其工艺对平面和集成工艺也有 十分重要的意义。
• 离子束光刻提供了图形的掺杂能力，并 具有很高的分辨率(0．01μm以下)。
掩模制造
一、制版工艺
• 在制版工艺中，首先需要制造一个掩模 或传送一个所需要的图形。
• 掩模制造从一个被称作原图的大尺寸布 线图开始
• 接着用照相机拍照。一般初始原图尺寸 是最后电路芯片的500倍。2.5mm的芯片， 原图可能是125cm。成功的制版工艺首先 将原图缩小为1／100，然后再缩小为原 图的1／500，最后精确地印在模版上。
分子束外延
MBE(分子束外延)是在超高真空(10-8～ 10-6Pa)条件下通过多极分子束与加热 的单晶片反应而获得结晶生长膜的。 图2-4说明了这一过程，它表示分子束 外延掺杂不同材料(如A1XGa1-XAs)的基 本方法。每一炉子装有一个坩埚，它 们依次装有希望得到薄膜的某些元素。 炉温的选择是在热能分子束的自由蒸 汽产生的情况下，使材料的蒸汽压足 够高。炉子按一定的要求排列，使束 流分布与每个炉子的中心位置和基片 交叉，则通过选择合适的炉子和基片 温度，就可获得所希望的化学外延膜。 整个生长工艺的附加控制可通过在每 个炉子和基片之间分别插入光栏而获 得。由光栏的开、关可以让任一束流 到达基片，从而形成所需要的外延膜。
第二节 外 延
• “外延” 是指在单晶衬底上生长一层新单晶的 技术。新单晶层的晶向取决于衬底(基片)，并由 衬底向外延伸而成，故名“外延层”。外延生长 之所以重要，在于外延层中杂质浓度可以方便地 通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不 依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。薄膜的掺 杂可以是n型或p型。目前流行的外延生长工艺有 三种：气相(VPE)、液相(LPE)和分子束外延 (MBE)。
微细结构加工所使用的光刻类型
• 光学光刻是微电子工业中最重要的技术， 通常用于2～3μm线宽的制造。
• 电子束光刻主要用于掩模制造。对于高 密度的微电子结构，电子背散射使它的 实际线宽下限限制在0．5μm左右。
• X射线光刻所加工的线宽接近百分之几微 米的量级，但需要一个复杂的吸收掩模 和薄膜支撑结构。
四种不同外延层液相(LPE)生长装置
在同一基片上沉积不同材料 的多层膜，常采用LPE。图 2—3表示四种不同薄层外延 生长的LPE装置。在工作时， 移动滑动的溶液架以带动基 片与溶液接触。用这种方法 可以制造膜层厚度小于1μm 的不同材料(Ge-Si，GaAsGaP的半导体。
第一章 微电子技术中图形加工的一般方法
• 在半导体发展的早期，首先使用的半导体材料 是锗，但它很快被硅取代了。因为硅在大气中 氧化可以形成一层结力很强的透明的氧化硅 (SiO2)薄膜，它可作硅表面的保护层；电路间 的绝缘介质，以及作杂质扩散的掩蔽膜。砷化 镓具有很高的迁移率，是一种重要的半导体材 料。但由于砷化镓在生长大的单晶和形成绝缘 层方面还存在某些技术问题，因此在目前的微 电子学中占统治地位的半导体材料仍然是硅。
SiCl4十2H2 Si(固)十4HCl 该反应是可逆的，向右反应产生硅 外延膜，相反的反应则使基片剥离或 刻蚀。
• 图2—2(b)表示外延膜的生长速率与气体 中SiCl4 浓度的关系。浓度定义为SiCl4 分子数与气体总分子数之比。由图可见， 生长速率达到最大值后，随着SiCl4的浓 度增加而减少。这一现象是化学反应引 起的，即SiCl4 十Si(固)→2SiCl2；因此， 当SiCl4 浓度较高时就可能发生硅的刻 蚀。
第一节 制造微细图形的要求
• 平面工艺是微细加工发展中的一个非常重要的工序， 其基本制作工艺是在不同电特性的薄膜材料上加工所 需要的图形。每层薄膜上先形成晶体管、电容器和整 流器等元件，最后将它们连接在一起，构成了集成电 路(IC)。
• 每层薄膜有不同的电特性，可通过改变基片的性质而 得到，如掺杂和氧化，但也可以用蒸发和溅射的方法， 在基片上沉积一层薄膜。通过光刻的方法产生所需要 的图形，即把设计好的图形投影到涂有光刻胶的表面 层上，使被曝光部分的光刻胶变成坚硬的抗蚀剂层， 而未被曝光的光刻胶则在某一溶剂中被溶解。
第三节 氧 化
• 通常将硅片在电阻炉中加热到900～ 1200℃，让氧气流过硅表面，使氧气与 硅原子起化学反应而制成Si02层。
• 干法氧化： • Si(固)+O2→Si02(固) • 蒸汽流氧化： • Si(固)+2H20→Si02(固)+2H2
热氧化过程
第四节 光 刻
• 光刻是一种图像复印与刻蚀(化学的、物 理的或两者兼而有之)相结合的综合性技 术。它先用照相复印的方法，将光刻掩 模的图形精确地复印到涂有待刻蚀材料 (Si02、A1、多晶硅等薄膜)表面的光刻胶 上面，然后在光刻胶的保护下对待刻材 料进行选择性刻蚀，从而在待刻材料上 得到所需要的图形。
硅气相外延生长系统
SiCl4+2H2=Si+4HCl
硅气相外延生长系统，它包合装有硅 片的反应器，采用氢气作为载气，控 制SiCl4(四氯化硅)的浓度，然后输送到 反应器。反应器内有一用射频线圈加 热的石墨基座，其温度通常在1000℃ 以上。置于石墨基座上的硅基片表面 上，SiCl4与氢气发生还原反应而生成 硅，并以单晶形式Hale Waihona Puke Baidu积在硅基片表面 上。其基本反应是
• MBE的一个显著特点是生长速率低，大约为1μm／h或单分子层／s， 因此基片上的分子束流可以容易地用单分子层的数量调节。光栏 的操作速度小于1s。在外延生长技术中，分子束外延使微细加工 在结构清晰度方面，几乎提高了两个数量级。
• MBE一直被用来制备各种GaAs和AlxGa1-xAs器件薄膜和膜层结构， 如电容电压可急剧变化的高可控的变容二极管、碰撞雪崩渡越时 间二极管、微波混合二极管、肖特基层场效应晶体管、光波导、 集成光学结构等；对微波、光学固体器件及亚微米层结构电路等 固体电子学，MBE具有最大的影响，其工艺对平面和集成工艺也有 十分重要的意义。
• 离子束光刻提供了图形的掺杂能力，并 具有很高的分辨率(0．01μm以下)。
掩模制造
一、制版工艺
• 在制版工艺中，首先需要制造一个掩模 或传送一个所需要的图形。
• 掩模制造从一个被称作原图的大尺寸布 线图开始
• 接着用照相机拍照。一般初始原图尺寸 是最后电路芯片的500倍。2.5mm的芯片， 原图可能是125cm。成功的制版工艺首先 将原图缩小为1／100，然后再缩小为原 图的1／500，最后精确地印在模版上。
分子束外延
MBE(分子束外延)是在超高真空(10-8～ 10-6Pa)条件下通过多极分子束与加热 的单晶片反应而获得结晶生长膜的。 图2-4说明了这一过程，它表示分子束 外延掺杂不同材料(如A1XGa1-XAs)的基 本方法。每一炉子装有一个坩埚，它 们依次装有希望得到薄膜的某些元素。 炉温的选择是在热能分子束的自由蒸 汽产生的情况下，使材料的蒸汽压足 够高。炉子按一定的要求排列，使束 流分布与每个炉子的中心位置和基片 交叉，则通过选择合适的炉子和基片 温度，就可获得所希望的化学外延膜。 整个生长工艺的附加控制可通过在每 个炉子和基片之间分别插入光栏而获 得。由光栏的开、关可以让任一束流 到达基片，从而形成所需要的外延膜。
第二节 外 延
• “外延” 是指在单晶衬底上生长一层新单晶的 技术。新单晶层的晶向取决于衬底(基片)，并由 衬底向外延伸而成，故名“外延层”。外延生长 之所以重要，在于外延层中杂质浓度可以方便地 通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不 依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。薄膜的掺 杂可以是n型或p型。目前流行的外延生长工艺有 三种：气相(VPE)、液相(LPE)和分子束外延 (MBE)。
微细结构加工所使用的光刻类型
• 光学光刻是微电子工业中最重要的技术， 通常用于2～3μm线宽的制造。
• 电子束光刻主要用于掩模制造。对于高 密度的微电子结构，电子背散射使它的 实际线宽下限限制在0．5μm左右。
• X射线光刻所加工的线宽接近百分之几微 米的量级，但需要一个复杂的吸收掩模 和薄膜支撑结构。