微機電簡介-義守大學(xué)

1、微機電製程簡介,授課老師：林志龍,矽的精製,?石英巖、木炭、焦煤和木屑放置於浸入式電極電弧爐中， 加熱至1780-2000?C，可得純度為98%的冶金級矽(MGS) 。?碳化矽與二氧化矽作用，生成矽、氧化矽和一氧化碳。?反應(yīng)爐耗電功率大，12-14 千瓦小時/公斤。?冶金級矽的主要雜質(zhì)為鋁和鐵。,浸入式電極電弧爐,,,晶圓製作流程 (Wafer Process Flow),,,晶圓製作流程,,,結(jié)晶各部,,,懸浮帶區(qū)法(Floa

2、ting Zone Method，F(xiàn)Z法),,,結(jié)晶成長 – 柴氏(Czochralski) 法,,,懸浮帶區(qū)法(FZ法),?因CZ法缺點，乃因坩鍋內(nèi)的氧原子會滲入單晶錠長晶過程中。?FZ法可以生產(chǎn)含氧量非常低的單晶錠。?先以模子鑄出含摻雜物多晶矽棒。?種晶被熔融並接合於棒的下端。?射頻(RF)加熱線圈沿軸向上移動，多晶棒熔融，原子排成種晶方向。?缺點–無法生成大直徑晶錠。–差排(dislocation)密度較高。?生成

3、的晶錠以製造–功率晶體(thyristor) 。–大功率整流元件(rectifier) 等為主要目的。兩法之比較?柴氏法(Czochralski)–較普遍、便宜。–較大晶圓尺寸 (300 mm in production) 。–原料可再度使用。?懸浮帶區(qū)法(FZ法)–純矽晶(無坩堝) 。–較昂貴，晶圓尺寸較小(150 mm) 。–主要用來製造分離式功率元件所需晶圓。,比較柴氏和浮動區(qū)兩種長晶法,,,CZ晶體提拉過程

4、,,,提晶結(jié)構(gòu),,,晶圓的備製,?去除末端：用鋸將晶錠的兩端(頸及尾)切除。?研磨直徑尺寸：用無心研磨機(centerless grinder)。?檢測結(jié)晶方向、導(dǎo)電形式，以及阻抗性結(jié)晶方向檢測方法-X光繞射(diffraction)、平行(collimated)光束折射。?晶錠刻意偏移主方向(off-orientation)幾度：離子植入。,晶塊修整,?“裁切”錐形的晶塊與錐體末端。?驗證程序控制以控制小塊金屬或雜質(zhì)。,,?晶

5、塊本體研磨至所需直徑，並加上平的或槽口記號。,,,,,,,,,,,,,,,,不同晶圓尺寸相關(guān)參數(shù),,,200mm晶圓厚與表面粗造度變量,,,沉 積(Deposit),兩種主要沉積技術(shù)物理汽相沉積(Physical Vapor Deposit，PVD)真空蒸鍍(Vacuum evaporation)金屬加熱至蒸發(fā)點，金屬蒸發(fā)在矽晶圓上覆蓋薄膜。真空濺鍍(Vacuum Sputtering)以激能氬離子(Ar+) 轟擊靶材，將靶

6、材原子撞擊而脫離靶材始吸附至矽晶圓表面上。化學(xué)汽相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)利用熱分解或氣體成份的反應(yīng)在矽晶圓上生成薄膜。,真空蒸鍍(Evaporation),真空:避免在沉積薄膜內(nèi)產(chǎn)生介電質(zhì)氧化物(如Al2O3)。 提升蒸度原子的平均自由路徑以獲得均勻度層。蒸鍍能量來源:燈絲 - 無法有效控制、合金沉積困難、易於受到鎢燈絲的污染。利用電子束或電子鎗(E-beam或E-gun) -

7、坩鍋需水冷以避免污染物源自坩鍋、多靶頭電子鎗形成合金沉積。,濺鍍機(Techincs RF/DC Sputterer),E - BEAM 蒸鍍,蒸鍍?nèi)秉c,利用蒸鍍沉積合金困難 (例如 AlCu)，因為不同材料在給予的溫度會有不同的蒸發(fā)速率。需要在極高度真空的環(huán)境下進(jìn)行蒸鍍，以避免蒸汽與氣體分子相互碰撞。對高熔點材料熔解困難(例如:鎢，tungsten)。由於單點蒸鍍源其階梯覆蓋性差。黏著性差。,濺鍍(Sputtering),以激

8、能氬離子轟擊靶材(Ar+)，將靶材原子撞擊而脫離靶材傳送至矽晶圓表面。濺鍍製程的四個主要步驟:經(jīng)由電漿產(chǎn)生離子(高能量)。離子直接或加速撞擊靶材。靶材原子因離子撞擊脫離靶材傳輸至晶圓底材上。原子凝結(jié)形成薄膜。,三種濺鍍系統(tǒng)：,直流濺鍍(DC sputtering):在電極上施與直流電壓。針對導(dǎo)體靶材。射頻濺鍍(RF sputtering):在電極上施與射頻信號?？梢杂渺秾?dǎo)體或介電材質(zhì)之靶材。電磁管濺鍍(Magnet

9、ron sputtering):在靶材附近施與磁場。將二次電子由線性改變至螺旋運動。增加電子百分比導(dǎo)致離子化碰撞。,濺鍍相對於蒸鍍之優(yōu)點:,對大晶圓具有較均勻厚度。易於控制薄膜厚度?？煽刂坪辖鸪煞?。由於具有平面的源因此層次覆蓋較佳，而且可改變的沉積狀態(tài)以控制結(jié)晶結(jié)構(gòu)及應(yīng)力。黏著性佳。,濺鍍相對於蒸鍍之缺點:,設(shè)備昂貴。對某些材料(PR)以離子轟擊不恰當(dāng)。由於低真空度導(dǎo)致更多的不純物 (10-6 ~ 10-8 對 10

10、-6 ~ 10-7 Torr)。,化學(xué)汽相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD),CVD製程乃以氣體(或一組氣體)化學(xué)反應(yīng)生成欲沉積材料，其目的在於產(chǎn)生一層固態(tài)薄膜在晶圓底材上。 例如:SiH4 → Si + 2H2SiH4 + O2 → SiO2 + 2H2,化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的種類,主要可分為 - 大氣壓力(AP常壓)類 及低壓(LP)類 。爐管：冷壁式或熱壁式。冷壁式：沉積僅發(fā)生在晶舟、晶圓

11、上。熱壁式：沉積發(fā)生在爐管內(nèi)壁，爐壁須清洗。能量來源：熱式及電漿式。熱式：爐管、高溫?zé)崞桨?、高週波(RF)感應(yīng)。,常壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng),水平爐管配合感應(yīng)加熱常壓化學(xué)氣相沉積。感應(yīng)(induction)加熱法：晶圓放在石墨板上。爐管外環(huán)繞銅線圈，線圈接射頻產(chǎn)生器(RF generator) 。射頻（高週波）不會加熱爐管（冷壁）和氣體。射頻（高週波）使晶圓承座石墨分子耦合震動、溫度上升。高溫承座內(nèi)的熱量藉傳導(dǎo)進(jìn)入晶圓。晶

12、圓表面 (及承座表面) 產(chǎn)生沈積膜。,MRL 812 大氣壓四層擴(kuò)散爐,化學(xué)氣相沉積(CHEMICAL VAPOR DEPOSITION，CVD),CVD製程七個步驟:,1.以強至對流輸送反應(yīng)物至要沉積區(qū)域。2.由主要氣流經(jīng)由邊界層以擴(kuò)散方式輸送反應(yīng)物至晶圓表面。3.晶圓表面吸附反應(yīng)物。4.表面過程包含化學(xué)分解或反應(yīng)、表面遷移至附著位置(such as atomic-level ledges and kinks)、合併位置和其他表

13、面反應(yīng)。5.表面副產(chǎn)物質(zhì)沉澱。6.副產(chǎn)物經(jīng)由擴(kuò)散傳送至邊界層並回至其主要氣流。7.副產(chǎn)物經(jīng)由強制對流傳送至沉積區(qū)域。,,圓管式輻射或感應(yīng)加熱常壓化學(xué)氣相沉積,主要優(yōu)點：可裝入較多的晶圓，產(chǎn)量增加。1987年，應(yīng)用材料公司 (Applied Material) 。 感應(yīng)加熱式的巨大圓管式系統(tǒng)（大直徑的晶圓）。廣泛用於沉積磊晶矽，反應(yīng)溫度900 ~1250?C 。,桶狀式反應(yīng)器Barrel Reactor,鍋餅(pancake

14、)感應(yīng)加熱式常壓化學(xué)氣相沈積,常用在小量生產(chǎn)線和實驗室。晶圓放置在旋轉(zhuǎn)的石墨承座上，承座下方高週波線圈。,垂直式反應(yīng)器Vertical Reactor,低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD),平均自由路徑愈長，沉積膜的均勻性愈佳。平均自由路徑 (mean free path)氣體分子移動時和其他分子或晶圓、承座相碰撞前移動的平均距離。降低壓力(LP)的優(yōu)點平均自由路徑升高，有助於沉積膜的均勻性使所需沉積溫度下降。,LPCVD優(yōu)點:

15、,化學(xué)反應(yīng)溫度較低。階梯覆蓋性和均勻性較佳。垂直式晶圓裝填增加產(chǎn)量，並減少暴露於污染粒子的可能。較不受氣體流動的形式影響。形成沉積所需的時間較短。可在標(biāo)準(zhǔn)的爐管中生產(chǎn)。,LPCVD擴(kuò)散爐第三管低應(yīng)力氮化矽,水平式傳導(dǎo)對流加熱低壓化學(xué)氣相沉積,管內(nèi)壓力:0.25~2托耳(torr)低壓範(fàn)圍。常用於生產(chǎn)多晶矽、二氧化矽、氮化矽膜。沉積速率(每分鐘100至500埃)較常壓系統(tǒng)低。產(chǎn)能(每次垂直放置200片晶圓)較高。主要

16、變數(shù)：溫度、壓力、氣流、氣壓分壓、晶圓和晶圓間的間距。,水平式熱壁低壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng),超高真空化學(xué)氣相沉積,為低溫沉積。減低結(jié)晶的損傷並降低熱預(yù)算(thermal budget) 。減少摻雜區(qū)域的橫(側(cè))向擴(kuò)散。降低壓力使所需沉積溫度下降：爐管內(nèi)壓力先降至1~5x10-9毫巴(millibar) 。沉積壓力10-3毫巴。應(yīng)用：沉積矽和鍺化矽。,CVD沉澱機制,F1=hG(CG – CS) (1)F

17、2 = kS．CS (2)hG : 質(zhì)量傳輸係數(shù)(mass transfer coefficient，cm/sec)。kS : 表面化學(xué)反應(yīng)速率(chemical surface reaction rate，cm/sec) 。假設(shè)穩(wěn)態(tài)沉積狀態(tài)：F = F1 – F2,,,CVD沉澱機制,CVD沉澱機制,沉積速率,質(zhì)量傳輸受限:溫度高(APCVD)。需控制反應(yīng)物流出以確保薄膜擁有均勻厚度。厚度

18、均勻性差。表面反應(yīng)速率受限: 溫度低(LPCVD)。需較佳的溫度控制。較佳的厚度均勻性。,階梯覆蓋(Step Coverage),定義：對沉積薄膜在基板表面再產(chǎn)生之斜率所做的一種測量﹔是CVD的一個重要參數(shù)。主要取決於到達(dá)角(Arriving angle)與源材料的表面遷移率(mobility)。蒸鍍主要限制。材料束不散開。需將晶圓旋轉(zhuǎn)以改善此現(xiàn)象。外觀比(AR) (階梯高/階梯直徑) 。若AR 1則差。,階梯覆蓋(S

19、tep Coverage),懸突(Overhang)是由於到達(dá)角效應(yīng)與低遷移率所形成；而由於懸突的過大而造成空洞的形成。,階梯覆蓋(Step Coverage),表面遷移率：當(dāng)源材料吸附在表面之後，如果有足夠的能量去破壞源材料分子與其表面的吸附鍵，則源材料分子就可以離開其表面沿著表面跳躍移動。高表面遷移率的源材料可以形成比較好的階梯覆且有良好的似型性。其遷移率由源材料的化學(xué)性質(zhì)決定的，也與晶圓溫度有關(guān)。,影響薄膜成長的因素,在反應(yīng)腔的溫

20、度與氣流?；逍再|(zhì)?；宸轿弧３练e溫度。,在反應(yīng)腔的溫度與氣流,在基底面積附近的的溫度梯度變化影響了氣體的擴(kuò)散，會造成沉積厚度不均勻與雜質(zhì)的產(chǎn)生。蒸氣壓的梯度變化也會造成與溫度梯度變化相同的效應(yīng)。,基板性質(zhì)及基板方位,基板的污染或顆粒在沉積薄膜後會因此產(chǎn)生薄膜的缺陷。在沉積薄膜前需先執(zhí)行清潔程序與避免顆粒的附著?；宓谋砻嬖用芏扰c排列方式?；宓谋砻嬖又I結(jié)的數(shù)目與鍵結(jié)形式。基板的表面特徵，如：vacancies,

21、steps, kinks, ledges等…。,化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition),大氣化學(xué)氣相沉積(Atmosphere CVD，APCVD)。低壓化學(xué)氣相沉積(Low Pressure CVD，LPCVD)。電漿強化化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced CVD，PECVD)。,大氣化學(xué)氣相沉積(APCVD),大氣化學(xué)氣相沉積為一種化學(xué)氣相沉積製程在一般大氣壓力和300 ~400?C溫度下操

22、作。常受限於質(zhì)量傳輸；必須控制輸送至基底反應(yīng)室各反應(yīng)物的流量。,氣體擴(kuò)散與表面反應(yīng),邊界層厚度(BL),低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD),低壓化學(xué)氣相沉積為一種化學(xué)氣相沉積製程在中度真空(0.25 ~ 2.0 torr)和高溫約(550 ~ 600?C) 下操作。常受限於表面反應(yīng)速率。由於較易於達(dá)到溫度控制(與流量控制比較下)，以獲得較佳的均勻厚度。較高的晶圓容量(高產(chǎn)能)，基材受限位置較少。少量顆粒污染，低壓下降低氣相反應(yīng)。,

23、低壓下的沉積速率,電漿強化化學(xué)氣相沉積(PECVD),電漿強化化學(xué)氣相沉積利用熱能和射頻誘導(dǎo)電漿，轉(zhuǎn)換能量至反應(yīng)物氣體，以增強沈積所需的能量，沈積溫度低。 。常受限於表面反應(yīng)速率?？梢杂秒x子轟擊以調(diào)整殘餘應(yīng)力。由裝在晶圓承座底部的輻射加熱器提供熱，冷壁式。沉積薄膜會受到副產(chǎn)物的污染。,垂直流，鍋餅式PECVD爐,單片晶圓腔室平板PECVD爐,水平管式電漿增強化學(xué)氣相沉積,用石墨板組成晶舟，和射頻波電源供應(yīng)器相接。每對石墨板形成

24、平行板電漿產(chǎn)生器。優(yōu)點：用現(xiàn)有爐管，減省經(jīng)費(不需特製的電漿爐腔)，產(chǎn)量高。缺點：薄膜化學(xué)成份難控制，晶舟 (石墨板組) 體積大而重。,用以產(chǎn)生電漿的石墨晶舟,三種主要化學(xué)氣相沉積摘要,化學(xué)氣相沉積反應(yīng)物,多晶矽沉積(Polysilicon Deposition),低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD):SiH4 → Si + 2H2使用100% silane或20~30% silane與氮稀釋。沉積速率30 ~ 300 A?/

25、min ;溫度(T)上升沉積速率上升；壓力(P)上升，沉積速率上升。多晶矽可以經(jīng)由擴(kuò)散或離子佈植或在沉積過程中(in-situ doped)加入摻雜氣體例如磷化氫(phosphine)、砷化三氫(arsine)或di-硼化氫(diborane)。若摻雜氣體di-硼化氫(diborane)加入，沉積速率上升。若摻雜氣體磷化氫(phosphine)或砷化三氫(arsine) 加入，沉積速率下降。多晶矽常以未摻雜物質(zhì)沉積及以擴(kuò)散摻雜。

26、高溫擴(kuò)散速率: 多晶矽 >>單晶矽。,氮化矽沉積,低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD):SiH4 + NH3 → SiNH + 3H2或 3SiCl2H2 + 4NH3 → Si3N4 + 6HCl + 6H2低壓化學(xué)氣相沉積氮化物薄膜沉積內(nèi)部具有高張應(yīng)力且因此應(yīng)力當(dāng)薄膜厚大於2000A?可能產(chǎn)生龜裂。 電漿強化化學(xué)氣相沉積(PECVD):SiH4 + NH3 → SiNH + 3H2

27、或 2SiH4 + N2 → 2SiNH + 3H2,氮化矽性質(zhì),二氧化矽沉積,在450?C之大氣化學(xué)氣相沉積(APCVD):=>低溫氧化(LTO)SiH4 + O2→SiO2 + 2H2在鋁金屬上沉積二氧化矽(< 570?C)。在200?C之電漿強化化學(xué)氣相沉積(PECVD)SiH4 + O2→SiO2 + 2H2或 SiH4 + 2N2O→ SiO2 + 2N2 + 2H2在700?C之低壓化