混合微电路技术

,第三章 薄膜工艺,3.1 淀积工艺,3.2 薄膜电阻器工艺,3.3 光刻材料和工艺,3.4 腐蚀材料和工艺,3.5 薄膜微桥跨接电路,3.1 淀积工艺,在制造薄膜微电路时，基片材料选定后，下一步便是在基片上淀积,金属或金属化合物,，这些金属材料将提供,导体和电阻器的图形和功能,。一般情况，在基片上顺序地淀积一层,电阻材料,，一层,阻挡层金属材料,和一层,顶层导体材料,。这些层相当薄（,20-2000nm,），可用真空蒸发、溅射淀积和化学气相淀积和这些工艺的变种来实现。,导语,3.1 淀积工艺,薄膜淀积工艺是IC制造中的重要组成部分：在硅表面以上的器件结构层绝大部分是由,淀积工艺,形成的,。,金属层间绝缘介质,多晶-金属绝缘介质,场氧化层,N阱,源极,栅氧化层,P型衬底,漏极,接触孔,通孔,多晶硅栅,第1层金属,第2层金属,3.1.1 蒸发淀积,蒸发淀积包括在相当高的真空中加热一种材料，以至于它的蒸发压力超过周围环境的压力，使它能很快的蒸发。被涂覆的基片放在真空室中源材料的邻近，如图,3.1,所示。当蒸气接触到基片上较冷的表面时，通过晶核形成的机理使蒸气浓缩，且在基片上各颗粒边界处成长出膜层。,图3.1 真空蒸发台示意图,3.1.1 蒸发淀积,蒸发,工艺是最早出现的金属淀积工艺。,真空度一般要求高于,10-5Torr,。,图3.,2 JS-1600,直流溅射仪,3.1.2 直流（DC）溅射,溅射是一种电物理过程，靶（作为阴极）被高能正离子轰击，转变能量，进行能量传递，将靶材的粒子弹出。这种溅射的粒子在阳极或接地的支架夹持着的基片上淀积成薄膜。如图,3.2,所示为,2JS-1600直流溅,射仪。,直流溅射作为一种最简单的溅射，其装置由一个二极管或平行板系统构成，如图,3.3,所示，被溅射的材料是附在阴极板上的，而待涂覆的基片放在对面为阳极或接地的平板上。,3.1.2 直流（DC）溅射,图3.3 直流溅射装置,真空中充入的氩气,在电场下产生气体放电,（等离子体）,高能Ar+轰击靶材,（阴极）,，使其表面原子剥离并,淀积到对面阳极（硅片）,表面,阴极（靶）,氩等离子体,硅片,阳极,真空腔室,3.1.3 射频溅射,图3.4 RF溅射装置示意图,氩气入口,到真空泵,RF,发生器,真空室,匹配网络,接地护罩,金属衬背,介质靶,基片,射频溅射比直流溅射有更多的功能。除了金属和合金以外，它可用于在相当低的温度和压力下淀积几乎任何介质材料，包括氧化硅、氮化硅、玻璃、氧化铝、难溶氧化物和一些塑料如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯。,如图所示，射频溅射装置除了增加13.56MHz和1-2kW功率的RF发生器和冷却靶的设施以外，RF溅射所用装置实质上与DC溅射是相同的。,3.1.4 反应溅射,反应溅射是溅射的另一个变种。这里，反应气体随着惰性气体氩被引入形成等离子。因为反应气体是活泼的，与从靶处被溅射出来的原子进行化学结合，组成一种新的化合物。所以，反应溅射是一种组合的物理、电气和化学反应过程。氮化钽的反应溅射是淀积薄膜电阻最常用的两种工艺之一。,3.1.5 蒸发和溅射工艺的比较,薄膜溅射,明显地优于蒸发淀积，其,优点,如下：,溅射膜对基片有更强的,附着力,。,溅射膜更,致密,、更,均匀,。,溅射工艺更为通用。,导体（金属、合金）或非导体（介质、绝缘体）膜都可以淀积。,溅射工艺也可以,逆向模式,使用，用于清洁基片表面或刻蚀细线。,淀积的速率、膜的厚度和膜的均匀性能更好地控制。,3.2 薄膜电阻器工艺,在选择薄膜电阻器时，几个重要的问题需要考虑：,在实际的厚度范围，具有可控制的及能重复得到的面,电阻率,低的,TCR,紧密的阻值跟踪,长期的稳定性（在加电或热老化时有低的漂移）,薄膜电阻器,薄膜电阻器可分类成纯金属、金属合金、金属化合物或,金属陶瓷（陶瓷和金属的组合）,3.2.1 镍铬工艺,不管用的时镍铬、氮化钽或时金属陶瓷电阻器，其工艺步骤时十分相似的。如右图所示为薄膜导体,/,电阻网络淀积光刻的工艺流程。,薄膜电阻所用的镍铬时镍和铬的合金。可以使用这两种金属的各种配比来获得不同的面电阻数值。,3.2.2 镍铬电阻器的特性,镍铬电阻器的特性如下表，薄膜电阻器的特性高度地取决于在其上进行淀积的基片的表面特性，基片表面越光滑，电阻值越稳定。然而，许多其他的因素对电阻稳定性性也有贡献，其中主要有退火、稳定性烘烤和调阻条件。,面电阻率,25300/，100200/（典型值）,面电阻率公差,标称值的10%,TCR,（050）ppm/,(025)ppm/（专门退火）,TCR跟踪*,2ppm,电阻漂移,2000ppm，在150下1000h后,1000ppm，用专门方法退火,200ppm，350退火的溅射膜,比值跟踪,5ppm,在退火后和激光调阻后的阻值公差,0.1%,噪音（100Hz1MHz）,-35dB（最大）,3.2.3 镍铬电阻器的特性,较高的温度,、,较长的退火时间,，提供更为稳定的电阻器、,低的,TCR,和更,紧密的电阻跟踪,。如下表所示,镍铬电阻器面电阻率,退货条件（空气中）,老化后阻值改变（ppm）,淀积方法,淀积时,（/）,温度（）,时间（min）,50h，N2,150,168h，N2,125,500h，N2,125,最后TRC,瞬间蒸发无Ni阻挡层,165,225,120,2000,500,700,-20,瞬间蒸发有400的Ni阻挡层,165,225,120,1700,350,630,-16,瞬间蒸发有800的Ni阻挡层,165,225,120,1400,280,400,-12,瞬间蒸发有800的Ni阻挡层,165,300,120,1310,260,300,-10,瞬间蒸发有800的Ni阻挡层,165,350,120,460,70,110,+34,溅射有有800的镍阻挡层,125,350,235*,71,41,+3,溅射有有800的镍阻挡层,105,350,315*,96,-96,+80,-3,3.2.4 氮化钽工艺,在陶瓷上制造氮化钽电阻,/,金属、导体电路图形的工艺，大体类似于制造镍铬电阻器的工艺。两种情况都使用对多层金属结构进行选择性刻蚀的光刻技术。工艺上的不同处包括：,氮化钽是用钽在部分氮气气氛中反应溅射淀积，而不是直流溅射或瞬间蒸发。,在氮化钽和金之间，分别用钛和钯作为捆绑层和阻挡层；对镍铬电阻用镍作为阻挡层。,钛和氮化钽是用氢氟酸,-,硝酸溶液腐蚀，对细线分辨率，也可用溅射反刻。,3.2.4 氮化钽工艺,氮化钽电阻的两种剖面图如下所示：,3.2.5氮化钽电阻器的性能,氮化钽电阻器在它们的电性能方面类似于镍铬电阻，包括面电阻率、电阻温度系数（TCR）、电阻跟踪和高温老化后的长期阻值漂移，如下表所示。,氮化钽电阻的一些特性,3.2.6 陶瓷金属薄膜电阻器,最为广泛使用的薄膜陶瓷金属电阻器是氧化硅和铬（,SiO,-Cr,）的复合物，它主要是因为具有,高的面电阻率,，能在,最小的基片,面积上制造出,高值电阻器,而被采用，通过改变一氧化硅对铬的配比，很宽范围的电阻率是可能实现的。如右图所示为铬,-,氧化硅组分与电阻率的关系。,3.3 光刻材料和工艺,光刻,：,是指通过,曝光,和,选择性化学腐蚀,等工序,将掩膜版上 的,集成电路图形,印制到硅片上,的精密表面加工技术。,光源,光阑,快门,掩膜,光刻胶,硅片,一个简单的,光刻曝光系统,示意图,像纸上的感光材料,光刻胶,胶卷,（底片）,掩膜版,曝光系统,（印像机）,光刻机,暗室,（小红灯）,光刻间（黄灯）,显影液,定影液,3.3 光刻材料和工艺,光刻胶,是由溶解在一种或多种有机溶剂中的光敏聚合物或初始聚合物构成的有机合成物。由两种类型：一种能在曝光时进一步聚合或交叉链接形成加固的能抵抗刻蚀溶液的覆盖物（,负型,），另一种能在曝光时分解，断裂并被溶解（,正型,）。,一般使用的紫外光波长,200-400nm,如右图所示为三氧化二铝陶瓷基片上刻蚀金薄膜的步骤，使用负性光刻胶和一个负图像的淹没。制造的图像与所用掩模板的图像相反。,使用正性或负性光刻胶时用正掩模还是负掩模，有四种可能的组合如下图所示：,3.3 光刻材料和工艺,3.3.1 负性光刻胶的化学反应,负性光刻胶基于有乙烯或双键的化合物，当紫外光得,到能量后，它分离成双游离基。这些自由基时不稳定的，,很快头尾相连，形成长链或交链聚合物，和原来未曝光,的有机涂层相比，此聚合物不溶解且具有化学抗蚀性。,特点：,大多数负胶通过曝光后的,交联聚 合,而起作用，大的树脂分子相互连接，,变得不可溶,。,优点,：感光,速度高,，粘附性和耐腐蚀性强，工艺易于控制，,成本低,。,缺点,：,易膨胀,。显影时图形线宽展宽，烘烤后恢复，但线条变形。膨胀时靠的很近的线条可能会连在一起。,3.3.2正性光刻胶的化学反应,正光刻胶的化学反应,是基于重氮盐或二迭氮化合物的,两种反应,。,在碱性条件下，重氮盐或二迭氮化物迅速地且几乎定量地与一耦合剂（一种酚的化合物）发生反应，通过将这两种成分配制在偏酸性的缓冲溶液中，能禁止或阻止这种反应发生。显影液提供碱性引起发生耦合反应。,3.3.2 正性光刻胶的化学反应,正性光刻胶,特点,：,正胶中的长链聚合物,曝光后分解而变得可溶,。,优点,：,分辨率高，,边缘整齐，,陡直度好,；,缺点,：,粘附性和耐腐蚀性较差,，成本,高,。,重氮基团分解并释放出氮气。一旦暴露在紫外光下，形成的化合物不能够再发生耦合和成为不溶解的染料。如图为正性光刻胶的化学反应。,3.3.3 工艺,典型的光刻工艺流程,8)显影检查,5)曝光后烘焙,6)显影,7)坚膜烘焙,紫外光,掩膜版,4)对准和曝光,光刻胶,2)旋转涂胶,3)软烘,1)气相成底膜,HMDS,3.3.3 工艺,3.4 刻蚀材料和工艺,薄膜的刻蚀方法分成“湿法”或“干法”两种类型。湿法使用化学溶液，通常是水溶性的酸或碱；干法刻蚀包含用反溅射、离子刻蚀或者通过气相化学反应去掉膜的分子。,干法刻蚀的优点如下：,1.避免使用高度腐蚀性和有危险性的化学材料；,2.避免与化学溶液有关的处理和安全问题；,3.避免表面被化学和离子沾污；,4.刻蚀速率能更好的控制，具有更高的分辨率；,5.刻蚀是各向异性的，避免了钻孔。,3.4.1金膜的化学刻蚀,在混合微电路制造中，化学刻蚀在有电阻膜存在时能有选择性的去掉导电膜或阻挡层是很重要的。王水是一种古老的溶解金的溶液，但是今天的薄膜工艺中已不太常用。,目前常用,KI/I2,来腐蚀金，通过加入禁止剂（如二盐基磷酸铵或者二盐基磷酸钾,/,磷酸）抑制甚至避免对镍铬和镍的刻蚀。刻蚀金的反应方程式如下：,KI+I KI3+KI(,过量,),3KI3+2Au 2KAuI4+KI,为了完全溶解碘，应使用过量的,KI,（过量,2-6,克）,3.4.2 镍和镍铬膜的化学刻蚀,能与镍铬发生反应从而溶解镍铬但又不攻击金的刻蚀液是由硫化铈、硝酸铵和硝酸的水溶液构成。刻蚀的机理通常包含镍和铬被氧化成为可溶解的盐。这些刻蚀液对金没有作用。为了去掉镍阻挡层而又不腐蚀金并把对阻挡层下的镍铬的腐蚀速率降到最低程度，可使用三氯化铁溶液，浸泡时间必须根据经验确定，以避免过量地去掉镍铬。,刻蚀是一种半经验性的工艺，在每种情况下，最佳工艺条件（曝光时间、温度、溶液浓度和搅拌速度）都必由试验建立。一种工艺在生产线上实施之前，必须实行终点的视觉监视并对阻值、导体线宽间距和厚度进行测量。,3.4.3 干法刻蚀,不用化学刻蚀液溶解（湿法）而去掉金属、介质或半导体薄膜的方法，叫做,干法刻蚀,。,干法刻蚀比化学刻蚀有许多,优点,，主要有：,1.能够产生小于0.1mil，可至微米范围细线几何图形；,2.避免离子沾污，阻止化学刻蚀；,3.安全性高不可能发生化学溶液溢出，且能更好地控制毒性材料。,3.5 薄膜微桥跨接电路,如何实现多层薄膜基片的互联？,1968年Bell实验室的Lepselter介绍了一种独特工艺-气隙微桥工艺（如下图所示）。,THANK YOU,