微机电简介-义守大学.ppt

1、微機電製程簡介,授課老師：林志龍,矽的精製,石英岩、木炭、焦煤和木屑放置於浸入式電極電弧爐中， 加熱至1780-2000C，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。反應爐耗電功率大，12-14 千瓦小時/公斤。冶金級矽的主要雜質為鋁和鐵。,浸入式電極電弧爐,晶圓製作流程 (Wafer Process Flow),晶圓製作流程,結晶各部,懸浮帶區法(Floating Zone Method，FZ法),結晶成長 柴氏(Czochralski) 法,懸浮帶區法(FZ法),因CZ法缺點，乃因坩鍋內的氧原子會滲入單晶錠長晶過程中。FZ法可以生產含氧量非常低

2、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。,比較柴氏和浮動區兩種長晶法,CZ晶體提拉過程,提晶

3、結構,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)。檢測結晶方向、導電形式，以及阻抗性結晶方向檢測方法-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。,晶塊本體研磨至所需直徑，並加上平的或槽口記號。,不同晶圓尺寸相關參數,200mm晶圓厚與表面粗造度變量,沉 積(Deposit),兩種主要沉積技術物理汽相沉積(Physical Vapor Depos

4、it，PVD)真空蒸鍍(Vacuum evaporation)金屬加熱至蒸發點，金屬蒸發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，將靶材原子撞擊而脫離靶材始吸附至矽晶圓表面上。化學汽相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)利用熱分解或氣體成份的反應在矽晶圓上生成薄膜。,真空蒸鍍(Evaporation),真空:避免在沉積薄膜內產生介電質氧化物(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

5、E-gun) - 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,蒸鍍缺點,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速率。需要在極高度真空的環境下進行蒸鍍，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:經由電漿產生離子(高能量)。離子直接或加速撞擊靶材。靶材

6、原子因離子撞擊脫離靶材傳輸至晶圓底材上。原子凝結形成薄膜。,三種濺鍍系統：,直流濺鍍(DC sputtering):在電極上施與直流電壓。針對導體靶材。射頻濺鍍(RF sputtering):在電極上施與射頻信號。可以用於導體或介電材質之靶材。電磁管濺鍍(Magnetron 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。增加電子百分比導致離子化碰撞。,濺鍍相對於蒸鍍之優點:,對大晶圓具有較均勻厚度。易於控制薄膜厚度。可控制合金成份。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以控制結晶結構及應力。黏著性佳。,濺鍍相對於蒸鍍之缺點:,設備昂貴。對某些材料(

7、PR)以離子轟擊不恰當。由於低真空度導致更多的不純物 (10-6 10-8 對 10-6 10-7 Torr)。,化學汽相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD),CVD製程乃以氣體(或一組氣體)化學反應生成欲沉積材料，其目的在於產生一層固態薄膜在晶圓底材上。 例如:SiH4 Si + 2H2SiH4 + O2 SiO2 + 2H2,化學氣相沉積系統的種類,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：沉積僅發生在晶舟、晶圓上。熱壁式：沉積發生在爐管內壁，爐壁須清洗。能量來源：熱式及電漿式。熱式：爐管、高溫熱平板、高週波(R

8、F)感應。,常壓化學氣相沉積系統,水平爐管配合感應加熱常壓化學氣相沉積。感應(induction)加熱法：晶圓放在石墨板上。爐管外環繞銅線圈，線圈接射頻產生器(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。高溫承座內的熱量藉傳導進入晶圓。晶圓表面 (及承座表面) 產生沈積膜。,MRL 812 大氣壓四層擴散爐,化學氣相沉積(CHEMICAL VAPOR DEPOSITION，CVD),CVD製程七個步驟:,1.以強至對流輸送反應物至要沉積區域。2.由主要氣流經由邊界層以擴散方式輸送反應物至晶圓表面。3.晶圓表面吸附反

9、應物。4.表面過程包含化學分解或反應、表面遷移至附著位置(such as atomic-level ledges and kinks)、合併位置和其他表面反應。5.表面副產物質沉澱。6.副產物經由擴散傳送至邊界層並回至其主要氣流。7.副產物經由強制對流傳送至沉積區域。,圓管式輻射或感應加熱常壓化學氣相沉積,主要優點：可裝入較多的晶圓，產量增加。1987年，應用材料公司 (Applied Material) 。 感應加熱式的巨大圓管式系統（大直徑的晶圓）。廣泛用於沉積磊晶矽，反應溫度900 1250C 。,桶狀式反應器Barrel Reactor,鍋餅(pancake)感應加熱式常壓化學氣相沈積

10、,常用在小量生產線和實驗室。晶圓放置在旋轉的石墨承座上，承座下方高週波線圈。,垂直式反應器Vertical Reactor,低壓化學氣相沉積(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優點:,化學反應溫度較低。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。可在標準的爐管中生產。,LPCVD擴散爐第三管低應力氮化

11、矽,水平式傳導對流加熱低壓化學氣相沉積,管內壓力:0.252托耳(torr)低壓範圍。常用於生產多晶矽、二氧化矽、氮化矽膜。沉積速率(每分鐘100至500埃)較常壓系統低。產能(每次垂直放置200片晶圓)較高。主要變數：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氣相沉積系統,超高真空化學氣相沉積,為低溫沉積。減低結晶的損傷並降低熱預算(thermal budget) 。減少摻雜區域的橫(側)向擴散。降低壓力使所需沉積溫度下降：爐管內壓力先降至15x10-9毫巴(millibar) 。沉積壓力10-3毫巴。應用：沉積矽和鍺化矽。,CVD沉澱機制,F1=hG(CG CS)

12、 (1)F2 = kSCS (2)hG : 質量傳輸係數(mass transfer coefficient，cm/sec)。kS : 表面化學反應速率(chemical surface reaction rate，cm/sec) 。假設穩態沉積狀態：F = F1 F2,CVD沉澱機制,CVD沉澱機制,沉積速率,質量傳輸受限:溫度高(APCVD)。需控制反應物流出以確保薄膜擁有均勻厚度。厚度均勻性差。表面反應速率受限: 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生之斜率所做的一種測量是CVD的一個重要參數。

13、主要取決於到達角(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。需將晶圓旋轉以改善此現象。外觀比(AR) (階梯高/階梯直徑) 。若AR 1則差。,階梯覆蓋(Step Coverage),懸突(Overhang)是由於到達角效應與低遷移率所形成；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性質決定的

14、，也與晶圓溫度有關。,影響薄膜成長的因素,在反應腔的溫度與氣流。基板性質。基板方位。沉積溫度。,在反應腔的溫度與氣流,在基底面積附近的的溫度梯度變化影響了氣體的擴散，會造成沉積厚度不均勻與雜質的產生。蒸氣壓的梯度變化也會造成與溫度梯度變化相同的效應。,基板性質及基板方位,基板的污染或顆粒在沉積薄膜後會因此產生薄膜的缺陷。在沉積薄膜前需先執行清潔程序與避免顆粒的附著。基板的表面原子密度與排列方式。基板的表面原子之鍵結的數目與鍵結形式。基板的表面特徵，如：vacancies, steps, kinks, ledges等。,化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition),大氣化學

15、氣相沉積(Atmosphere CVD，APCVD)。低壓化學氣相沉積(Low Pressure CVD，LPCVD)。電漿強化化學氣相沉積(Plasma Enhanced CVD，PECVD)。,大氣化學氣相沉積(APCVD),大氣化學氣相沉積為一種化學氣相沉積製程在一般大氣壓力和300 400C溫度下操作。常受限於質量傳輸；必須控制輸送至基底反應室各反應物的流量。,氣體擴散與表面反應,邊界層厚度(BL),低壓化學氣相沉積(LPCVD),低壓化學氣相沉積為一種化學氣相沉積製程在中度真空(0.25 2.0 torr)和高溫約(550 600C) 下操作。常受限於表面反應速率。由於較易於達到溫度

16、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(高產能)，基材受限位置較少。少量顆粒污染，低壓下降低氣相反應。,低壓下的沉積速率,電漿強化化學氣相沉積(PECVD),電漿強化化學氣相沉積利用熱能和射頻誘導電漿，轉換能量至反應物氣體，以增強沈積所需的能量，沈積溫度低。 。常受限於表面反應速率。可以用離子轟擊以調整殘餘應力。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氣相沉積,用石墨板組成晶舟，和射頻波電源供應器相接。每對石墨板形成平行板電漿產生器。優點：用現有爐管，減省經

17、費(不需特製的電漿爐腔)，產量高。缺點：薄膜化學成份難控制，晶舟 (石墨板組) 體積大而重。,用以產生電漿的石墨晶舟,三種主要化學氣相沉積摘要,化學氣相沉積反應物,多晶矽沉積(Polysilicon Deposition),低壓化學氣相沉積(LPCVD):SiH4 Si + 2H2使用100% silane或2030% silane與氮稀釋。沉積速率30 300 A/min ;溫度(T)上升沉積速率上升；壓力(P)上升，沉積速率上升。多晶矽可以經由擴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(di

18、borane)。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沉積及以擴散摻雜。高溫擴散速率: 多晶矽 單晶矽。,氮化矽沉積,低壓化學氣相沉積(LPCVD):SiH4 + NH3 SiNH + 3H2或 3SiCl2H2 + 4NH3 Si3N4 + 6HCl + 6H2低壓化學氣相沉積氮化物薄膜沉積內部具有高張應力且因此應力當薄膜厚大於2000A可能產生龜裂。 電漿強化化學氣相沉積(PECVD):SiH4 + NH3 SiNH + 3H2或 2SiH4 + N2 2SiN

19、H + 3H2,氮化矽性質,二氧化矽沉積,在450C之大氣化學氣相沉積(APCVD):=低溫氧化(LTO)SiH4 + O2SiO2 + 2H2在鋁金屬上沉積二氧化矽( 570C)。在200C之電漿強化化學氣相沉積(PECVD)SiH4 + O2SiO2 + 2H2或 SiH4 + 2N2O SiO2 + 2N2 + 2H2在700C之低壓化學氣相沉積(LPCVD)，液態源tetraethylorthosilicate (TEOS)。Si(OC2H5)4 SiO2 + 低壓化學氣相沉積在900C的副產物SiCl2H2 + 2N2O SiO2 + 2N2 + 2HCl沉積二氧化矽絕緣層至晶圓表面。,