硅加工工艺
离子注入的基本原理
• 离子注入和退火再分布 • 基本原理是用能量为100keV量级的离子
束入射到材料中去，离子束与材料中的 原子或分子将发生一系列物理的和化学 的相互作用，入射离子逐渐损失能量， 最后停留在材料中，并引起材料表面成 分、结构和性能发生变化，从而优化材 料表面性能，或获得某些新的优异性能。
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IC制造中最 关键的步骤
IC晶圆中最 昂贵的设备
最有挑战 的技术
决定最小 特征尺寸
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光刻胶：光敏材料，利用光刻胶的保护，能够 对区域选择加工，仅仅对未被保护的区域能够 进行注入、刻蚀、溅射等。
掩膜板：一块有图形的玻璃板，透过这块玻璃 板投射一束光到晶圆的表面，就在晶圆的表面 形成了图形的阴影。光线通过玻璃板上透过区 域照射到光刻胶上使其曝光，而板上的图形阻 碍了光线的通过，未被曝光的区域是抗蚀层。
➢ 等离子体提供了气体间化学反应的能量而不用提高晶圆的 温度，低温将有助于维持原先的杂志分布，避免杂质的进 一步扩散。
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2.3.2 溅射
高能等离子体能够帮助我们沉积某些不能通过CVD沉 积的材料，在称为溅射台的设备中，利用氩气等惰性气体 产生等离子体，利用等离子体轰击出材料原子。 ➢在一个密闭容器中，晶圆上方悬挂着一大块准备沉积的 金属材料，该金属将被轰击到晶圆的表面形成一个新的表 面层，方法？
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生长硅单晶
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单晶生长设备
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2.2 掺杂
▪扩散技术在集成电路发展初期是半导体器件生产的 主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺 在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大 劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。
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ⅢA族受主掺质(P型)
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正胶和负胶的性质
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• 正胶：曝光后可溶 • 负胶：曝光后不可溶
正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中 ，一般只采用正胶
负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条
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下凹图形的加工（正胶）
暗场掩膜板：掩膜板上除了透光的地方全都覆 盖着一层铬层，被铬覆盖了大部分区域的掩膜 板被称为暗场掩膜板。
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• 溅射：用高能等离子体轰击某种材料的 靶面，而使靶材表面的原子或分子从中 逸出并淀积在衬底材料上的现象。
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2.3.3 蒸发
• 蒸发：通过不同的加热方式使原材料气 化后，直接（或与反应气体反应后）在 衬底上成膜。
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2.4 氧化层生长
➢ 硅表面上总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使 是刚刚解理的硅，在室温下，只要在空气中，一暴 露就会在表面上形成几个原子层的氧化膜。氧化膜 相当致密，能阻止更多的氧原子通过它继续氧化。
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7．去胶
• 去胶是常规光刻工艺的最后一道工序， 简单地讲，是使用特定的方法将经过腐 蚀之后还留在表面的胶膜去除掉。通常， 采用的去胶方式有溶剂去胶、氧化去胶、 等离子体去胶等方式。
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2.6.2 光刻方式
• 一、曝光光源
常用的紫外线光源是高压汞灯。
• 曝光光线波长越短能曝出的特征尺寸就越小，光刻一 直是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因素，1985年 有人预言光刻不可能分辨出小于0.5um的特征尺寸。 现在的光刻可以做到nm级。
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4．显影
• 显影是把曝光后的硅片放在显影液里，将应去 除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要 的抗蚀剂膜保护图形。
• 显影液和显影时间的选择对显影效果的影响是 极为重要的。显影液的选择原则是：对需要去 除的那部分胶膜溶解得快，溶解度大，对需要 保留的那部分胶膜的溶解度极小。
曝光后
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元素
原子量
硼
5
铝
13
镓
31
铟
49
ⅣA族半导体
元素
原子量
碳
6
硅
14
锗
32
锡
50
ⅤA族施体掺质(N型)
元素
原子量
氮
7
磷
15
砷
33
锑
51
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间隙式扩散
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替位式扩散
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• 在目前的集成电路生产中，扩散方式主要有两种： 恒定表面源扩散和有限表面源扩散。 (1) 恒定表面源扩散。如果硅片(或其他半导 体晶片)表面的扩散杂质浓度在扩散的过程中始终 保持不变，则这种扩散方式叫做恒定表面源扩散。 在恒定表面源扩散的过程中，不断有外来源补充 因扩散到硅片(或其他半导体晶片)中而损失的杂 质源。 (2) 有限表面源扩散。如果扩散之前在硅片 表面先沉积一层杂质作为扩散的杂质源，在整个 扩散过程中不再有新源补充，则这种扩散称为有 限表面源扩散。
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离子注入的基本原理
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离子注入设备
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Hale Waihona Puke 加工工艺2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
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2.3.1 化学气相沉积
升起来，在籽晶的周围逐渐生长出单晶硅，最后 形成圆柱形的单晶棒。
➢ 生成的单晶硅经过物理性能测试和电气参数测 试后对其进行切割，形成硅单晶片，然后再对硅 单晶片进行研磨、倒角、抛光，最后得到需要的 单晶硅片。
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单晶生长设备
将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中，掺杂剂可以选择掺杂P、B、 As等（选择掺杂材料用以产生P型或N型材料），当装料结束后，驱动石墨加 热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度（1420℃），使单晶硅和掺杂物熔 化。
湿氧氧化方法中，二氧化硅的生长 速率介于干氧氧化和水汽氧化之间，生 长的二氧化硅薄膜质量也介于二者之间。
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2.5 去除材料层
刻蚀技术：包含了所有将材质表面均匀移 除或是有选择性的部分去除的技术。例如 去除金属、氧化层等。
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2.6 光刻
• 光刻是利用光学系统把掩膜版上的图形 精确地投影曝光到涂过光刻胶的硅片上。 最终的图形是用多个掩膜版按照特定的 顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来 的。光刻占硅片工艺60%的时间。
的光刻胶
二氧化硅膜
显影液
光刻胶 硅片
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5．坚膜
• 坚膜是在一定的温度下，将显影后的片子 进行烘干处理，除去显影时胶膜所吸收的 显影液和残留水分，改善胶膜与基片间的 粘附性．增强胶膜的抗蚀能力，以及消除 显影时所引起的图形变形。
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6．腐蚀
• 腐蚀就是用适当的腐蚀剂，对未被胶膜覆盖的二氧化硅或其他 性质的薄膜进行腐蚀，按照光刻胶膜上已经显示出来的图形， 进行完整、清晰、准确的腐蚀，达到选择性扩散或金属布线的 目的。它是影响光刻精度的重要环节。
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2.1 硅晶圆制程
1．硅单晶片的制备 制造集成电路芯片需要硅单晶，硅
单晶片实际上是从圆柱形的单晶硅锭上 切割下来的。
单晶硅锭的生长方法主要有“直拉 法”和“悬浮区熔法”。一般用直拉法 制造硅单晶，在这里我们介绍采用直拉 法制备硅单晶。
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直拉法制备硅单晶： ➢ 加热一个大坩埚中的硅，直到它熔化。 ➢ 一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融的硅熔液中 ➢ 在旋转籽晶的同时缓慢地将其从硅的熔融液中提
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
5）刻蚀二氧化硅，只有多晶硅栅下的二氧化硅由于 栅的保护而留下来，栅条则位于二氧化硅薄层的上面。
多晶 硅
SiO2
SiO2
Si P-
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6）离子注入，栅条、裸露的衬底以及厚氧化层都被 注入
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
7）栅和厚氧化层屏蔽了各自下面的硅，只有栅条两
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表面绝缘层
图4-5 作为绝缘层的二氧化硅层
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器件绝缘层
图4-6 在MOS栅极中，二氧化硅作为场氧化
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干氧氧化
干氧氧化是指在高温下，氧气与硅 反应生成二氧化硅的氧化方法。干氧氧 化具有速度慢、氧化膜质量好的特点。 其反应方程式如式所示。
Si O2 高温SiO 2
(3.2)
➢ 将晶圆放在一个特制的炉内，炉是一个能够承受非常高温 度的石英炉管。
➢ 在炉管的一端安放了一些将被泵入的可高度反应的气体。 混合气体被高温激励而相互碰撞反应，这些反应气体在炉 管内被输运直到它们撞击到晶圆，由于晶圆的温度比气体 低，因此，混合气体中的硅被凝聚在晶圆的表面。
➢ 这个过程就在晶圆表面生长了与衬底晶格一致的外延层。
➢ 这种天然形成的氧化层厚度只能达到40Å左右。形 成的二氧化硅不但能紧紧地依附在硅衬底上，而且 具有极为稳定的化学特性和电绝缘特性。
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氧化硅层的主要应用
二氧化硅的重要应用可归结为以下几个方 面：
表面钝化层 掺杂阻挡层 表面绝缘层 器件绝缘层
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掺杂阻挡层
图4-4 作为掺杂阻挡层的二氧化硅
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2．前烘
• 涂胶后的胶膜要立即进行烘干。一般是在80oC温 度下烘烤10～15分钟。烘烤的温度不能过高，时 间不能太长，否则会造成显影困难。例如温度若 在100oC以上，由于增感剂挥发而造成曝光时间 增长，甚至完全显不出图形来。
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3．曝光
• 曝光就是对涂有光刻胶且进行了前烘之后 的硅片进行选择性的光照，曝光部分的光 刻胶将改变其在显影液中的溶解性，经显 影后在光刻胶膜上得到和“掩膜”相对应 的图形。