1、半導體工藝三熱分解淀積氧化熱分解氧化薄膜工藝是利用含硅的化合物經過熱分解反應，在硅片表面淀積一層二氧化硅薄膜的方法。這種方法的優點是：基片本身不參與形成氧化膜的反應，而僅僅作為淀積二氧化硅氧化膜的襯底。襯底可以是硅也可以不是硅而是其它材料片。如果是硅片，獲得二氧化硅膜也不消耗原來襯底硅，而保持硅片厚度不變，這是與熱氧化法最根本的區別。因為這種方法可以在較低的溫度下應用，所以被稱作“低溫淀積”。常用的熱分解淀積氧化膜反應源物質（硅化合物）有正硅酸乙脂和硅烷兩種。現分別介紹如下：1正硅酸乙脂熱分解淀積淀積源的溫度控制在20 oC左右，反應在真空狀態下進行，真空度必須在10-2×133.3

2、Pa以上，淀積時間根據膜厚決定。淀積得到的二氧化硅氧化膜不如熱生長的致密。但如果在真空淀積之后經過適當的增密處理可使其質量有所改善；方法是硅片在反應爐內加熱升溫到850900 oC半小時左右，之后再在干燥的氮、氬或氧氣氛中繼續加熱一段時間即可。2硅烷熱分解淀積反應方程式： SiH4 + 2O2 SiO2+ 2H2O （300400 oC）以上兩種熱分解淀積氧化膜的方法實際上是一種化學氣相淀積（CVD）工藝。前一種是低壓CVD（LPCVD）；后一種是常壓CVD(APCVD)。特別是后一種硅烷加氧氣淀積二氧化硅的方法，是目前生產中天天在用的常規工藝。以后我們將有專門的章節講解CVD工藝。第二節 S

3、iO2薄膜的質量與檢測二氧化硅工藝質量是半導體器件質量的基礎。下面就氧化質量要求，工藝檢測，常見質量問題及對策等幾個方面進行討論。一質量要求SiO2薄膜質量優劣對器件性能和產品成品率都有很大影響。通常要求薄膜表面無斑點、裂紋、白霧、發花和針孔等缺陷；厚度要求在指標范圍內，且保持均勻一致；結構致密，薄膜中可動離子特別是鈉離子量不得超標。二檢測方法1厚度測量要求精度不高時，可用比色法、磨蝕法測量；精度高時，可用雙光干涉法，電容電壓法檢測。精度高達10×10 -10 m的橢圓偏振法，現在生產上已是常用測試手段。2表面質量通過目測或鏡檢可以直接觀察到SiO2薄膜表面各種缺陷。顆?？赏ㄟ^聚光燈

4、照射形成亮點發現。針孔、龜裂、除了顯微鏡直接觀察還可以通過氯氣腐蝕后出現花斑來檢查。3氧化層錯將氧化片先經過腐蝕顯示，再用顯微鏡觀察，可看到許多類似火柴桿狀的缺陷。4SiSiO2系統電荷硅二氧化硅系統中的固定電荷、界面態、可動Na和電離陷阱四種電荷，都可以通過電容電壓法檢測，但具體做法和算法有所不同。三常見質量問題和解決1厚度均勻性氧化膜厚度不均勻不僅影響氧化膜對擴散雜質的掩蔽作用和絕緣作用，而且在光刻腐蝕時容易造成局部沾污。要提高膜厚均勻性，首先要控制好氧氣的流量，保證反應管里硅片周圍氧氣和水汽蒸汽壓均勻；穩定爐溫，保證足夠長的恒溫區，一定要把片子推進恒溫區。此外，還要嚴格控制好水浴溫度，氧

5、化前做好硅片前處理，保證清洗質量和硅片表面質量。2表面斑點氧化層出現斑點時，斑點外的氧化膜對雜質的掩蔽能力降低，會造成器件性能變壞，甚至做不出管芯來。一些突起的斑點還會影響光刻的對準精度，造成光刻質量不好。因此，要保證氧化前硅片表面無微粒；石英管長期處于高溫下易老化，內壁產生顆粒沾污硅片，要及時清洗、更換石英管，操作中注意避免水珠飛濺到硅片表面；硅片清洗后要烘干無水跡。3氧化膜針孔針孔會使氧化層擴散時的掩蔽作用失效，引起晶體管漏電增大，耐壓降低甚至擊穿，還會造成金屬電極引線和氧化膜下面的區域短路，使器件變差或報廢。為了減少針孔，須保證硅片表面質量無位錯層錯；硅片表面應平整光亮；加強整個器件工藝

6、過程中的清洗處理。4熱氧化層錯由熱氧化工藝誘生的熱氧化層錯這種微缺陷，會使氧化膜出現針孔等弊病，最終導致PN結反向漏電增大，耐壓降低甚至穿通，使器件失效。在MOS器件中，SiSiO2系統中的層錯會使載流子遷移率下降影響跨導和開關速度。所以一定要保證硅片表面拋光質量和表面清洗質量，采用摻氯氧化和吸雜技術，在硅片背面引入缺陷或造成很大應力來降低熱氧化層錯。第三節 氧化裝置氧化裝置主要由三部分構成：氧化爐、氧化源發生和輸送系統、進出硅片推拉系統。而氧化爐又包括四個部分：1 爐體2 溫度測量系統3 溫度控制系統4 反應管爐體提供穩定的高溫條件，用高溫電熱絲加熱。爐管用絕緣性好的氧化鋁管，電熱絲繞套在爐

7、管上，外面襯以保溫材料，最外層是鋼板制的爐罩。溫度測量，用熱電偶配上電位差計。溫度控制分為自動和手動兩部分。手動用調壓變壓器調控；自動用精密溫度自控儀或電子計算機控制。反應管用耐高溫不易變形的石英管或性能更好但價格較貴的碳化硅管。以干氧濕氧氧化為例的氧化裝置示意圖如下： 氧化工藝從二十世紀六十年代初用于半導體器件制造硅平面工藝到現在進入二十一世紀半個世紀當中，其設備發展早已今非昔比。最新的設備可以加工的硅片尺寸已達十幾英寸，恒溫區越做越長，溫度控制更加精確。在空間上，設備任何部位；在時間上，工藝過程中任何時刻，都可以直觀形象地在控制電腦熒屏上顯示出來，操作時只要用手指指指點點就行。然而，不管設

8、備換型如何日新月異，就其基本結構而言，說到底仍舊還是我們這里介紹的這些。后面將要講到的其它工藝設備，如擴散、光刻、蒸發以及CVD等，情況也都是如此。第三章 擴散工藝 在前面“材料工藝”一章，我們就曾經講過一種叫“三重擴散”的工藝，那是對襯底而言相同導電類型雜質擴散。這樣的同質高濃度擴散，在晶體管制造中還常用來作歐姆接觸，如做在基極電極引出處以降低接觸電阻。除了改變雜質濃度，擴散的另一個也是更主要的一個作用，是在硅平面工藝中用來改變導電類型，制造PN結。第一節 擴散原理擴散是一種普通的自然現象，有濃度梯度就有擴散。擴散運動是微觀粒子原子或分子熱運動的統計結果。在一定溫度下雜質原子具有一定的能量，

9、能夠克服某種阻力進入半導體，并在其中作緩慢的遷移運動。一擴散定義在高溫條件下，利用物質從高濃度向低濃度運動的特性，將雜質原子以一定的可控性摻入到半導體中，改變半導體基片或已擴散過的區域的導電類型或表面雜質濃度的半導體制造技術，稱為擴散工藝。二擴散機構雜質向半導體擴散主要以兩種形式進行：1替位式擴散一定溫度下構成晶體的原子圍繞著自己的平衡位置不停地運動。其中總有一些原子振動得較厲害，有足夠的能量克服周圍原子對它的束縛，跑到其它地方，而在原處留下一個“空位”。這時如有雜質原子進來，就會沿著這些空位進行擴散，這叫替位式擴散。硼（B）、磷（P）、砷（As）等屬此種擴散。2間隙式擴散構成晶體的原子間往往

10、存在著很大間隙，有些雜質原子進入晶體后，就從這個原子間隙進入到另一個原子間隙，逐次跳躍前進。這種擴散稱間隙式擴散。金、銅、銀等屬此種擴散。三 擴散方程擴散運動總是從濃度高處向濃度低處移動。運動的快慢與溫度、濃度梯度等有關。其運動規律可用擴散方程表示，具體數學表達式略。五擴散雜質分布在半導體器件制造中，雖然采用的擴散工藝各有不同，但都可以分為一步法擴散和二步法擴散。二步法擴散分預沉積和再分布兩步。一步法與二步法中的預沉積屬恒定表面源擴散。而二步法中的再擴散屬限定表面源擴散。由于恒定源和限定源擴散兩者的邊界和初始條件不同，因而擴散方程有不同的解，雜質在硅中的分布狀況也就不同。1恒定源擴散在恒定源擴

11、散過程中，硅片的表面與濃度始終不變的雜質（氣相或固相）相接觸，即在整個擴散過程中硅片的表面濃度NS保持恒定，故稱為恒定源擴散。 2限定源擴散在限定源擴散過程中，硅片內的雜質總量保持不變，它沒有外來雜質的補充，只依靠預沉積在硅片表面上的那一層數量有限的雜質原子向硅內繼續進行擴散，這就叫限定源擴散或有限源擴散。 在討論限定源擴散，即兩步法的再分布時，必須考慮的一個因素是分凝效應。在“氧化工藝”中曾經分析過，由于熱氧化，在再分布時雜質在硅片表面氧化層中會出現“吸硼排磷”現象，我們不能忽略這個因素；并且應當利用這些規律來精確的控制再分布的雜質表面濃度。第二節 擴散條件擴散條件選擇，主要包括擴散雜質源的

12、選擇和擴散工藝條件的確定兩個方面。一擴散源的選擇選取什么種類的擴散雜質源，主要根據器件的制造方法和結構參數確定。具體選擇還需要遵循如下原則：1 導電類型與襯底相反；2 先擴散的擴散系數要比后擴散的??；3 雜質與掩模之間的配合要協調，擴散系數在硅中要比在掩模中大得多；4 要選擇容易獲得高濃度、高蒸汽壓、且使用周期長的雜質源；5 在硅中的固溶度要高于所需要的表面雜質濃度；6 毒性小，便于工藝實施。從雜質源的組成來看，有單元素、化合物和混合物等多種形式。從雜質源的狀態來看，有固態、液態、氣態多種。二擴散條件的確定擴散的目的在于形成一定的雜質分布，使器件具有合理的表面濃度和結深，而這也是確定工藝條件的

13、主要依據。此外如何使擴散結果具有良好的均勻性、重復性也是選擇工藝條件的重要依據。具體講有：1溫度對擴散工藝參數有決定性影響。對淺結器件一般選低些；對很深的PN結選高些。此外還需根據工藝要求實行不同工藝系列的標準化，以有利于生產線的管理。2時間調節工藝時間往往是調節工藝參數的主要手段，擴散時間的控制應盡量減少人為的因素。3氣體流量流量是由摻雜氣體的類別和石英管直徑確定的，只有使擴散的氣氛為層流型，才能保證工藝的穩定性，流量控制必須采用質量流量控制器MFC。第三節 擴散參數及測量擴散工藝中有三個參數非常重要，它們是擴散結深、薄層電阻及表面濃度，三者之間有著一個十分密切的有機聯系。一擴散結深結深就是

14、PN結所在的幾何位置，它是P型與N型兩種雜質濃度相等的地方到硅片表面的距離，用表示，單位是微米（）實際生產中直接通過測量顯微鏡測量。具體方法有磨角染色法、滾槽法、陽極氧化法等。二方塊電阻擴散層的方塊電阻又叫薄層電阻，記作R或RS，其表示表面為正方形的擴散薄層在電流方向（平行于正方形的邊）上所呈現的電阻。由類似金屬電阻公式可推出薄層電阻表達式為： （3-10）式中：、分別為薄層電阻的平均電阻率和電導率。為區別于一般電阻，其單位用/表示。實際生產中，RS(R)用四探針測試儀測量。三表面雜質濃度擴散后的表面雜質濃度NS是半導體器件設計制造和特性分析的一個重要結構參數，它可以采取放射性示蹤技術通過一些

15、專門測試儀器直接測量，但是實際生產中是先測出結深和方塊電阻R，再用計算法或圖解法間接得出。1計算法2圖解法第四節 擴散方法擴散方法很多。常用的主要有： 液態源擴散氣固擴散 粉態源擴散片狀源擴散擴散法： 乳膠源擴散 固固擴散 CVD摻雜擴散PVD蒸發擴散這是以擴散中雜質源與硅片（固態）表面接觸時的最終狀態是氣態還是固態來劃分的。另外，按擴散系統來分，有開管式、閉管式和箱法三種；按雜質本來形態分有固態源、液態源、氣態源三種。生產中習慣以雜質源類型來稱呼擴散方法。一氣固擴散液態或固態擴散雜質源最終呈現氣態，與固態硅表面接觸實現雜質擴散，叫氣固擴散。1液態源擴散用保護性氣體（如N2）通過液態源瓶（鼓泡

16、或吹過表面）把雜質源蒸氣帶入高溫石英管中，經高溫熱分解同硅片表面發生反應，還原出雜質原子并向硅內擴散。液態源擴散的優點是PN結均勻平整，成本低，效率高，操作方便，重復性好。通常液態源硼擴散，用硼酸三甲脂；液態源磷擴散，用三氯氧磷。2固態源擴散 （1）粉狀源 （2）平面片狀源 把片狀雜質源（氮化硼片、硼或磷微晶璃片等）與硅片相間地放置在石英舟的“V”型槽上，并保持平行，用高純度的N2保護，利用雜質源表面。揮發出來的雜質蒸氣，濃度梯度，在高溫下經過一系列化學反應，雜質原子向片內擴散，形成PN結。二固固擴散雜質源與硅片是固體與固體接觸狀態下進行擴散。在硅片表面沉積（化學氣相沉積CVD；物理氣相沉積P

17、VD）或者涂布一層雜質或摻雜氧化物，再通過高溫實現雜質向硅中的擴散。（1） 低溫沉積摻雜氧化層法（CVD法）分兩步進行。第一步在硅片表面沉積。一層具有一定雜質含量的二氧化硅薄膜作為第二步擴散時的雜質源；第二步是將已沉積過的硅片在高溫下進行擴散。由于沉積，摻雜氧化膜是在400以下低溫下完成，所以引進有害雜質Na+等以及缺陷的幾率很小，因此這種方法也是完美單晶工藝（PCT）或半完美單晶工藝（1/2PCT）的重要環節之一。（2） 蒸發源擴散采用物理氣相沉積的方法，先在硅片背面蒸發上一層雜質源金，然后再放進爐中擴散。這是開關晶體管的一道典型工藝，旨在減少晶體管集電區少子壽命，縮短儲存時間，提高開關速度

18、。開關二極管以及雙極型數字邏輯電路，生產中也普遍使用這種擴散。（3） 二氧化硅乳膠源涂布擴散先在硅片表面涂敷一層含擴散雜質的乳膠狀的源再進行擴散。這種方法只用一步擴散就可以同時達到所需的表面濃度和結深，具有濃度范圍寬、高溫時間短、離子沾污小、晶格完整性好的優點，同樣具備PCT的工藝特征。各種不同的擴散方法只是供源方式不同，其擴散主體系統是一樣的。從設備上看，擴散與氧化的區別，差不多也只在此。因此，擴散系統裝置，我們就不再介紹，以避免與氧化雷同。第五節 擴散質量及常見質量問題擴散質量對半導體器件芯片的好壞有著決定性影響，其具體體現在表面質量、擴散結深、方塊電阻和表面雜質濃度幾個方面。在第三節中我

19、們曾經就，R和NS進行了較為詳細的介紹，下面對有關擴散工藝中常見的一些質量問題作些簡要的闡述。一表面不良1 合金點： 主要原因是表面雜質濃度過高。2 黑點或白霧： 主要是酸性沾污、水氣和顆粒沾污造成的。3 表面凸起物： 大多由較大顆粒經過高溫處理后形成。4 玻璃層： 會造成光刻脫膠。擴散溫度過高，時間過長造成。工藝過程中要控制好擴散溫度、時間以及氣體流量，并保證擴散前硅片表面干凈干燥。5 硅片表面滑移線或硅片彎曲： 是由高溫下的熱應力引起，一般是由于進出舟速度過快、硅片間隔太小、石英舟開槽不適當等導致。6 硅片表面劃傷、表面缺損等： 通常是由于工藝操作不當產生。二方塊電阻偏差R一定程度上反映了

20、擴散到Si片中的雜質總量的多少，與器件特性密切相關。攜源N2中有較多的水份和氧氣，Si片進爐前未烘干；雜質源中含水量較多，光刻沒有刻干凈，留有底膜，使擴散區域表面有氧化層影響了雜質擴散；擴散源使用時間過長，雜質量減少或源變質；擴散系統漏氣或源蒸氣飽和不充分；攜源氣體流量小而稀釋氣體流量大，使系統雜質蒸氣壓偏低；擴散溫度偏低，擴散系數下降；擴散時間不足，擴散雜質總量不夠等等原因會造成R偏大。相反，雜質蒸氣壓過大，溫度偏高，時間過長會導致R偏小。如果在預沉積時發現R偏大或偏小，可在再擴散時通過適當改變通干氧、濕氧的先后次序或時間來進行調整，而這正是兩步法擴散的一大優點。三結特性參數異常擴散工藝過程

21、中要測單結和雙結特性。根據單結和雙結測試情況及時改變工藝條件。測單結主要看反向擊穿電壓和反向漏電流；測雙結主要為調電流放大參數hFE。（1）PN結的反向擊穿電壓和反向漏電流，是晶體管的兩個重要參數；也是衡量擴散層質量的重要標準。它們是兩個不同的物理概念，但實際上又是同一個東西，反向漏電大，PN結擊穿電壓低。工藝中常見的不良反向擊穿主要有：表面缺陷過多或表面吸附了水份或其他離子，會使表面漏電增大。氧化時由于清洗不好，有一些金屬離子進入氧化層，如鈉離子，從而增加漏電降低擊穿。二氧化硅表面吸附了氣體或離子以及二氧化硅本身的缺陷如氧空位等，使得SiO2帶上了電荷，形成了表面溝道效應，增大了反向漏電流。

22、硅片表面上沾污有重金屬雜質，在高溫下，很快擴散進Si片體內，沉積在硅內的晶格缺陷中，引起電場集中，發生局部擊穿現象，造成很大的反向漏電流。此外，如光刻時圖形邊緣不完整，出現尖峰毛刺，表面有合金點、破壞點，引起了縱向擴散不均勻，PN結出現尖峰會形成電場集中，擊穿將首先發生在這些尖峰上。因此，制造良好的擴散表面，保持表面清潔，嚴格清洗工藝，保證擴散系統清潔，保證氣體純度高，擴散源質量好，采用低位錯密度材料，提高光刻質量或者采取吸雜工藝等，都能起到改善器件擊穿特性的作用。（2）電流放大系數hFE是晶體管，同時也是擴散層的另一個重要參數。放大過大過小都不能滿足用戶要求。影響放大的因素很多，如基區寬度，

23、發射區與基區雜質濃度比，表面是否有沾污和復合等。減薄基區寬度能使放大提高。提高發射區濃度，降低基區濃度，從而增大濃度梯度，可以提高注入效率，減少復合，提高放大。此外，材料中的位錯密度大，有害金屬雜質多，會降低少子壽命，縮短載流子擴散長度，導致放大下降。四擴散均勻性和重復性現在用戶對半導體器件參數要求越來越苛刻。其中重要的一點，就是參數的一致性非常好，允許的技術指標范圍非常窄。這就要求制造工藝，尤其是核心工藝擴散的均勻性、重復性要相當的好。（1）均勻性 指同一爐硅片中一片之內和各片之間技術參數基本在一個水平上，實際生產中造成硅片不均勻的原因主要有：a. 襯底材料本身參數的電阻率等不均勻。b. 擴

24、散前硅片處理不好，硅片表面有局部的沾污或氧化物造成擴散進去的雜質原子的多少，結的深淺就與其他地方不一樣。c. 雜質擴散系數和固溶度與溫度有關，石英舟中各處的溫度若有差異。就會影響擴散結果均勻性。d. 石英舟各處的雜質蒸氣壓不完全相同，同樣也會導致擴散結果不均勻。（2）重復性 重復性不好是由于各次擴散過程中，爐溫時間和石英管內雜質蒸氣壓變化較大，以及清潔處理不當造成的，為此，除了精確控制爐溫和時間外，還需要設法使得石英管內的雜質蒸氣壓保持均衡，通常采用的方法是每天第一次擴散前將石英舟和石英管在源蒸氣中飽和一定的時間，這在相當程度上可以解決重復性問題。第四章 離子注入半導體器件工藝中，通過摻雜制造

25、PN結，除了擴散還有其他一些方法。如從前的點接觸工藝、合金燒結工藝，以及前面講過的異質外延工藝等都是。再有就是我們將要介紹的，現在生產中普遍應用的一種叫離子注入的工藝。第一節 離子注入原理所謂“離子注入”，就是利用高能粒子轟擊摻雜的雜質原子或分子，使之電離，再加速到一定能量，使其直接射入半導體硅片內部，即“注入”到硅器件中，然后經過退火使雜質激活，達到摻雜的目的，形成PN結。雜質濃度和結深由雜質離子注入量和注入深度決定。離子注入過程是一種平衡過程，高能離子進入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞逐步損失能量，最后停止下來。停下來的位置是隨機的，離子注入的摻雜作用與擴散的物理過程是完全不同的。擴散是

26、一種與溫度有關的物理現象；而離子注入則依賴于離子運動的能量大小。第二節 注入雜質分布用離子注入法在Si片內部形成的雜質分布，與擴散法形成的雜質分布有很大不同，如圖42所示。用擴散法獲得的雜質分布通常為余誤差函數分布或高斯分布。而用離子注入法形成的雜質分布，其濃度最大值不在硅片表面，而是在深入到Si體內一段距離的地方。這段距離的大小與注入離子能量大小有關。離子注入劑量（即表面處單位面積內包含的雜質離子數目）與注入的離子流的電流密度（通常稱為束流密度）的大小及注入時間的長短有關。在有掩蔽介質存在的情況下，離子注入的雜質分布近似擴散再分布后的高斯函數分布。其近似程度取決于掩蔽介質的厚度及注入離子能量

27、的大小。在圖43中畫出了二氧化硅作掩蔽膜時，注入雜質在硅內的高斯分布曲線.第三節 注入損傷和退火應用離子注入法制造PN結有很好的工藝可控性和重復性。但是經過離子注入的硅片表面會產生注入損傷，須進行退火加以消除。一注入損傷高能粒子注入硅靶體內時與硅原子核發生碰撞，并把能量傳輸給硅靶原子。當硅靶原子能量足夠大時，可使靶原子發生位移。當位移原子的能量較大時，還可使其它硅原子發生位移，從而形成一個碰撞與位移的級連，在硅中形成無數空位和間隙原子。這些缺陷的存在使半導體中載流子的遷移率減小，少子壽命縮短，因而影響器件的性能。二退火工藝消除離子注入損傷的辦法是退火。在N2保護下，使Si片在一定溫度下保持一定

28、時間，促使微觀缺陷區下面未受損傷的硅單晶“外延生長”，從而使微觀損傷區的晶體復原，習慣上把這種熱處理過程稱為“退火”。退火除了有消除微觀損傷區的作用外，還可以使那些注入硅中的雜質離子進入替代硅原子的位置，成為電活性雜質離子，從而起到受主或施主的作用。退火溫度與注入劑量有關退火工藝除了普通熱退火，還有激光退火、電子束退火、離子束退火以及非相干退火等。第四節 離子注入設備離子注入總體結構：離子源分析器加速管掃描器靶室一離子源放電管里的少量自由電子在電磁場作用下獲得足夠能量后撞擊分子或原子，使它們電離成離子，再經過吸收極吸出，由初聚焦系統聚成離子束，射向磁分析器。二磁分析器位于高壓端的磁分析器利用不

29、同荷質比的離子在磁場作用下運動軌跡的不同將離子分離，選出所需的雜質離子。被選離子束通過可變狹縫進入加速管。三加速管加速管一端接高壓，一端接地，形成一個靜電場。離子在靜電場作用下，被加速到所需要的能量。四聚焦和掃描系統離子束離開加速管后進入控制區。先由靜電聚焦透鏡使其聚焦，再進行X、Y方向掃描，然后進入偏轉系統，束流被偏轉后注入到靶上。偏轉的目的是為了使束流傳輸過程中產生的中性粒子流不會到達靶上。五靶室和后臺處理系統包括測量電荷的法拉第杯，全自動裝片和卸片機構及控制電流和總電量的微機。離子注入機電器部件很多，為提高控制精度，控制系統全是由電腦操作。六真空系統離子束必須在真空中加速以便積累能量，離

30、子注入機整個就是一個真空系統，通常離子注入機除了有供離子通行的主管道外，還配備一套抽氣設備（真空泵組）、測量設備及其它附屬設備。離子注入機真空度一般要達到（10-510-6）×133.3Pa。下面是現在生產中正在使用的一種進口型號離子注入機，反應腔體和真空系統示意圖：第五節 離子注入的應用離子注入技術迅速發展是半導體器件集成電路發展的需要。它具有一般熱擴散不具備的優勢。一般深結高濃度器件適用擴散工藝；而淺結低濃度對于熱擴散就只能是勉為其難了。而這正是離子注入的強項，它能充分保證結深的一致性、重復性，從而確保器件參數的一致性，尤其是hFE放大對檔率。一離子注入工藝 用于雙極型晶體管制造

31、，可使基區變薄，結電容及發射極電阻變小。因而可以提高截止頻率，增加開關速度，降低微波管的噪聲。二集成注入 邏輯電路（I 2 L）采用離子注入，適當調整發射區、基區濃度分布，可大大提高速度，降低功耗。三用于MOSFET可有效調整開啟電壓；用于自對準摻雜，可減小柵與源漏的電容，提高速度。尤其適于制造短溝道器件。四CMOS電路中應用，可控制開啟，提高速度，降低功耗。五用來制造PN結二極管，可做出分布很陡的PN結，并能嚴格控制結深。六肖特基勢壘二極管采用離子注入，能精確地控制勢壘高度。七在太陽能電池制造中，用磷離子注入到高阻PSi（多晶硅）上產生一層很淺的N+層，有利于少子復合，大大提高能量轉換率。八

32、變容二極管用離子注入制造一個超變結，可以得到各種形狀雜質剖面分布，得到各種CV特性曲線。總而言之，需要嚴格控制雜質濃度和分布的器件，采用離子注入工藝都能得到很大的技術效益。特別應當提出的是，離子注入沒有橫向擴散，因此，用來做細線條分立器件和大面積高集成電路尤為適宜。* * *離子注入與熱擴散現在是半導體器件生產中普遍采用的兩種常規PN結制造工藝。在擴散一章我們已詳盡介紹了有關PN制造中的工藝質量問題，關于離子注入的一些質量要求及質量分析本章就不再贅述。第五章 光刻工藝光刻是一種圖形復印和化學腐蝕相結合的精密表面加工綜合性技術。在平面晶體管和集成電路生產過程中，光刻的目的就是按照器件設計要求，在

33、氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金屬鋁薄膜上面刻蝕出與掩模版完全對應的幾何圖形，以實現選擇性擴散和金屬薄模布線的目的。它先用照相復印的方法將光刻掩模的圖形精確地復印到涂在待刻材料表面的光致抗腐劑（也稱光刻膠）上面，然后在抗蝕劑的保護下對待刻材料進行選擇性刻蝕，從而在待刻材料上得到所需要的圖形。第一節 光刻膠光刻膠是光刻的基礎材料。光刻膠又稱感光膠。一般由感光劑、增感劑和溶劑組成。感光劑是一種對光特別敏感的高分子化合物。當其受到適當波長光的照射時，能吸收一定波長的光能量，使之發生交聯、聚合或分解等化學反應，使光刻膠改變性能。沒有光刻膠就沒有光刻工藝。其質量優劣對光刻工藝質量有很大影響，所以必須選擇和配

34、制盡可能理想的光刻膠。一光刻膠的性能指標光刻膠性能指標主要包括感光度、分辨率、粘附性、抗蝕性、針孔密度、留膜率、穩定性等幾個方面。1感光度感光度是用來表征光刻膠感光性能的。感光度不同，表示對光的敏感程度不同，曝光所需的曝光量不一樣。這就是說，感光度與曝光量成反比。光刻膠的曝光量越小，它的感光度越高。在同一光源、一定光強的情況下，曝光時間越短。2分辨率分辨率是表征光刻精度或清晰度能力的標志之一。它是指用某種光刻膠光刻時所能得到的光刻圖形的最小尺寸。其不僅與光刻膠本身有關，還與光刻工藝條件和操作技術等因素有關。分辨率通常是以每毫米最多可以容納的線條數來表示。3抗蝕性生產上要求光刻膠對酸、堿化學腐蝕

35、液具有良好的抗蝕性能，即能經受住較長時間酸、堿腐蝕液的腐蝕。當然，實際上光刻只有在針孔密度小、粘附性能良好的情況下才能有良好的抗蝕能力。4針孔密度單位面積光刻膠上針孔數稱為針孔密度。如果光刻膠膜上有針孔，腐蝕之后會在二氧化硅等薄膜相應位置上形成針孔，直接影響光刻質量。5粘附力光刻膠與襯底（氧化硅SiO、氮化硅SiN、多晶硅PSi、鋁Al等）之間粘附的牢固程度直接影響到光刻的精度。其不僅與膠有關，還與襯底性質、它的表面狀況有關。如果襯底是SiO2，應要求其表面平整致密、清潔干燥，這才有利于膠的附著。SiO2表面含有高濃度磷(P)雜質，容易出現浮膠或鉆蝕。光刻膠的配比、前烘條件和顯影液的配方等因素

36、也都會對膠的粘附性產生影響。5 留膜率留膜率是指曝光顯影后的非溶性膠膜厚度與曝光前膠膜厚度之比。由于對腐蝕起保護作用的是曝光、顯影后的膠膜，故要求光刻膠有較高的留膜率。留膜率除與膠本身有關，還與工藝條件如膜厚、前烘溫度、曝光氣氛、曝光量以及顯影液成分等因素關系密切。用橢圓偏振儀或其他膜厚測試儀測出顯影前后的光刻膠膜厚度即可算出留膜率。7穩定性光刻膠應當性能穩定，不發生暗反應，雜質含量少，顯影后無殘渣。二光刻膠的種類根據光刻膠在曝光前后溶解特性的變化，可將光刻膠分出兩大類：負性膠和正性膠1負性膠這種膠在曝光前對某些有機溶劑（丙酮、丁酮、環己酮等）是可溶性的。曝光后發生光聚合反應，不再溶于上述有機

37、溶劑。當用它光刻時，在襯底表面得到與光刻掩模版遮光圖案完全相反的圖形，如圖5-1（a），故稱負性膠。2正性膠這種膠在曝光前對某些有機溶劑是不溶的。而曝光后卻變為可溶性的。使用這種膠能得到與掩模版遮光圖案相同的圖形，故稱正性膠。正膠和負膠從性能上講各有千秋。大體說來，負膠抗蝕性好；而正膠分辨率高。開細小的孔，正膠適合；刻細線條宜用負膠。用正膠時，腐蝕工序最好用干法刻蝕，因為正膠抗濕法腐蝕性較差。正膠、負膠特性的比較如下表。表5-1 正膠、負膠性能的比較項目負性膠正性膠化學穩定性穩定稍不穩定感光度高低分辨率稍低高臺階覆蓋不充分充分耐濕法腐蝕良好差粘附性良好差機械強度強弱三光刻膠的配制光刻膠的性能與

38、其配比有關。感光劑、增感劑、溶劑配比的選擇原則是：既要使光刻膠具有良好的抗蝕能力，又要有較高的分辨率。這二者往往是矛盾的。因此應當根據不同光刻對象和要求，適當選取不同的配比，現在生產廠家能提供各種規格的光刻膠，根據不同器件不同要求適當選用就是了。第二節 光刻工藝流程在平面晶體管和集成電路生產中，為了進行定域擴散，形成電極以及元件間的互聯線，制作管芯的硅片必須經過多次光刻。雖然每次光刻的目的要求不同，但其工藝過程基本上是相同的。一般分為涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕、去膠七個工序。一涂膠在圓片表面敷蓋一層光刻膠。涂膠的要求是：膠膜均勻，達到預定的厚度；膠層內無點缺陷（針孔，回濺斑等）；涂層表

39、面沒有塵埃、碎屑等顆粒。光刻膠與襯底間粘附力的大小對光刻質量有極大影響，而對粘附力影響最大的是襯底的表面處理。在真空烘箱中通以HMES或OAP等液體增粘劑的蒸氣，使其與硅表面二氧化硅作用，能提高光刻膠與硅片表面的粘附力。二前烘其目的是促使膠膜體內的溶劑充分揮發使膠膜干燥，以增加膠膜與襯底的粘附性和膠膜的耐磨性。前烘不足，在膠膜與硅片界面處溶劑未充分揮發，曝光時就會阻礙抗蝕劑中分子的交聯，顯影時一部分膠被溶除，造成浮膠或圖形走樣。烘焙過分，會導致膠膜翹曲硬化，該顯除的膠膜殘留造成顯影不干凈或膠面發皺、發黑，失去抗蝕能力。前烘的方式通常有烘箱對流加熱、紅外線輻射加熱或熱板傳導加熱?，F生產中涂膠機上

40、有前后兩塊熱板，涂好膠的硅片進入片架之前自動經過兩塊熱板完成前烘。三對位曝光這是光刻中最關鍵的工序。它直接關系到光刻的分辨率、留膜率、條寬控制和套準精度。影響曝光分辨率和條寬控制的因素很多。如掩模版與光刻膠接觸不良，曝光光線平行不夠，光線與掩模版表面的垂直性不良，光的衍射和散射效應等都將使曝光分辨率下降，條寬控制困難。此外，曝光量和光刻掩模版的質量也會直接影響曝光質量。套刻精度主要由曝光設備決定，曝光光源常用的是高壓汞燈發出的紫外光。四顯影用溶劑去除曝光部分（正膠）或未曝光部分（負膠），在硅片上形成所需的光刻圖形。顯影時影響條寬控制精度的因素主要是顯影時間。對于負膠，時間越長，光刻膠的膨脹程度

41、越重，條寬變化越大。因此，負膠顯影應合理選擇既能保證顯影充分，又不至于使條寬變化過大的顯影條件。對于正膠，已曝光部分的溶蝕速度決定了顯影時間的長短。顯影方式通常有顯影槽內浸漬顯影和顯影機上旋轉噴霧顯影。五后烘后烘也叫堅膜，目的是去除顯影后保留下來的膠層內殘留的溶劑，使腐蝕時膠膜有更好的抗腐性。選擇后烘條件應綜合考慮對粘附性、圖形尺寸精度以及生產效率的因素。后烘方式基本上與前烘相同。六腐蝕目的是去除顯影后裸露出來的介質層，氧化硅、氮化硅、多晶硅、金屬鋁（AL）等。腐蝕應考慮的問題有：腐蝕均勻性、方向性、選擇性、腐蝕速率、公害和安全實施及經濟性等。1濕法腐蝕腐蝕在液相中完成的是濕法腐蝕。下面分不同

42、的腐蝕對象一一介紹：aSiO2腐蝕腐蝕液由HF、NH4F與H2O（純水）按一定比例配成的緩沖溶液。腐蝕溫度一定時，腐蝕速率取決于腐蝕液的配比和SiO2摻雜情況。摻磷（P）濃度越高，腐蝕越快。摻硼（B）相反。SiO2腐蝕速率對溫度最敏感，溫度越高，腐蝕越快。摻磷（P） 的SiO2是磷硅玻璃PSG，如果PSG是長在AL上作鈍化層的，這時采用上述腐蝕液腐蝕會傷及AL層，所以一般采用配方如下的腐蝕液：（HF6%，NH4F30%）：醋酸2：1。bAl腐蝕一般采用磷酸、硝酸、冰醋酸與純水組成的混合腐蝕液。其中磷酸約占80，主要起腐蝕Al的作用。硝酸占15，其與Al反應生成溶于水的硝酸鹽，有了它可提高腐蝕速

43、率，但含量過多會影響光刻膠抗蝕能力。醋酸占10左右，它能降低腐蝕液的表面張力，增加Si片與腐蝕液的浸潤效果，提高腐蝕均勻性，同時具有緩沖作用。純水占5左右。這種腐蝕液可在較低的溫度下使用。c氮化硅的腐蝕也可采用上述氧化硅腐蝕液腐蝕，但速率慢。氮化硅和氧化硅有相反的腐蝕特性。后者濕法腐蝕快，而前者干法腐蝕能有較好的速度和腐蝕質量。2干法腐蝕該腐蝕是在氣相中完成的，故稱干法腐蝕?；瘜W干法腐蝕英文縮寫為CDE，它能克服濕法腐蝕工藝中的不少問題。如鉆蝕、圖形邊緣難于控制；對操作人員身體的危害，化學藥品的處理等。干法腐蝕可改善圖形的分辨率、控制腐蝕圖形剖面，提高成品率，在半導體器件制造中有著廣泛的應用。

44、目前，常用的CDE工藝有等離子腐蝕和反應離子腐蝕兩種。a等離子腐蝕給氣體加上大于臨界值的電場，氣體原子（或分子）產生電離，具有電導性，形成等離子體。這里的電場一般是射頻電場。標準頻率13.56MH，也可以是微波電場，頻率更高，能量更大。產生的等離子體是由電子、正負離子、中性原子、處于激發態的分子以及十分活躍的游離基組成的成分復雜的物質的第四狀態，既非氣體也非液體更不是固體。在CF4中加少量氧氣（58）可以加快腐蝕速率，但是加多了要腐蝕光刻膠降低選擇比。加氧所以能加快刻蝕速率，一方面氧能抑制F*在反應腔壁的損失；另一方面還與下列過程有關：所產生的F*與Si3N4反應，從而加快了腐蝕速率。等離子腐

45、蝕速率除了與射頻功率、反應壓力、裝片多少（負載效應）以及反應氣體流量有關外，還與所用氣體種類有關?？涛g多晶硅用SF6 ; 刻氮化硅用CF4O2;刻氧化硅用CHF3(三氟甲烷)或CF4H2。如果不加H2，腐蝕SiO2時會在表面形成一層屏蔽物妨礙反應繼續進行。有了氫，可以發生還原反應化解這層掩蔽物使反應不斷往下進行。刻蝕氮化硅時，如在反應氣體中添加少量NF3，能夠大大提高刻蝕速率。我們器件制造工藝中要用到厚度高達1.5µm的超厚氮化硅薄膜，工藝是從日本東芝引進的。東芝公司用的刻蝕機是CDEVII型微波高速刻蝕機。我們引進他們的技術，但缺少這種刻蝕設備（當時受“巴統”控制）。恰好這時國內一

46、家氟系特氣生產廠家根據國外資料正在研制新的氣體NF3，于是我們協議，一方免費供氣，一方免費試用，結果獲得成功。就這樣我們用高速刻蝕氣體代替高速刻蝕設備，在這條引進線通線時，打通了氮化硅刻蝕工序。b反應離子刻蝕（RIE）在等離子刻蝕基礎上，對設備和工藝條件作些變更，降低反應氣體壓力，變承片盤陽極為陰極，減少陰極面積（或增大陽極面積），將陽極面積與陰極面積之比提高到2 ：1左右，使到達陰極的正離子具有更高的能量和指向陰極的方向性轟擊被刻蝕介質，從而產生各向異性腐蝕。這就是反應離子刻蝕RIE。腐蝕本身是化學反應，同時又具有電場效應，離子直接轟擊被腐蝕物質是物理作用。RIE的優點是各向異性腐蝕，側向腐

47、蝕少，理論上講不存在側向腐蝕；刻蝕選擇性好；線條邊緣整齊，刻蝕精度可到達亞微米級。七去膠常用的去膠方法有三種：濕法去膠、等離子去膠、通氧去膠。1濕法去膠用3號洗液（SH液，配方是H2SO4: H2O2=3:1）浸泡，對非金屬襯底上的膠進行濕法去除。用有機去膠劑，如J-100、OMR502、OMR83等對金屬襯底濕法去膠。2等離子去膠原理同等離子刻蝕，腐蝕氣體用O2。等離子體中的活化氧使有機物在50100度溫度下（設備不一定直接加熱）很快氧化，生成CO2、CO和H2O等揮發性成分，從而達到去膠目的。其優點是操作安全簡便，環境污染少，生產效率高。3通氧去膠在450530的爐內通入大流量的氧氣，使光

48、刻膠被氧化，生成H2O、CO2等揮發性氧化物而被氧氣流帶出爐管。缺點是溫度較高，污染較重。我們曾試驗用N2O代替O2進行等離子去膠和通氧去膠，結果由于N2O通常情況下比O2穩定，通氧去膠速率不及用O2，但N2O是雙元素分子（離解能1.68ev），比單元素雙原子分子O2離解能（5.12ev）低得多，所以其用在等離子去膠及等離子刻蝕時工藝速率比用O2要高。由于笑氣（N2O）在一般情況下比氧氣穩定而電離時卻又有較高的離解率，所以在用PECVD等離子工藝淀積生長氧化硅時就用N2O，而不用O2。第三節 光刻設備從光刻工藝過程中可以看出，光刻設備應包括：涂膠機、烘片烘箱、對位曝光機（光刻機）、顯影槽（采用

49、噴淋顯影時，需要顯影機）、腐蝕槽和去膠槽。如干法腐蝕和去膠，則需要等離子刻蝕機和等離子去膠臺。涂膠前為使光刻膠與硅片有很好的粘附，硅片先進烘箱進行預烘處理，同時通入增粘劑AOP液或HMDS液蒸氣。這種烘箱需要是真空烘箱，但真空度不是很高。前烘是直接在涂膠機（或稱勻膠機“通道”）上的兩只熱板上完成的。后烘（堅膜）用普通烘箱不抽真空通N2保護。涂膠機：為了保證光刻質量，涂膠機應置于超凈（100級）環境中工作。涂膠方法有浸涂法、噴涂法和旋轉法等。生產中普遍使用自動涂膠機。上料、傳片、吸片、滴膠、旋轉勻膠、前烘、下料完全自動操作。自動涂膠機有單通道、雙通道、三通道等機型。過去講的涂布擴散源的涂膠機，后

50、面將要講的聚酰亞胺涂膠機，和這里的涂膠機完全是一種裝置。噴霧式顯影裝置工作原理和機構，與自動涂膠機大同小異；只是滴光刻膠變成噴淋顯影液。光刻機是光刻工藝中主要設備，它是一種專用設備，也是一種精密光學儀器。對光刻機的基本要求是有良好的對準裝置，即具有精密的微調和壓緊機械系統，以及一個合適的光學觀察系統。等離子刻蝕和等離子去膠機，外形各異。但除了輸入的反應氣體不盡相同。目的不一樣而外，設備的結構方框是完全相同的。去膠機功率大，去膠時間長，為減少等離子損傷，硅片不直接放在兩極板之間的等離子場內。前面提到的CDE-VII型微波等刻機類似，也是先在一個腔體內產生等離子體，再導入反應腔對硅片實施刻蝕。等離

51、子刻蝕和等離子去膠設備都由以下幾個部分組成：機械泵加羅茨泵構成的真空抽氣系統；反應氣體供氣系統；加熱和冷卻系統；射頻或微波功率源；程序運行控制系統以及終端監測裝置等。事實上，不僅等離子刻蝕、等離子去膠，后面將要講的等離子淀積設備也是以上幾大塊組成。我們在一條引進的生產線通線時，沒有等離子刻蝕機，等刻氮化硅就是在等離子淀積臺上完成的。第四節 光刻質量及控制光刻工藝是半導體制造關鍵工藝之一，光刻質量好壞決定著器件的性能、成品率和可靠性。通常光刻質量要求是：*光刻圖形完整，尺寸精確，邊緣整齊，線條陡直。*圖形內無小島，不染色，刻蝕干凈。*硅片表面清潔，不發花，沒有殘留被腐蝕物質。*圖形套合十分準確。

52、光刻工藝是十分精密和細致的工作。影響其質量的因素是多方面的，主要包括光刻膠、曝光方式，以及刻蝕方法等。具體工藝質量表現在以下內容當中。 一。分辨率影響分辨率的因素通常有以下幾個方面：1。光刻掩模版與光刻膠膜的接觸。若接觸不好，哪怕只有幾微米的不平度，就足以影響光刻精度。接觸不良的原因一般有硅片高溫處理后產生的彎曲；硅片上有凸狀物或灰塵；光刻膠膜的厚度不夠或定位設備不良等。2。曝光的平行度。曝光光線通過透鏡應成平行光束，并與掩模版和膠膜表面垂直。否則光刻圖形產生變形或圖形模糊而影響分辨率。3。掩模版的質量。掩模版套準精度直接影響光刻的精度。掩模版圖形邊緣過薄也會使分辨率下降。4。光刻膠膜厚度和質

53、量。在不影響光刻質量的前提下，盡量使膠稀一些，干燥后膠膜較薄，這可提高分辨率。采取過濾方法去除膠中固體雜質微粒，也是提高分辨率的一個有效措施。5。小圖形引起的光衍射。光線通過細小間隙的圖形邊緣會引起衍射現象，使應遮蔽部分的膠膜感光，顯影后會留下一層薄的膠膜，在腐蝕時形成遞減過度區，影響分辨率。6曝光時間的影響。由于光的衍射和散射，曝光時間越長，分辨率越低；但曝光不足則光聚合不充分，也影響分辨率。7。襯底反射的影響。由于鋁膜反射比SiO2強，光刻鋁膜和氧化膜分辨率不同。除了曝光工序外，顯影和腐蝕也影響分辨率。掩模版的分辨率，光刻膠的性能等也都有關。 二。針孔針孔是指在腐蝕后，在SiO2或鋁膜上，

54、留有針尖狀小孔，一般為微米量級。1。針孔的存在會使SiO2掩蔽失效。若針孔在PN結上會破壞PN結的電流和電壓特性，使反向漏電流增大，擊穿電壓降低。若光刻引線孔時留下針孔，會導致不該連線的區域相互連接，造成短路或漏電流增大。2。產生針孔的原因和消除方法大致如下：a。光刻掩模版質量不好。b。涂敷光刻膠時操作環境中灰塵污染。c。光刻膠涂敷太薄，或光刻膠抗蝕性太差。d。曝光時間沒有控制好。曝光時間短，光刻膠交聯不充分；曝光時間過 長，膜層發生皺皮，使掩蔽失效，這些都會造成針孔。e。腐蝕液配比選擇不當。氫氟酸過量，腐蝕速率過快，也會形成較多針孔。f。擴散氧化后，硅片表面上有凸狀物。減少或消除針孔，應當針

55、對以上產生原因逐一尋求解決辦法。加強光刻版的檢驗，光刻及涂膠，必須在超凈環境下進行。膠膜厚薄、曝光時間、腐蝕液配比均要選擇得當，擴散氧化后硅片表面要保持清潔光亮，平整無異物突出。在顯影前采用二次涂膠或顯影后烘烤一下再涂膠，再用另一塊相同圖形的版套刻一次；也可以在蒸鋁前采用低溫淀積生長一層氧化硅換掩模版套刻再蒸鋁。三。小島1。小島對器件的影響。小島指應該刻除氧化層進行擴散的區域內，留有局部細小區域的氧化層。小島的存在妨礙了該區域的正常擴散，導致器件反向漏電增大、擊穿電壓低、特性不正常。例如光刻基區時，若有小島留在發射區位置上，發射區擴散后會使集電結和發射結間反向電流變大、擊穿特性變壞，甚至發生兩

56、極間（發射極E和集電極C）短路。2。產生原因和消除方法a。光刻掩模版上有針孔。b。顯影不干凈。c。腐蝕液不純，特別是沾有灰塵等污物。減少或消除小島，應采取針對性措施。對光刻版進行修改或調換新版，適當增加顯影時間；保持腐蝕液的純潔度。此外同樣可以采取兩次套刻的辦法，將第一次光刻留下的小島光刻掉。四。浮膠浮膠是指應該有膠的地方，在顯影或腐蝕時發生脫落現象，因此也稱脫膠。這樣就使該區域的氧化層或鋁層也被腐蝕掉，光刻圖形遭到破壞，成為廢品。造成浮膠的主要原因是硅片表面不干凈，影響了膠與硅片的粘附性。浮膠常在顯影和腐蝕時發生。1。顯影時浮膠。顯影時硅片表面膠膜皺起呈桔皮狀，或膠膜大片剝離，形成顯影浮膠。產生的原因：a。涂膠前硅片表面不清潔，或沾有油污水汽等。b。光刻膠配制不當或膠液陳舊，膠的光