第3章IC制造工藝3.1外延生長3.2掩膜制作3.3光刻3.4刻蝕3.5摻雜3.6絕緣層形成3.7金屬層形成1第3章IC制造工藝3.1外延生長3.23.1外延生長(Epitaxy)外延生長的目的半導(dǎo)體工藝流程中的基片是拋光過的晶圓基片,直經(jīng)在50到200mm(2-8英寸)之間,厚度約幾百微米.盡管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上,但大多數(shù)器件和IC都做在經(jīng)過外延生長的襯底上.原因是未外延過的基片性能常常不能滿足要求.外延的目的是用同質(zhì)材料形成具有不同的摻雜種類及濃度,因而具有不同性能的晶體層.外延也是制作不同材料系統(tǒng)的技術(shù)之一.外延生長后的襯底適合于制作有各種要求的器件與IC,且可進行進一步處理.不同的外延工藝可制出不同的材料系統(tǒng).23.1外延生長(Epitaxy)外延生長的目的2液態(tài)生長(LPE:LiquidPhaseEpitaxy)LPE意味著在晶體襯底上用金屬性的溶液形成一個薄層。在加熱過的飽和溶液里放上晶體,再把溶液降溫,外延層便可形成在晶體表面。原因在于溶解度隨溫度變化而變化。LPE是最簡單最廉價的外延生長方法.在III/IV族化合物器件制造中有廣泛的應(yīng)用.但其外延層的質(zhì)量不高.盡管大部分AlGaAs/GaAs和InGaAsP/InP器件可用LPE來制作,目前,LPE逐漸被VPE,MOCVD,MBE法代替.3液態(tài)生長(LPE:LiquidPhaseEpitaxy氣相外延生長

(VPE:VaporPhaseEpitaxy)VPE是指所有在氣體環(huán)境下在晶體表面進行外延生長的技術(shù)的總稱。在不同的VPE技術(shù)里，鹵素(Halogen)傳遞生長法在制作各種材料的沉淀薄層中得到大量應(yīng)用。任何把至少一種外延層生成元素以鹵化物形式在襯底表面發(fā)生鹵素析出反應(yīng)從而形成外延層的過程都可歸入鹵素傳遞法，它在半導(dǎo)體工業(yè)中有尤其重要的地位。用這種方法外延生長的基片，可制作出很多種器件，如GaAs，GaAsP，LED管。GaAs微波二極管，大部分的Si雙極型管，LSI及一些MOS邏輯電路等。4氣相外延生長

(VPE:VaporPhaseEpitaSi基片的鹵素生長外延在一個反應(yīng)爐內(nèi)的SiCl4/H2系統(tǒng)中實現(xiàn)：在水平的外延生長爐中，Si基片放在石英管中的石墨板上，SiCl4，H2及氣態(tài)雜質(zhì)原子通過反應(yīng)管。在外延過程中，石墨板被石英管周圍的射頻線圈加熱到1500-2000度，在高溫作用下，發(fā)生SiCl4+2H2

Si+4HCl

的反應(yīng)，釋放出的Si原子在基片表面形成單晶硅，典型的生長速度為0.5~1

m/min.5Si基片的鹵素生長外延在一個反應(yīng)爐內(nèi)的SiCl4/H2系統(tǒng)中金屬有機物氣相外延生長

（MOVPE:MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）III-V材料的MOVPE中，所需要生長的III，V族元素的源材料以氣體混和物的形式進入反應(yīng)爐中已加熱的生長區(qū)里，在那里進行熱分解與沉淀反應(yīng)。MOVPE與其它VPE不同之處在于它是一種冷壁工藝，只要將襯底控制到一定溫度就行了。6金屬有機物氣相外延生長

（MOVPE:Metalorgan分子束外延生長

(MBE:MolecularBeamEpitaxy)MBE在超真空中進行，基本工藝流程包含產(chǎn)生轟擊襯底上生長區(qū)的III，V族元素的分子束等。MBE幾乎可以在GaAs基片上生長無限多的外延層。這種技術(shù)可以控制GaAs，AlGaAs或InGaAs上的生長過程，還可以控制摻雜的深度和精度達納米極。經(jīng)過MBE法，襯底在垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化具有特殊的物理屬性。MBE的不足之處在于產(chǎn)量低。7分子束外延生長

(MBE:MolecularBeam英國VGSemicom公司型號為V80S-Si的MBE設(shè)備關(guān)鍵部分照片8英國VGSemicom公司型號為V80S-Si的MBE設(shè)備3.2掩膜(Mask)的制版工藝1.掩膜制造從物理上講,任何半導(dǎo)體器件及IC者是一系列互相聯(lián)系的基本單元的組合,如導(dǎo)體,半導(dǎo)體及在基片上不同層上形成的不同尺寸的隔離材料等.要制作出這些結(jié)構(gòu)需要一套掩膜。一個光學(xué)掩膜通常是一塊涂著特定圖案鉻薄層的石英玻璃片，一層掩模對應(yīng)一塊IC的一個工藝層。工藝流程中需要的一套掩膜必須在工藝流程開始之前制作出來。制作這套掩膜的數(shù)據(jù)來自電路設(shè)計工程師給出的版圖。93.2掩膜(Mask)的制版工藝1.掩膜制造9什么是掩膜？掩膜是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片，表面上涂一層600

800?厚的Cr層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板，Crmask。10什么是掩膜？掩膜是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片，表面上涂一

整版及單片版掩膜整版按統(tǒng)一的放大率印制，因此稱為1X掩膜。這種掩膜在一次曝光中，對應(yīng)著一個芯片陣列的所有電路的圖形都被映射到基片的光刻膠上。單片版通常把實際電路放大5或10倍，故稱作5X或10X掩膜。這樣的掩膜上的圖案僅對應(yīng)著基片上芯片陣列中的一個單元。上面的圖案可通過步進曝光機映射到整個基片上。11整版及單片版掩膜整版按統(tǒng)一的放大率印制，因此稱為1X掩膜。早期掩膜制作方法：人們先把版圖(layout)分層畫在紙上,每一層mask一種圖案.畫得很大,50

50cm2

或100

100cm2,貼在墻上,用照相機拍照.然后縮小10

20倍,變?yōu)?

5

2.5x2.5cm2

或10

10

5

5cm2的精細底片.這叫初縮.將初縮版裝入步進重復(fù)照相機,進一步縮小到2

2cm2或3.5

3.5cm2,一步一幅印到鉻(Cr)板上,形成一個陣列.12早期掩膜制作方法：人們先把版圖(layout)分層畫在紙上,IC、Mask&Wafer圖3.213IC、Mask&Wafer圖3.213整版和接觸式曝光在這種方法中,掩膜和晶圓是一樣大小的.對應(yīng)于3”

8”晶圓,需要3”

8”掩膜.不過晶圓是圓的,掩膜是方的這樣制作的掩膜圖案失真較大,因為版圖畫在紙上,熱脹冷縮,受潮起皺,鋪不平等初縮時,照相機有失真步進重復(fù)照相,同樣有失真從mask到晶圓上成像,還有失真.14整版和接觸式曝光在這種方法中,掩膜和晶圓是一樣大小的.對2.圖案發(fā)生器方法

(PG:PatternGenerator)在PG法中,規(guī)定layout的基本圖形為矩形.任何版圖都將分解成一系列各種大小、不同位置和方向的矩形條的組合.每個矩形條用5個參數(shù)進行描述:(X,Y,A,W,H)圖3.3152.圖案發(fā)生器方法

(PG:PatternGener圖案發(fā)生器方法(續(xù))利用這些數(shù)據(jù)控制下圖所示的一套制版裝置。圖3.416圖案發(fā)生器方法(續(xù))利用這些數(shù)據(jù)控制下圖所示的一套制版裝置。3.X射線制版由于X射線具有較短的波長。它可用來制作更高分辨率的掩膜版。X-ray掩膜版的襯底材料與光學(xué)版不同，要求對X射線透明，而不是可見光或紫外線，它們常為Si或Si的碳化物。而Au的沉淀薄層可使得掩膜版對X射線不透明。X射線可提高分辨率，但問題是要想控制好掩膜版上每一小塊區(qū)域的扭曲度是很困難的。173.X射線制版由于X射線具有較短的波長。它可用來制作4.電子束掃描法(E-BeamScanning)采用電子束對抗蝕劑進行曝光，由于高速的電子具有較小的波長。分辨率極高。先進的電子束掃描裝置精度50nm，這意味著電子束的步進距離為50nm，轟擊點的大小也為50nm184.電子束掃描法(E-BeamScanning)采用電子電子束光刻裝置:LEICAEBPG5000+圖3.519電子束光刻裝置:LEICAEBPG5000+圖3.51電子束制版三部曲：1)涂抗蝕劑2)電子束曝光,曝光可用精密掃描儀，電子束制版的一個重要參數(shù)是電子束的亮度，或電子的劑量。3)顯影:用二甲苯。二甲苯是一種較柔和的有弱極性的顯影劑，顯像速率大約是MIBK/IPA的1/8，用IPA清洗可停止顯像過程。20電子束制版三部曲：1)涂抗蝕劑20電子束掃描法(續(xù))電子束掃描裝置的用途:

制造掩膜和直寫光刻。電子束制版的優(yōu)點：

高精度電子束制版的缺點：

設(shè)備昂貴 制版費用高21電子束掃描法(續(xù))電子束掃描裝置的用途:213.3光刻(Lithography)在IC的制造過程中，光刻是多次應(yīng)用的重要工序。其作用是把掩膜上的圖型轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)構(gòu)。223.3光刻(Lithography)在IC的制造過程3.3.1光刻步驟一、晶圓涂光刻膠：清洗晶圓，在200

C溫度下烘干1小時。目的是防止水汽引起光刻膠薄膜出現(xiàn)缺陷。待晶圓冷卻下來，立即涂光刻膠。光刻膠有兩種：正性(positive)與負性(negative)。正性膠顯影后去除的是經(jīng)曝光的區(qū)域的光刻膠，負性膠顯影后去除的是未經(jīng)曝光的區(qū)域的光刻膠。正性膠適合作窗口結(jié)構(gòu),如接觸孔,焊盤等，而負性膠適用于做長條形狀如多晶硅和金屬布線等。常用OMR83,負片型。光刻膠對大部分可見光靈敏，對黃光不靈敏，可在黃光下操作。再烘晶圓再烘，將溶劑蒸發(fā)掉，準(zhǔn)備曝光233.3.1光刻步驟一、晶圓涂光刻膠：23正性膠與負性膠光刻圖形的形成24正性膠與負性膠光刻圖形的形成24涂光刻膠的方法(見下圖)：光刻膠通過過濾器滴入晶圓中央，被真空吸盤吸牢的晶圓以2000

8000轉(zhuǎn)/分鐘的高速旋轉(zhuǎn)，從而使光刻膠均勻地涂在晶圓表面。圖3.625涂光刻膠的方法(見下圖)：光刻膠通過過濾器滴入晶圓中央，被真光刻步驟二、三、四二、曝光:

光源可以是可見光,紫外線,X射線和電子束。光量，時間取決于光刻膠的型號，厚度和成像深度。三、顯影:晶圓用真空吸盤吸牢，高速旋轉(zhuǎn)，將顯影液噴射到晶圓上。顯影后，用清潔液噴洗。四、烘干:將顯影液和清潔液全部蒸發(fā)掉。26光刻步驟二、三、四二、曝光:光源可以是可見光,紫外線,X3.3.2曝光方式1.接觸式曝光方式中，把掩膜以0.05

0.3ATM的壓力壓在涂光刻膠的晶圓上，曝光光源的波長在0.4

m左右。圖3.7273.3.2曝光方式1.接觸式曝光方式中，把掩膜以0.0曝光系統(tǒng)(下圖):點光源產(chǎn)生的光經(jīng)凹面鏡反射得發(fā)散光束，再經(jīng)透鏡變成平行光束，經(jīng)45

折射后投射到工作臺上。圖3.828曝光系統(tǒng)(下圖):點光源產(chǎn)生的光經(jīng)凹面鏡反射得發(fā)散光束，再接觸式曝光方式的圖象偏差問題原因:光束不平行，接觸不密有間隙舉例:

，y+2d=10

m,則有(y+2d)tg

=0.5

m圖3.929接觸式曝光方式的圖象偏差問題原因:光束不平行，接觸不密有間隙掩膜和晶圓之間實現(xiàn)

理想接觸的制約因素掩膜本身不平坦，晶圓表面有輕微凸凹，掩膜和晶圓之間有灰塵。30掩膜和晶圓之間實現(xiàn)

理想接觸的制約因素掩膜本身不平坦，30接觸式曝光方式的掩膜磨損問題掩膜和晶圓每次接觸產(chǎn)生磨損，使掩膜可使用次數(shù)受到限制。31接觸式曝光方式的掩膜磨損問題掩膜和晶圓每次接非接觸式光刻

接近式接近式光刻系統(tǒng)中，掩膜和晶圓之間有20

50

m的間隙。這樣，磨損問題可以解決。但分辨率下降，當(dāng)

時，無法工作。這是因為，根據(jù)惠更斯原理，如圖所示，小孔成像，出現(xiàn)繞射，圖形發(fā)生畸變。圖3.1032非接觸式光刻接近式圖3.1032縮小投影曝光系統(tǒng)工作原理:水銀燈光源通過聚光鏡投射在掩膜上。掩膜比晶圓小，但比芯片大得多。在這個掩膜中，含有一個芯片或幾個芯片的圖案，稱之為母版，即reticle。光束通過掩膜后，進入一個縮小的透鏡組，把reticle上的圖案，縮小5~10倍，在晶圓上成像。33縮小投影曝光系統(tǒng)工作原理:33縮小投影曝光系統(tǒng)(示意圖)圖3.1134縮小投影曝光系統(tǒng)(示意圖)圖3.1134縮小投影曝光系統(tǒng)的特點由于一次曝光只有一個Reticle上的內(nèi)容，也就是只有一個或幾個芯片，生產(chǎn)量不高。由于一次曝光只有一個或幾個芯片，要使全部晶圓面積曝光，就得步進。步進包括XY工作臺的分別以芯片長度和寬度為步長的移動和Reticle內(nèi)容的重復(fù)曝光。投影方式分辨率高，且基片與掩膜間距較大,不存在掩膜磨損問題。35縮小投影曝光系統(tǒng)的特點由于一次曝光只有一個Reticle上的3.4刻蝕(Eching)

刻蝕的作用: 制作不同的器件結(jié)構(gòu)，如線條、接觸孔、臺式晶體管、凸紋、柵等。被刻蝕的材料: 半導(dǎo)體，絕緣體，金屬等。刻蝕的兩種方法：

濕法和干法363.4刻蝕(Eching)刻蝕的作用:36濕法刻蝕首先要用適當(dāng)(包含有可以分解表面薄層的反應(yīng)物)的溶液浸潤刻蝕面，然后清除被分解的材料.。如SiO2在室溫下可被HF酸刻蝕。許多基本結(jié)構(gòu)，如。濕法刻蝕在VLSI制造中的問題:接觸孔的面積變得越來越小,抗蝕材料層中的小窗口會由于毛細作用而使得接觸孔不能被有效的浸潤。是被分解的材料不能被有效的從反應(yīng)區(qū)的小窗口內(nèi)清除出來。37濕法刻蝕首先要用適當(dāng)(包含有可以分解表面薄層的反應(yīng)物)的溶液干法刻蝕

—等離子體刻蝕,反應(yīng)離子刻蝕RIE

RIE發(fā)生在反應(yīng)爐中，基片(晶圓)被放在一個已被用氮氣清洗過的托盤上，然后，托盤被送進刻蝕室中，在那里托盤被接在下方的電極上。刻蝕氣體通過左方的噴口進入刻蝕室。RIE的基板是帶負電的。正離子受帶負電的基板吸引，最終以近乎垂直的方向射入晶體，從而使刻蝕具有良好的方向性。圖3.1238干法刻蝕

—等離子體刻蝕,反應(yīng)離子刻蝕RIERIE發(fā)3.5摻雜3.5.1摻雜目的、原理和過程摻雜的目的是以形成特定導(dǎo)電能力的材料區(qū)域,包括N型或P型半導(dǎo)體層和絕緣層。是制作各種半導(dǎo)體器件和IC的基本工藝。經(jīng)過摻雜，原材料的部分原子被雜質(zhì)原子代替。材料的導(dǎo)電類型決定于雜質(zhì)的化合價摻雜可與外延生長同時進行，也可在其后，例如，雙極性硅IC的摻雜過程主要在外延之后，而大多數(shù)GaAs及InP器件和IC的摻雜與外延同時進行。393.5摻雜3.5.1摻雜目的、原理和過程393.5.2熱擴散摻雜熱擴散是最早也是最簡單的摻雜工藝，主要用于Si工藝。施主雜質(zhì)用P，As，Sb，受主雜質(zhì)可用B。要減少少數(shù)載流子的壽命，也可摻雜少量的Au。Si02隔離層常被用作熱擴散摻雜的掩膜。擴散過程中，溫度與時間是兩個關(guān)鍵參數(shù)。在生產(chǎn)雙極型硅IC時，至少要2次摻雜，一次是形成基區(qū)，另一次形成發(fā)射區(qū)。在基片垂直方向上的摻雜濃度變化對于器件性能有重要意義。403.5.2熱擴散摻雜熱擴散是最早也是最簡單的摻雜工3.5.3離子注入法離子注入技術(shù)是20世紀(jì)50年代開始研究，70年代進入工業(yè)應(yīng)用階段的。隨著VLSI超精細加工技術(shù)的進展，現(xiàn)已成為各種半導(dǎo)體攙雜和注入隔離的主流技術(shù)。413.5.3離子注入法離子注入技術(shù)是20世紀(jì)50年代離子注入機包含離子源，分離單元，加速器，偏向系統(tǒng)，注入室等。離子注入機圖3.1442離子注入機包含離子源，分離單元，加速器，偏向系統(tǒng)，注離子注入機工作原理首先把待攙雜物質(zhì)如B，P，As等離子化，利用質(zhì)量分離器(MassSeperator)取出需要的雜質(zhì)離子。分離器中有磁體和屏蔽層。由于質(zhì)量，電量的不同，不需要的離子會被磁場分離，并且被屏蔽層吸收。通過加速管，離子被加速到一個特定的能級，如10

500keＶ。通過四重透鏡，聚成離子束，在掃描系統(tǒng)的控制下，離子束轟擊在注入室中的晶圓上。在晶圓上沒有被遮蓋的區(qū)域里，離子直接射入襯底材料的晶體中，注入的深度取決于離子的能量。最后一次偏轉(zhuǎn)(deflect)的作用是把中性分離出去faradaycup的作用是用來吸收雜散的電子和離子．43離子注入機工作原理首先把待攙雜物質(zhì)如B，P，As等離子化，4注入法的優(yōu)缺點優(yōu)點：摻雜的過程可通過調(diào)整雜質(zhì)劑量及能量來精確的控制，雜質(zhì)分布的均勻。可進行小劑量的摻雜。可進行