IC集成電路設(shè)計(jì)工藝流程

1、集成電路設(shè)計(jì)工藝流程晶體的生長(zhǎng) 晶體切片成  wafer 晶圓制作 功能設(shè)計(jì)à模塊設(shè)計(jì)à電路設(shè)計(jì)à版圖設(shè)計(jì)à制作光罩 工藝流程    1)  表面清洗      晶圓表面附著一層大約 2um 的 Al2O3 和甘油混合液保護(hù)之 , 在制作前必須進(jìn)行化學(xué)刻蝕和表面清洗。    2)  初次氧化        有熱氧化法生成 SiO2  緩沖層，用來(lái)減小后續(xù)中 Si3N4 對(duì)晶圓的應(yīng)力 氧化

2、技術(shù) 干法氧化  Si( 固 ) + O2  à  SiO2( 固 ) 濕法氧化  Si( 固 ) +2H2O  à  SiO2( 固 ) + 2H2 干法氧化通常用來(lái)形成，柵極二氧化硅膜，要求薄，界面能級(jí)和固定電荷密度低的薄膜。干法氧化成膜速度慢于濕法。濕法氧化通常用來(lái)形成作為器件隔離用的比較厚的二氧化硅膜。當(dāng) SiO2 膜較薄時(shí)，膜厚與時(shí)間成正比。 SiO2 膜變厚時(shí)，膜厚與時(shí)間的平方根成正比。因而，要形成較   厚的 SiO2 膜，需要較長(zhǎng)的氧化時(shí)間

3、。 SiO2 膜形成的速度取決于經(jīng)擴(kuò)散穿過(guò) SiO2 膜到達(dá)硅表面的 O2 及 OH 基等氧化劑的數(shù)量的多少。濕法氧化時(shí)，因在于 OH 基在 SiO2 膜中的擴(kuò)散系數(shù)比 O2 的大。氧化反應(yīng)， Si  表面向深層移動(dòng)，距離為 SiO2 膜厚的 0.44 倍。因此，不同厚度的 SiO2 膜，去除后的 Si 表面的深度也不同。 SiO2 膜為透明，通過(guò)光干涉來(lái)估計(jì)膜的厚度。這種干涉色的周期約為 200nm ，如果預(yù)告知道是幾次干涉，就能正確估計(jì)。對(duì)其他的透明薄膜，如知道其折射率，也可用公式計(jì)算出 (d SiO2) / (d ox) =&#

4、160;(n ox) / (n SiO2) 。 SiO2 膜很薄時(shí)，看不到干涉色，但可利用 Si 的疏水性和 SiO2 的親水性來(lái)判斷 SiO2 膜是否存在。也可用干涉膜計(jì)或橢圓儀等測(cè)出。 SiO2 和 Si 界面能級(jí)密度和固定電荷密度可由 MOS 二極管的電容特性求得。 (100) 面的 Si 的界面能級(jí)密度最低，約為 10E+10 -  10E+11/cm  2 .e V -1  數(shù)量級(jí)。 (100) 面時(shí)，氧化膜中固定電荷較多，固定電荷密度的大小成為左右閾值的主要因素。

5、    3) CVD(Chemical Vapor deposition) 法沉積一層 Si3N4(Hot CVD 或 LPCVD) 。      1  常壓 CVD (Normal Pressure CVD)     NPCVD 為最簡(jiǎn)單的 CVD 法，使用于各種領(lǐng)域中。其一般裝置是由 (1) 輸送反應(yīng)氣體至反應(yīng)爐的載氣體精密裝置； (2) 使反應(yīng)氣體原料氣化的反應(yīng)氣體氣化室； (3) 反應(yīng)爐； (4) 反應(yīng)后的氣體回收裝置

6、等所構(gòu)成。其中中心部分為反應(yīng)爐，爐的形式可分為四個(gè)種類，這些裝置中重點(diǎn)為如何將反應(yīng)氣體均勻送入，故需在反應(yīng)氣體的流動(dòng)與基板位置上用心改進(jìn)。當(dāng)為水平時(shí)，則基板傾斜；當(dāng)為縱型時(shí)，著反應(yīng)氣體由中心吹出，且使基板夾具回轉(zhuǎn)。而汽缸型亦可同時(shí)收容多數(shù)基板且使夾具旋轉(zhuǎn)。為擴(kuò)散爐型時(shí)，在基板的上游加有混和氣體使成亂流的裝置。    2  低壓 CVD (Low Pressure CVD)       此方法是以常壓 CVD  為基本，欲改善膜厚與相對(duì)阻抗值及生產(chǎn)所創(chuàng)出的方法。主要特征： (1

7、) 由于反應(yīng)室內(nèi)壓力減少至 10-1000Pa 而反應(yīng)氣體，載氣體的平均自由行程及擴(kuò)散常數(shù)變大，因此，基板上的膜厚及相對(duì)阻抗分布可大為改善。反應(yīng)氣體的消耗亦可減少； (2) 反應(yīng)室成擴(kuò)散爐型，溫度控制最為簡(jiǎn)便，且裝置亦被簡(jiǎn)化，結(jié)果可大幅度改善其可靠性與處理能力 ( 因低氣壓下，基板容易均勻加熱 ) ，因基可大量裝荷而改善其生產(chǎn)性。    3  熱 CVD (Hot CVD)/(thermal CVD)     此方法生產(chǎn)性高，梯狀敷層性佳 ( 不管多凹凸不平，深孔中的表面亦產(chǎn)生反應(yīng)，及氣體可到達(dá)表面而附著

8、薄膜 ) 等，故用途極廣。膜生成原理，例如由揮發(fā)性金屬鹵化物 (MX) 及金屬有機(jī)化合物 (MR) 等在高溫中氣相化學(xué)反應(yīng) ( 熱分解，氫還原、氧化、替換反應(yīng)等 ) 在基板上形成氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、高熔點(diǎn)金屬、金屬、半導(dǎo)體等薄膜方法。因只在高溫下反應(yīng)故用途被限制，但由于其可用領(lǐng)域中，則可得致密高純度物質(zhì)膜，且附著強(qiáng)度極強(qiáng)，若用心控制，則可得安定薄膜即可輕易制得觸須 ( 短纖維 ) 等，故其應(yīng)用范圍極廣。熱 CVD 法也可分成常壓和低壓。低壓 CVD 適用于同時(shí)進(jìn)行多片基片的處理，壓力一般控制在 0.25-2.0Torr 之間。作為柵電極的多晶硅通常利用 HCVD 法將 Si

9、H4 或 Si2H 。氣體熱分解（約 650 oC ）淀積而成。采用選擇氧化進(jìn)行器件隔離時(shí)所使用的氮化硅薄膜也是用低壓 CVD 法，利用氨和 SiH4  或 Si2H6 反應(yīng)面生成的，作為層間絕緣的 SiO2 薄膜是用 SiH4 和 O2 在 400 -4500 oC 的溫度下形成 SiH4 + O2 -SiO2 + 2H2  或是用 Si(OC2H5)4 (TEOS: tetra   ethoxy   silanc ) 和

10、O2 在 750 oC 左右的高溫下反應(yīng)生成的，后者即采用 TEOS 形成的 SiO2 膜具有臺(tái)階側(cè)面部被覆性能好的優(yōu)點(diǎn)。前者，在淀積的同時(shí)導(dǎo)入 PH3  氣體，就形成   磷硅玻璃（ PSG ：  phosphor   silicate  glass ）再導(dǎo)入 B2H6 氣體就形成 BPSG(borro   phosphor  silicate  glass) 膜。這兩種薄膜材料，高溫下的流動(dòng)性好，廣泛用來(lái)作為表面平坦性好的層間絕緣膜。    4  電漿

11、增強(qiáng)  CVD (Plasma Enhanced CVD)     NPCVD  法及 LPCVD  法等皆是被加熱或高溫的表面上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成薄膜。 PECVD 是在常壓 CVD 或 LPCVD 的反應(yīng)空間中導(dǎo)入電漿 ( 等離子體 ) ，而使存在于空間中的氣體被活化而可以在更低的溫度下制成薄膜。激發(fā)活性物及由電漿中低速電子與氣體撞擊而產(chǎn)生。 光  CVD (Photo CVD) PECVD  使薄膜低溫化，且又產(chǎn)生如 A-Si 般的半導(dǎo)體元件。但由于

12、薄膜制作中需考慮： (1) 在除去高溫 (HCVD) 及 PECVD 時(shí)摻入元件中的各種缺陷 ( 如 PECVD 中帶電粒子撞擊而造成的損傷 ) ； (2) 不易制作的元件 ( 不純物剖面 ) ，不希望在后面受到工程高溫處理被破壞，因此希望可于低溫中被覆薄膜。 PCVD 是解決這此問(wèn)題的方法之一。   遇熱分解時(shí)，因加熱使一般分子的并進(jìn)運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部自由度被激發(fā) ( 激發(fā)了分解時(shí)不需要的自由度 ) ，相對(duì)的，在 PCVD  中，只直接激發(fā)分解必須的內(nèi)部自由度，并提供活化物促使分解反應(yīng)。故可望在低溫下制成幾無(wú)損傷的薄膜且因光的聚焦及掃描可直接描繪細(xì)線或蝕刻。  

13、0; 5 MOCVD (Metal Organic  CVD) & 分子磊晶成長(zhǎng) (Molecular Beam Epitaxy)     CVD  技術(shù)另一重要的應(yīng)用為 MOCVD ，此技術(shù)與 MBE(Molecular Beam Epitaxy)  同為： (1) 成長(zhǎng)極薄的結(jié)晶； (2) 做多層構(gòu)造； (3) 多元混晶的組成控制； (4) 目標(biāo)為化合物半導(dǎo)體的量產(chǎn)。此有裝置有下列特征： (1) 只需有一處加熱，裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單

14、，量產(chǎn)裝置容易設(shè)計(jì)； (2) 膜成長(zhǎng)速度因氣體流量而定，容易控制； (3) 成長(zhǎng)結(jié)晶特性可由閥的開(kāi)頭與流量控制而定； (4) 氧化鋁等絕緣物上可有磊晶成長(zhǎng)； (5) 磊晶成長(zhǎng)可有選擇，不會(huì)被刻蝕。相反地亦有： (1) 殘留不純物雖已改善，但其殘留程度極高； (2) 更希望再進(jìn)一步改良對(duì)結(jié)晶厚度的控制； (3) 所用反應(yīng)氣體中具有引火性、發(fā)水性，且毒性強(qiáng)的氣體極多； (4) 原料價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。 多層布線間的層間絕緣膜的沉積，以及最后一道工序的芯片保護(hù)膜的沉積必須在低溫下 (450 C  以下 ) 下進(jìn)行，以免損傷鋁布線。等離子 CVD  法就是為此而發(fā)明的一種方法

15、。    6  外延生長(zhǎng)法 (LPE)     外延生長(zhǎng)法 (epitaxial growth) 能生長(zhǎng)出和單晶襯底的原子排列同樣的單晶薄膜。在雙極型集成電路中，為了將襯底和器件區(qū)域隔離 ( 電絕緣 ) ，在 P 型襯底上外延生長(zhǎng) N 型單晶硅層。在 MOS 集成電路中也廣泛使用外延生長(zhǎng)法，以便容易地控制器件的尺寸，達(dá)到器件的精細(xì)化。此時(shí)，用外延生長(zhǎng)法外延一層雜質(zhì)濃度低 ( 約 10 15 cm-3) 的供形成的單晶層、襯底則為高濃度的基片，以降低電阻，達(dá)到基極電位穩(wěn)定的目的。 LPE 可以在平面或非平面

16、襯底生長(zhǎng)、能獲得十分完善的結(jié)構(gòu)。 LPE 可以進(jìn)行摻雜，形成 n- 和 p- 型層，設(shè)備為通用外延生長(zhǎng)設(shè)備，生長(zhǎng)溫度為 300 oC-900 oC ，生長(zhǎng)速率為 0.2um-2um/min ，厚度 0.5um-100um ，外延層的外貌決定于結(jié)晶條件，并直接獲得具有絨面結(jié)構(gòu)表面外延層。    4)  涂敷光刻膠      光刻制造過(guò)程中，往往需采用 20-30 道光刻工序，現(xiàn)在技術(shù)主要采有紫外線 ( 包括遠(yuǎn)紫外線 ) 為光源的光刻技術(shù)。光刻工序包括翻版圖形掩膜制造，硅基片表面光刻膠的涂敷、預(yù)烘、曝光、顯影、后烘、腐

17、蝕、以及光刻膠去除等工序。 (1) 光刻膠的涂敷      在涂敷光刻膠之前，將洗凈的基片表面涂上附著性增強(qiáng)劑或?qū)⒒旁诙栊詺怏w中進(jìn)行熱處理。這樣處理是為了增加光刻膠與基片間的粘附能力，防止顯影時(shí)光刻膠圖形的脫落以及防止?jié)穹ǜg時(shí)產(chǎn)生側(cè)面腐蝕 (side etching) 。光刻膠的涂敷是用轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時(shí)間可自由設(shè)定的甩膠機(jī)來(lái)進(jìn)行的。首先、用真空吸引法將基片吸在甩膠機(jī)的吸盤(pán)上，將具有一定粘度的光刻膠滴在基片的表面，然后以設(shè)定的轉(zhuǎn)速和時(shí)間甩膠。由于離心力的作用，光刻膠在基片表面均勻地展開(kāi)，多余的光刻膠被甩掉，獲得一定厚度的光刻膠膜，光刻膠的膜厚是

18、由光刻膠的粘度和甩膠的轉(zhuǎn)速來(lái)控制。所謂光刻膠，是對(duì)光、電子束或 X 線等敏感，具有在顯影液中溶解性的性質(zhì)，同時(shí)具有耐腐蝕性的材料。一般說(shuō)來(lái)，正型膠的分辯率高，而負(fù)型膠具有高感光度以及和下層的粘接性能好等   特點(diǎn)。光刻工藝精細(xì)圖形 ( 分辯率，清晰度 ) ，以及與其他層的圖形有多高的位置吻合精度 ( 套刻精度 ) 來(lái)決定，因此有良好的光刻膠，還要有好的曝光系統(tǒng)。     (2) 預(yù)烘  (pre bake)      因?yàn)橥糠蠛玫墓饪棠z中含有溶劑，所以要在 80C 左右的烘箱中在惰性氣體環(huán)境下預(yù)

19、烘 15-30 分鐘，去除光刻膠中的溶劑。    (3) 曝光      將高壓水銀燈的 g 線 (l=436 nm), i 線 (l=365nm) 通過(guò)掩模照射在光刻膠上，使光刻膠獲得與掩模圖形同樣的感光圖形。根據(jù)曝光時(shí)掩模的光刻膠的位置關(guān)系，可分為接觸式曝光、接近式曝光和投影曝光三種。而投影曝光又可分為等倍曝光和縮小曝光。縮小曝光的分辯率最高，適宜用作加工，而且對(duì)掩模無(wú)損傷，是較常用的技術(shù)。縮小曝光將掩模圖形縮小為原圖形的 1/5-1/10 ，這種場(chǎng)合的掩模被稱為掩模原版 (reticle) 。使用透鏡的曝光裝

20、置，其投影光學(xué)系統(tǒng)的清晰度 R 和焦深 D  分別用下式表示： R=k1 /NA  D=k2 /(NA) 2      曝光波長(zhǎng) NA  透鏡的數(shù)值孔徑 k1 、 k2  為與工藝相關(guān)的參數(shù)， k1(0.6-0.8), k2(0.5)        由此可知：要提高清晰度 (R 變小 ) ，必須縮短波長(zhǎng)，加大透鏡數(shù)值孔徑。隨著曝光波長(zhǎng)的縮短，清晰度得到改善，但是焦深卻變短，對(duì)光刻膠表面平坦度提出了更嚴(yán)格的要求，這是一個(gè)很大的缺

21、點(diǎn)。通常采用的高壓水銀燈，還有比高壓水銀燈 I-line 波長(zhǎng)短的遠(yuǎn)紫外線準(zhǔn)分子激光器 (excimer laser, KrF:248nm,ArF:193nm) 為曝光光源。為了   解決上述所提到的缺點(diǎn)，用比光的波長(zhǎng)更短的 X 線 (l=1-10nm) 作為曝光光源，技術(shù)上有很大的進(jìn)展，利用 X 線和電子束進(jìn)行光刻時(shí)，其焦深較深，對(duì)表面平坦度沒(méi)有苛刻的要求。        接近式曝光技術(shù)為光罩掩模與基板相互靠近保持較近的間隙 (gap) ，以 UV 光由 MASK 側(cè)面照射，將圖案投射在基板上對(duì)光阻進(jìn)行

22、曝光。一般而言，光罩尺寸較基板大，所以圖案將以 1:1 的大小轉(zhuǎn)印到光阻上，此方法精度較所常用的步進(jìn)機(jī) (stepper, 能輸出一定頻率和波長(zhǎng)的光線 ) 或鏡像投影 (Mirror Projection) 來(lái)得差，但其優(yōu)點(diǎn)為產(chǎn)量 (throughput) 大，設(shè)備便宜。在光學(xué)系統(tǒng)中，大型的準(zhǔn)直鏡 (collimate mirror)( 球面或非球面 ) 對(duì)轉(zhuǎn)刻精度影響最大，以日前制作水準(zhǔn)而言，傾斜角 (declination angle) 約可以做到  + -0.3 以內(nèi)。若傾斜角過(guò)大，則基片邊緣的圖案將與光罩設(shè)計(jì)的位置有所差別，將影響到 t

23、otal pitch( 圖案實(shí)際長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的誤差容忍值 ) 的誤差。而一般接近式曝光技術(shù)解析度與光罩及基板的間隙和光的波長(zhǎng)有關(guān)。隨著基片的增大，光罩也隨之增大，由于光罩本身的重量會(huì)使得光罩中間部分向下彎曲。如果彎曲程度得到控制，利用光線反射原理的檢測(cè) ( 類似光的薄膜干涉 ) 來(lái)推算光罩與基板的距離。光罩精密對(duì)位技術(shù)，此對(duì)位技術(shù)可分為兩部分，一部分利用 CCD (charge coupled device) 將光罩上及基板上的記號(hào)重疊后做圖像分析處理，即可知目前的對(duì)位情形，再配合另一部分可精確移動(dòng)的對(duì)準(zhǔn)臺(tái) (alignment stage)

24、 ，控制其 X,Y 方向及角度的位移。溫度的管理，因光罩與基板兩者膨脹系數(shù)不同，同一特定溫度下，光照的影響將會(huì)造成誤差。光罩的溫度控制方法是利用經(jīng)過(guò)溫控后的潔凈空氣吹向光罩表面使光罩全面的溫度分布均勻，而對(duì)基板是利用溫控后的水流承載基板的基臺(tái)來(lái)控制。          就曝光系統(tǒng)而言，所使用的 UV 光源為 10kw 的超高水銀燈，經(jīng)過(guò)橢圓鏡，多層鍍膜反射鏡等光學(xué)系統(tǒng)后投射在光罩及光刻膠上，為了使投射光有良好的均一性及平行度以增加曝光精度，在光學(xué)系統(tǒng)中通常會(huì)使用 Fly eye lens 及大型的球面鏡。

25、以超高水銀燈所發(fā)出的 UV 而言主，強(qiáng)度有三個(gè)峰值分別為 g-line(436nm),h-line(406nm),i-line(365nm) ，其中正型光阻對(duì) g-line 及 h-line 較敏感， i-line 通常對(duì)負(fù)膠有較好的曝光效率。由于為了不使 UV 光的強(qiáng)度下降，光學(xué)系統(tǒng)中所使用的鏡光學(xué)為合成的石英所制，多層鍍膜的鏡片也被設(shè)計(jì)成增加 UV 區(qū)的反射率。    (4) 顯影        將顯影液全面地噴在光刻膠上，或?qū)⑵毓夂蟮臉悠陲@影液中幾十秒鐘，則正型光刻膠的曝光部分 ( 或負(fù)膠的未曝光部分 )

26、 被溶解。顯影后的圖形精度受顯影液的濃度，溫度以及顯影的時(shí)間等影響。顯影后用純水清洗。    (5) 后烘  (post bake)       為使殘留在光刻膠中的有機(jī)物溶液完全揮發(fā)，提高光刻膠和基片的粘接性及光刻膠的耐腐蝕能力，通常將基片在 120- 200 oC 溫度下烘干 20   30  分鐘。    (6) 腐蝕  (etching) 經(jīng)過(guò)上述工序后，以復(fù)制到光刻膠上的集成電路的圖形作為掩模，對(duì)下層的材料進(jìn)行腐蝕。

27、腐蝕技術(shù)是利用化學(xué)腐蝕法把材料的某一部分去除的技術(shù)。腐蝕技術(shù)分為兩大類：濕法腐蝕進(jìn)行腐蝕的化學(xué)物質(zhì)是溶液；干法腐蝕 ( 一般稱刻蝕 ) 進(jìn)行的化學(xué)物質(zhì)是氣體。    1  濕法腐蝕，采用溶液進(jìn)行的腐蝕是一種各向同性腐蝕。因而，光刻膠掩模下面的薄膜材料，在模方向上也隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而受到腐蝕，因此，出現(xiàn)與掩模圖形不一致的現(xiàn)象，不適用于精細(xì)化工藝。但濕法腐蝕具有設(shè)備便宜，被腐蝕速度與光刻膠的腐蝕速度之比 ( 選擇比 ) 大，對(duì)腐蝕表面無(wú)污染，無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，適用于非精細(xì)化圖形的加工。典型的 SiO2 膜的腐蝕為稀釋的 HF 溶液或 HF 、氟化氨混合液 ( 也稱緩沖氫氟酸

28、液 ) ，氮化硅膜的腐蝕液為 180 oC 左右的熱磷酸；鋁的腐蝕液為磷酸溶液 ( 磷酸：醋酸：硝酸 =250 ： 20 ： 3,55 + - 5 oC 。    2  干法腐蝕 干法刻蝕分為各向同性刻蝕和各向異性刻蝕兩種，采用等離子進(jìn)行刻蝕是各向同性的典型。在光刻膠去膠裝置中，氧的等離子體和光刻膠反應(yīng)形成 H2O 和 CO2 氣體。此時(shí)，作為反應(yīng)基的氧原子團(tuán)與光刻膠進(jìn)行各向同性反應(yīng)。精細(xì)圖形進(jìn)行各向異性很強(qiáng)的干法刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)性離子刻蝕 (RIE:reactive ion etching)

29、是一種典型的例子。 RIE 是利用離子誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)離子還起著去除表面生成物露出清潔的刻蝕表面的作用。但是，這種刻蝕法不能獲得高的選擇比，刻蝕表面的損傷大，有污染，難以形成更精細(xì)的圖形。作為替代技術(shù)是能量低，高真空狀態(tài)下也具有高密度的電子回旋共振等離子設(shè)備的開(kāi)發(fā)。對(duì)于柵電極材料的多晶硅 (polysilicon) 來(lái)說(shuō)，它的刻蝕條件必須具備相對(duì)于下層 10nm 左右的柵極 SiO2 膜層有高的選擇比。而 SiO2 的刻蝕條件又必須相對(duì)于單晶硅和多晶硅都有高的選擇比。作為布線材料的鋁合金，表面有牢固的三氧化二鋁薄膜，必須先以強(qiáng)濺射條件將其去除后再開(kāi)始刻蝕，在鋁刻蝕以后，要去除表面殘留在鋁薄膜

30、上的氯化物，以免刻蝕鋁布線。 3  同步輻射 (SOR  ： synchrotron orbital radiation)X 線光刻技術(shù) SOR 是在電子沿著加速器的圓形儲(chǔ)存環(huán)以光的速度前進(jìn)時(shí)，其前進(jìn)的軌道因磁場(chǎng)而彎曲，在軌道切線方向上放射出的光，同步加速輻射光源是一個(gè)指向性好，強(qiáng)度大的理想的 X 線源。    (7)  光刻膠的去除     經(jīng)腐蝕完成圖形復(fù)制以后，再用剝離液去除光刻膠，完成整個(gè)光刻工序?？梢杂脽o(wú)機(jī)溶液如硫酸或干式臭氧燒除法將光阻去除。    5) 

31、; 此處用干法氧化法將氮化硅去除   6)  離子布植將硼離子  (B+3)  透過(guò) SiO2 膜注入襯底，形成 P 型阱 1  離子注入法是利用電場(chǎng)加速雜質(zhì)離子，將其注入硅襯底中的方法。離子注入法的特點(diǎn)是可以精密地控制擴(kuò)散法難以得到的低濃度雜質(zhì)分布。 MOS 電路制造中，器件隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截?cái)?，調(diào)整閥值電壓用的溝道摻雜， CMOS 的阱形成及源漏區(qū)的形成，要采用離子注入法來(lái)?yè)诫s。離子注入法通常是將欲摻入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)在離子源中離子化，然后將通過(guò)質(zhì)量分析磁極后選定了離子進(jìn)行加速，注入基片中。此時(shí)，雜質(zhì)的注入量可通過(guò)測(cè)量流過(guò)基片的

32、電流大小來(lái)正確控制。離子由基片的表面到停止，形成了近似的高斯分布。設(shè) Rp 為投影射程， Rp 為其的標(biāo)準(zhǔn)偏差， Q 為注入量，注入的離子分布 C(x)       其中 Rp ， Rp 的大小與雜質(zhì)的種類，加速電壓的大小有關(guān)以及基片的材料。此外，有縱向的標(biāo)準(zhǔn)偏差 Rp ，同樣也有橫向偏差 Re 。離子注入時(shí)，通常采用光刻膠和 SiO2 作掩模，掩模厚度以不使雜質(zhì)穿透為原則。離子束的注入角度通常偏離基片法線 7 oC 左右，以防止發(fā)生溝道效應(yīng)  ( 即離子不與原子碰撞而直接進(jìn)入基片深層 ) 。離子注入后，要在 800-100

33、0 oC 的高溫下進(jìn)行熱處理 ( 即退火處理 ) ，以使離子注入時(shí)產(chǎn)生的結(jié)晶損傷得到恢復(fù)，同時(shí)為了防止硅表面的污染。通常要在注入?yún)^(qū)表面形成薄薄的 SiO2 層，雜質(zhì)離子透過(guò)這層 SiO2 進(jìn)行注入。 硅和鍺半導(dǎo)體材料經(jīng)高度提純后，其原子排列已變成非常整齊的晶體狀態(tài)，稱為單晶體也稱本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素如磷 (P)  、銻  (Sb)  、砷  (As)  等，因?yàn)殡s質(zhì)的濃度很小  (10 8 個(gè)硅或鍺原子中摻入一個(gè)磷原子 ) ，所以雜質(zhì)被   晶格中的主原子所包圍。摻入的五價(jià)

34、雜質(zhì)，它的四個(gè)價(jià)電子與其相鄰的四個(gè)主原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，第五個(gè)價(jià)電子不能形成共價(jià)鍵而變成自由電子。因?yàn)樗杏嗟淖杂呻娮?，所以五價(jià)雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)，摻雜為 N 型半導(dǎo)體。而摻雜三價(jià)雜質(zhì)，則會(huì)因缺少一個(gè)價(jià)電子而形成一個(gè)空位，摻雜為 P 型半導(dǎo)體。 7)  去除光刻膠，放高溫爐中進(jìn)行退火處理   以消除晶圓中晶格缺陷和內(nèi)應(yīng)力，以恢復(fù)晶格的完整性。使植入的摻雜原子擴(kuò)散到替代位置，產(chǎn)生電特性。并使原先的 SiO2 膜厚度增加，達(dá)到阻止下一步中 n 型雜質(zhì)注入 P 型阱中。    1  擴(kuò)散技術(shù)     向半導(dǎo)體中摻雜的

35、方法有擴(kuò)散和離子注入法。擴(kuò)散法是將摻雜氣體導(dǎo)入放有硅片的高溫爐，將雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)一種方法。優(yōu)點(diǎn)是批量生產(chǎn)，獲得高濃度摻雜。雜質(zhì)擴(kuò)散有兩道工序：預(yù)擴(kuò)散 (  又稱預(yù)淀積  Predeposition )  和主擴(kuò)散  ( drive in ) 。 預(yù)擴(kuò)散工序是在硅表面較淺的區(qū)域中形成雜質(zhì)的擴(kuò)散分布，這種擴(kuò)散分布中，硅表面雜質(zhì)濃度的大小是由雜質(zhì)固溶度來(lái)決定的。 主擴(kuò)散工序是將預(yù)擴(kuò)散時(shí)形成的擴(kuò)散分布進(jìn)一步向深層推進(jìn)的熱處理工序。雜質(zhì)的擴(kuò)散濃度取決于與溫度有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù) D 的大小和擴(kuò)散時(shí)間的長(zhǎng)短。硅集成電路工藝中，往往

36、采用硼作為 P 型雜質(zhì)，磷作為 N 型雜質(zhì)。它們固溶度高，均 10 20 cm  3 。除此之外，還使用砷和銻等系數(shù)小的雜質(zhì)，這對(duì)于不希望產(chǎn)生雜質(zhì)再分布的場(chǎng)合是有效的。雜質(zhì)擴(kuò)散層的基本特性參數(shù)是方塊電阻 RF 和結(jié)果 Xj 。 RF 可用四探針測(cè)量法。 Xj 可用傾斜研磨  (Angle lapping)  和染色  (staining)  法， ( 如用 HF ： H3PO4 = 1 ： 6  使 P 層黑化 ) ，或擴(kuò)展電阻 ( spreading resist

37、ance)  法來(lái)進(jìn)行評(píng)估。傾斜研磨后，經(jīng)侵蝕的酸溶液蝕刻，將 guttering 后集積在晶片下半部的析出物凸顯出來(lái)，顯現(xiàn)出密度的軌跡，而在靠晶片的表面附近出現(xiàn)   一段空泛區(qū)，經(jīng)過(guò)角度換算，約 20um 。    8) 用熱磷酸去除氮化硅層，摻雜磷  (P+5)  離子，形成 N 型阱   9)  退火處理，然后用 HF 去除 SiO2 層   10)  干法氧化法生成一層 SiO2 層，然后 LPCVD 沉積一層氮化硅   此時(shí) P 阱的表面因 SiO2 層的生長(zhǎng)與刻蝕已低于 N

38、 阱的表面水平面。這里的 SiO2 層和氮化硅的作用與前面一樣。接下來(lái)的步驟是為了隔離區(qū)和柵極與晶面之間的隔離層。    11)  利用光刻技術(shù)和離子刻蝕技術(shù)，保留下柵隔離層上面的氮化硅層   12)  濕法氧化，生長(zhǎng)未有氮化硅保護(hù)的 SiO2 層，形成 PN 之間的隔離區(qū)   13)  熱磷酸去除氮化硅，然后用 HF 溶液去除柵隔離層位置的 SiO2 ，并重新生成品質(zhì)更好的 SiO2 薄膜 ,  作為柵極氧化層。 14) LPCVD  沉積多晶硅層，然后涂敷光阻進(jìn)行光刻，以及等離子蝕刻技術(shù)，柵

39、極結(jié)構(gòu)，并氧化生成 SiO2 保護(hù)層。   15)  表面涂敷光阻，去除 P 阱區(qū)的光阻，注入砷  (As)  離子，形成 NMOS 的源漏極。用同樣的方法，在 N 阱區(qū)，注入 B 離子形成 PMOS 的源漏極。   16)  利用 PECVD  沉積一層無(wú)摻雜氧化層，保護(hù)元件，并進(jìn)行退火處理。   17)  沉積摻雜硼磷的氧化層   含有硼磷雜質(zhì)的 SiO2 層，有較低的熔點(diǎn)，硼磷氧化層 (BPSG) 加熱到 800 oC 時(shí)會(huì)軟化并有流動(dòng)特性，可使晶圓表面初級(jí)平坦化。 18)

40、60; 濺鍍第一層金屬   利用光刻技術(shù)留出金屬接觸洞，濺鍍   鈦 + 氮化鈦 + 鋁 + 氮化鈦等多層金屬膜。離子刻蝕出布線結(jié)構(gòu)，并用 PECVD 在上面沉積一層 SiO2 介電質(zhì)。并用 SOG (spin on glass)  使表面平坦，加熱去除 SOG 中的溶劑。然后再沉積一層介電質(zhì)，為沉積第二層金屬作準(zhǔn)備。    1  薄膜的沉積方法根據(jù)其用途的不同而不同，厚度通常小于 1um 。有絕緣膜、半導(dǎo)體薄膜、金屬薄膜等各種各樣的薄膜。薄膜的沉積法主要有利用化學(xué)反應(yīng)的 CVD(chemical vapor deposition) 法以及物理現(xiàn)象的 PVD(physical vapor deposition) 法兩大類。 CVD 法有外延生長(zhǎng)法、 HCVD ， PECVD 等。 PVD 有濺射法和真空蒸發(fā)法。一般而言， PVD 溫度低，沒(méi)有毒氣問(wèn)題； CVD 溫度高，需達(dá)到