3-集成电路基本工艺.ppt

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1、集成电路设计基础集成电路设计基础第三章第三章 集成电路制造工艺集成电路制造工艺华南理工大学华南理工大学华南理工大学华南理工大学 电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥 教授教授教授教授第第第第3 3章章章章 ICIC制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺3.1 外延生外延生长3.2 掩膜制作掩膜制作 3.3 光刻原理与流程光刻原理与流程3.4 氧化氧化3.5 淀积与刻蚀淀积与刻蚀3.6 掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺2 关关心心每每一一步步工工艺艺对对器器件件性性能能的的影影响响，

2、读读懂懂P PD DK K，挖挖掘掘工工艺艺潜潜力力。3.1 3.1 3.1 3.1 外延生长外延生长外延生长外延生长(Epitaxy)(Epitaxy)外延生外延生长的目的的目的半半导体体工工艺流流程程中中的的基基片片是是抛抛光光过的的晶晶圆基基片片,直直径径在在5050到到300mm(2-12300mm(2-12英寸英寸)之之间,厚度厚度约几百微米几百微米.外延的目的外延的目的用同用同质材料形成具有不同的材料形成具有不同的掺杂种种类及及浓度度,因而具有不因而具有不同性能的晶体同性能的晶体层.外延也是制作不同材料系外延也是制作不同材料系统的技的技术之一之一.外延生外延生长后的后的衬底适合于制

3、作有各种要求的器件与底适合于制作有各种要求的器件与IC,IC,且可且可进行行进一步一步处理理.不同的外延工不同的外延工艺可制出不同的材料系可制出不同的材料系统.31.1.1.1.液态生长液态生长液态生长液态生长(LPE:Liquid Phase Epitaxy)LPE:Liquid Phase Epitaxy)LPE:Liquid Phase Epitaxy)LPE:Liquid Phase Epitaxy)LPE：在在晶晶体体衬底底上上用用金金属属性性溶溶液液形形成成一一个个薄薄层。在在加加热过的的饱和和溶溶液液里里放放上上晶晶体体,再再把把溶溶液液降降温温,外外延延层便便可可形形成成在在晶

4、晶体体表表面面。原原因因在在于于溶溶解解度度随随温度温度变化而化而变化。化。LPE是是最最简单最最廉廉价价的的外外延延生生长方方法法.在在III/IV族族化化合合物物器器件件制制造造中中有有广广泛泛的的应用用.但但其其外外延延层的的质量量不不高高.尽尽管管大大部部分分AlGaAs/GaAs和和InGaAsP/InP器器件件可可用用LPE来来制制作作,目目前前,LPE逐逐渐被被VPE,MOVPE（金属有机物）（金属有机物）,MBE(分子束）法代替分子束）法代替.42.2.2.2.气相外延生长气相外延生长气相外延生长气相外延生长(VPE:VPE:VPE:VPE:Vapor Phase Epitax

5、y Vapor Phase Epitaxy)VPE是指所有在气体是指所有在气体环境下在晶体表面境下在晶体表面进行外延生行外延生长的的技技术的的总称。在不同的称。在不同的VPE技技术里，里，卤素素(Halogen)传递生生长法在制作各种材料的沉淀薄法在制作各种材料的沉淀薄层中得到大量中得到大量应用。用。任何把至少一种外延任何把至少一种外延层生成元素以生成元素以卤化物形式在化物形式在衬底表底表面面发生生卤素析出反素析出反应从而形成外延从而形成外延层的的过程都可程都可归入入卤素素传递法，它在半法，它在半导体工体工业中有尤其重要的地位（中有尤其重要的地位（卤化化反反应）。用）。用这种方法外延生种方法外

6、延生长的基片，可制作出很多种的基片，可制作出很多种器件，如器件，如GaAs，GaAsP，LED管管，GaAs微波二极管，微波二极管，大部分的大部分的Si双极型管，双极型管，LSI及一些及一些MOS逻辑电路等。路等。5SiSiSiSi基片的卤素生长外延基片的卤素生长外延基片的卤素生长外延基片的卤素生长外延在在一一个个反反应炉炉内内的的SiClSiCl4 4/H/H2 2系系统中中实现：在在水水平平的的外外延延生生长炉炉中中，SiSi基基片片放放在在石石英英管管中中的的石石墨墨板板上上，SiClSiCl4 4，H H2 2及及气气态杂质原原子子通通过反反应管管。在在外外延延过程程中中，石石墨墨板板

7、被被石石英英管管周周围的的射射频线圈圈加加热到到 1500-20001500-2000度度，在在 高高 温温 作作 用用 下下，发 生生SiClSiCl4 4+2H+2H2 2Si+4HClSi+4HCl 的的反反应，释放放出出的的SiSi原原子子在在基基片片表表面面形形成成单晶晶硅硅，典典型型的的生生长速速度度为0.51 m/min.63.3.3.3.金属有机物气相外延生长金属有机物气相外延生长金属有机物气相外延生长金属有机物气相外延生长（MOVPE:MOVPE:MOVPE:MOVPE:Metalorganic Vapor Phase Epitaxy Metalorganic Vapor P

8、hase Epitaxy）III-V-V材材料料的的MOVPEMOVPE中中，所所需需要要生生长的的III，V V族族元元素素的的源源材材料料以以气气体体混混和和物物的的形形式式进入入反反应炉炉中中已已加加热的的生生长区区里里，在在那那里里进行行热分分解与沉淀反解与沉淀反应。MOVPEMOVPE与与其其它它VPEVPE不不同同之之处在在于于它它是是一一种种冷冷壁工壁工艺，只要将，只要将衬底控制到一定温度就行了。底控制到一定温度就行了。74.4.分子束外延生长分子束外延生长分子束外延生长分子束外延生长 (MBE:Molecular Beam Epitaxy)MBE:Molecular Beam

9、Epitaxy)MBEMBE在在超超真真空空中中进行行，基基本本工工艺流流程程包包含含产生生轰击衬底底上上生生长区区的的III，V V族族元元素素的的分分子子束束等等。MBEMBE几几乎乎可可以以在在GaAsGaAs基基片片上上生生长无无限限多多的的外外延延层。这种种技技术可可以以控控制制GaAsGaAs，AlGaAsAlGaAs或或InGaAsInGaAs上上的的生生长过程程，还可可以以控控制制掺杂的的深深度度和和精精度度达达到到纳米米极极。经过MBEMBE法法，衬底底在在垂垂直直方方向向上上的的结构构变化化具具有有特殊的物理属性。特殊的物理属性。MBEMBE的不足之的不足之处在于在于产量低

10、。量低。89英国VG Semicom公司型号为V80S-Si的MBE设备关键部分照片 实物实物第第第第3 3章章章章 ICIC制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺3.1 外延生外延生长3.2 掩膜制作掩膜制作 3.3 光刻原理与流程光刻原理与流程3.4 氧化氧化3.5 淀积与刻蚀淀积与刻蚀3.6 掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺10 关关心心每每一一步步工工艺艺对对器器件件性性能能的的影影响响，读读懂懂P PD DK K，挖挖掘掘工工艺艺潜潜力力。3.2 3.2 3.2 3.2 掩膜掩膜掩膜掩膜(Mask)Mask)Mask)Mask)的制版工艺的制版工艺的制版工艺的制版工艺1.1.掩膜制造掩膜制造从

11、从物物理理上上讲,任任何何半半导体体器器件件及及ICIC都都是是一一系系列列互互相相联系系的的基基本本单元元的的组合合,如如导体体,半半导体体及及在在基基片片上上不不同同层上上形形成成的的不不同同尺尺寸寸的的隔隔离离材材料料等等。要要制制作作出出这些些结构构需需要要一一套套掩掩膜膜。一一个个光光学学掩掩膜膜通通常常是是一一块涂涂着着特特定定图案案铬薄薄层的的石石英英玻玻璃璃片片，一一层掩掩膜膜对应一一块ICIC的的一一个个工工艺层。工工艺流流程程中中需需要要的的一一套套掩掩膜膜必必须在在工工艺流流程程开开始始之之前前制制作作出出来来。制制作作这套套掩掩膜膜的的数据来自数据来自电路路设计工程工程

12、师给出的版出的版图。11120 0.18.18 mm工艺结构工艺结构工艺结构工艺结构什么是掩膜？什么是掩膜？什么是掩膜？什么是掩膜？掩掩膜膜是是用用石石英英玻玻璃璃做做成成的的均均匀匀平平坦坦的的薄薄片片，表表面面上上涂涂一一层600 800nm厚厚的的Cr层，使使其其表表面光面光洁度更高。称之度更高。称之为铬板，板，Cr mask。13 整版及单片版掩膜整版及单片版掩膜整版及单片版掩膜整版及单片版掩膜整整版版按按统一一的的放放大大率率印印制制，因因此此称称为1 1X X掩掩膜膜。这种种掩掩膜膜在在一一次次曝曝光光中中，对应着着一一个个芯芯片片阵列列的的所所有有电路路的的图形都被映射到基片的光

13、刻胶上。形都被映射到基片的光刻胶上。单片片版版通通常常把把实际电路路放放大大5 5或或1010倍倍，故故称称作作5 5X X或或1010X X掩掩膜膜。这样的的掩掩膜膜上上的的图案案仅对应着着基基片片上上芯芯片片阵列列中中的的一一个个单元元。上上面面的的图案案可可通通过步步进曝曝光光机机映映射射到到整个基片上。整个基片上。14早期掩膜制作早期掩膜制作早期掩膜制作早期掩膜制作方法方法方法方法人人们先先把把版版图(layout)分分层画画在在纸上上,每每一一层掩掩膜膜有有 一一 种种 图 案案。画画 得得 很很 大大,50 50 cm2 或或100 100cm2,贴在在墙上上,用用照照相相机机拍拍

14、照照。然然后后缩小小10 20倍倍,变为5 5 2.5x2.5 cm2 或或10 10 5 5 cm2的精的精细底片底片。这叫初叫初缩。将将初初缩版版装装入入步步进重重复复照照相相机机,进一一步步缩小小到到2 2 cm2或或3.5 3.5 cm2,一一步步一一幅幅印印到到铬(Cr)板板上上,形形成一个成一个阵列列。1516WaferIC、Mask&Wafer整版和整版和整版和整版和接触式接触式接触式接触式曝曝曝曝光光光光在在这种方法中种方法中,掩膜和晶掩膜和晶圆是一是一样大小的大小的.对应于于3”8”晶晶圆,需要需要3”8”掩膜掩膜.不不过晶晶圆是是圆的的,掩膜掩膜是方的是方的这样制作的掩膜制

15、作的掩膜图案失真案失真较大大,因因为版版图画在画在纸上上,热胀冷冷缩,受潮起受潮起皱,铺不平等不平等初初缩时,照相机有失真照相机有失真步步进重复照相重复照相,同同样有失真有失真从从mask到晶到晶圆上成像上成像,还有失真有失真172.2.图案发生器方法图案发生器方法图案发生器方法图案发生器方法(PG:Pattern Generator)PG:Pattern Generator)在在PG法法中中,规定定layout的的基基本本图形形为矩矩形形.任任何何版版图都都将将分分解解成成一一系系列列各各种种大大小小、不不同同位位置置和和方方向向的的矩矩形形条条的的组合合.每每个个矩矩形形条条用用5个参数个

16、参数进行描述行描述:(X,Y,A,W,H)18图案发生器方法图案发生器方法图案发生器方法图案发生器方法(续续续续)利用利用这些数据控制下些数据控制下图所示的一套所示的一套制版制版装置。装置。193.X3.X3.X3.X射线制版射线制版射线制版射线制版 由由于于X X射射线具具有有较短短的的波波长。它它可可用用来来制制作作更更高高分分辨辨率率的的掩掩膜膜版版。X-rayX-ray掩掩膜膜版版的的衬底底材材料料与与光光学学版版不不同同，要要求求对X X射射线透透明明，而而不不是是可可见光光或或紫紫外外线，它它们常常为SiSi或或SiSi的的碳碳化化物物。而而AuAu的的沉沉淀淀薄薄层可可使使得得掩

17、掩膜膜版版对X X射射线不不透透明明。X X射射线可可提提高高分分辨辨率率，但但问题是是要要想想控控制制好好掩掩膜膜版版上上每每一一小小块区区域域的的扭扭曲曲度度是是很很困困难的。的。204.4.电子束扫描法电子束扫描法电子束扫描法电子束扫描法(E-Beam Scanning)E-Beam Scanning)采采用用电子子束束对抗抗蚀剂进行行曝曝光光，由由于于高高速速的的电子子具具有有较小小的的波波长，分分辨辨率率极极高高。先先进的的电子子束束扫描描装装置置精精度度5050nmnm，这意意味味着着电子子束束的的步步进距距离离为5050nmnm，轰击点的大小也点的大小也为5050nmnm。21电

18、子束光刻装置电子束光刻装置电子束光刻装置电子束光刻装置:LEICA EBPG5000+:LEICA EBPG5000+22电子束制版电子束制版电子束制版电子束制版三部曲三部曲三部曲三部曲1)1)涂抗涂抗蚀剂,抗抗蚀剂采用采用PMMA.PMMA.2)2)电子束曝光子束曝光,曝光可用精密曝光可用精密扫描描仪，电子束制版子束制版的一个重要参数是的一个重要参数是电子束的亮度，或子束的亮度，或电子的子的剂量。量。3)3)显影影:用二甲苯。二甲苯是一种用二甲苯。二甲苯是一种较柔和的有弱极柔和的有弱极性的性的显影影剂，显像速率大像速率大约是是MIBK/IPAMIBK/IPA的的1/81/8，用用IPAIPA

19、清洗可停止清洗可停止显像像过程。程。23电子束扫描法电子束扫描法电子束扫描法电子束扫描法(续续续续)电子束子束扫描装置的用途描装置的用途:制造掩膜和直写光刻。制造掩膜和直写光刻。电子束制版的子束制版的优点：点：高精度高精度电子束制版的缺点：子束制版的缺点：设备昂昂贵制版制版费用高用高24第第第第3 3章章章章 ICIC制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺3.1 外延生外延生长3.2 掩膜制作掩膜制作 3.3 光刻原理与流程光刻原理与流程3.4 氧化氧化3.5 淀积与刻蚀淀积与刻蚀3.6 掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺25 关关心心每每一一步步工工艺艺对对器器件件性性能能的的影影响响，读读懂懂P PD

20、 DK K，挖挖掘掘工工艺艺潜潜力力。3.3 3.3 光刻原理与流程光刻原理与流程光刻原理与流程光刻原理与流程在在ICIC的的制制造造过程程中中，光光刻刻是是多多次次应用用的的重重要要工工序序。其其作作用用是是把把掩掩膜膜上上的的图型型转换成成晶晶圆上上的的器件器件结构。构。263.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 光刻光刻光刻光刻步骤步骤步骤步骤一、一、晶晶圆涂光刻胶涂光刻胶：n清清洗洗晶晶圆圆，在在200200 C C温温度度下下烘烘干干1 1小小时时。目目的的是是防防止止水水汽汽引引起起光光刻胶薄膜出现缺陷。刻胶薄膜出现缺陷。n待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。待晶圆冷却下来，立即

21、涂光刻胶。n晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝光光二二、曝曝光光:光光源源可可以以是是可可见光光,紫紫外外线,X X射射线和和电子子束束。光光量量,时间取决于光刻胶的型号，厚度和成像深度。取决于光刻胶的型号，厚度和成像深度。三三、显影影:晶晶圆用用真真空空吸吸盘吸吸牢牢，高高速速旋旋转，将将显影影液液喷射射到到晶晶圆上。上。显影后，用清影后，用清洁液液喷洗。洗。四、烘干四、烘干:将将显影液和清影液和清洁液全部蒸液全部蒸发掉掉。27正性胶与负性胶光刻图形的形成正性胶与负性胶光刻图形的形成正性胶与负性胶光刻图形的形成正性胶与负性胶光刻图形的形成28涂光刻胶的涂光刻胶的涂光

22、刻胶的涂光刻胶的方法方法方法方法光光刻刻胶胶通通过过滤器器滴滴入入晶晶圆中中央央，被被真真空空吸吸盘吸吸牢牢的的晶晶圆以以2000 2000 80008000转/分分钟的的高高速速旋旋转，从从而而使使光光刻刻胶胶均均匀匀地涂在晶地涂在晶圆表面表面。293.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 曝光方式曝光方式曝光方式曝光方式1.接接触触式式曝曝光光方方式式中中，把把掩掩膜膜以以0.05 0.05 0.30.3ATM ATM 的的压力力压在在涂涂光光刻刻胶胶的的晶晶圆上上，曝曝光光光光源源的的波波长在在0.40.4 m m左右。左右。30曝光系统曝光系统曝光系统曝光系统31点点光光源源产产

23、生生的的光光经经凹凹面面镜镜反反射射得得发发散散光光束束，再再经经透透镜变成平行光束，经镜变成平行光束，经4545 折射后投射到工作台上。折射后投射到工作台上。接触式接触式接触式接触式曝光方式的图象偏差问题曝光方式的图象偏差问题曝光方式的图象偏差问题曝光方式的图象偏差问题原因原因:光束不平行，接触不密有光束不平行，接触不密有间隙隙32举例:，y+2d=10m,则有(y+2d)tg=0.5m掩膜和晶圆之间掩膜和晶圆之间掩膜和晶圆之间掩膜和晶圆之间实现理想实现理想实现理想实现理想接触的制约因素接触的制约因素接触的制约因素接触的制约因素掩膜本身不平坦，掩膜本身不平坦，晶晶圆表面有表面有轻微凸凹，微凸

24、凹，掩膜和晶掩膜和晶圆之之间有灰有灰尘。33接触式曝光方式的掩膜磨损问题接触式曝光方式的掩膜磨损问题掩膜和晶圆每次接触产生磨损，使掩膜可掩膜和晶圆每次接触产生磨损，使掩膜可使用次数受到限制。使用次数受到限制。非接触式光刻非接触式光刻非接触式光刻非接触式光刻 1.1.接近式接近式 接近式光刻系接近式光刻系统中，中，掩膜和晶掩膜和晶圆之之间有有20 50 m的的间隙隙。这样，磨磨损问题可以解决。但可以解决。但分辨率下降，当分辨率下降，当时，无法工作。无法工作。这是因是因为，根据惠更斯原理，小孔根据惠更斯原理，小孔成像，出成像，出现绕射，射，图形形发生畸生畸变。34缩小投影缩小投影缩小投影缩小投影曝

25、曝曝曝光系统光系统光系统光系统2.2.投影式投影式工作原理工作原理:水水银灯光源通灯光源通过聚光聚光镜投射在掩膜上。投射在掩膜上。掩掩膜膜比比晶晶圆小小，但但比比芯芯片片大大得得多多。在在这个个掩掩膜膜中中，含含有有一一个个芯芯片片或或几几个个芯芯片片的的图案案，称称之之为母母版版，即即 reticle。光光束束通通过掩掩膜膜后后，进入入一一个个缩小小的的透透镜组，把把 reticle 上的上的图案，案，缩小小510倍，在晶倍，在晶圆上成像。上成像。3536缩小投影曝光系统示意图缩小投影曝光系统示意图缩小投影缩小投影缩小投影缩小投影曝曝曝曝光系统的特点光系统的特点光系统的特点光系统的特点由由于

26、于一一次次曝曝光光只只有有一一个个Reticle上上的的内内容容，也也就就是是只只有一个或几个芯片，生有一个或几个芯片，生产量不高。量不高。由由于于一一次次曝曝光光只只有有一一个个或或几几个个芯芯片片，要要使使全全部部晶晶圆面面积曝曝光光，就就得得步步进。步步进包包括括XY工工作作台台的的分分别以以芯芯片片长度度和和宽度度为步步长的的移移动和和Reticle内内容容的的重重复复曝曝光。光。投投影影方方式式分分辨辨率率高高，且且基基片片与与掩掩膜膜间距距较大大,不不存存在掩膜磨在掩膜磨损问题。37第第第第3 3章章章章 ICIC制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺3.1 外延生外延生长3.2 掩膜制

27、作掩膜制作 3.3 光刻原理与流程光刻原理与流程3.4 氧化氧化3.5 淀积与刻蚀淀积与刻蚀3.6 掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺38 关关心心每每一一步步工工艺艺对对器器件件性性能能的的影影响响，读读懂懂P PD DK K，挖挖掘掘工工艺艺潜潜力力。39除了作为栅的绝缘材料外，二氧化硅在很多制造工序除了作为栅的绝缘材料外，二氧化硅在很多制造工序中可以作为保护层。在器件之间的区域，也可以生成中可以作为保护层。在器件之间的区域，也可以生成一层称为一层称为“场氧场氧”（FOXFOX）的厚）的厚SiOSiO2 2层，使后面的工序层，使后面的工序可以在其上制作互连线。可以在其上制作互连线。场氧场氧场氧场

28、氧第第第第3 3章章章章 ICIC制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺3.1 外延生外延生长3.2 掩膜制作掩膜制作 3.3 光刻原理与流程光刻原理与流程3.4 氧化氧化3.5 淀积与刻蚀淀积与刻蚀3.6 掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺40 关关心心每每一一步步工工艺艺对对器器件件性性能能的的影影响响，读读懂懂P PD DK K，挖挖掘掘工工艺艺潜潜力力。3.5 3.5 3.5 3.5 淀积与刻蚀淀积与刻蚀淀积与刻蚀淀积与刻蚀器件的制造需要各种材料的淀器件的制造需要各种材料的淀积。这些材料包括多晶硅、些材料包括多晶硅、隔离互隔离互连层的的绝缘材料以及作材料以及作为互互连的金属的金属层。刻刻蚀的作用的

29、作用:制作不同的器件制作不同的器件结构，如构，如线条、接触孔、台式晶体管、条、接触孔、台式晶体管、凸凸纹、栅等。等。被刻被刻蚀的材料的材料:半半导体，体，绝缘体，金属等。体，金属等。刻刻蚀的两种方法：的两种方法：湿法和干法湿法和干法41湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀首首先先要要用用适适当当(包包含含有有可可以以分分解解表表面面薄薄层的的反反应物物)的的溶溶液液浸浸润刻刻蚀面面，然然后后清清除除被被分分解解的的材材料料。如如SiOSiO2 2在在室室温温下下可可被被HFHF酸刻酸刻蚀。湿法刻湿法刻蚀在在VLSIVLSI制造中的制造中的问题:接接触触孔孔的的面面积积变变得得越越来来越越小小,抗抗

30、蚀蚀材材料料层层中中的的小小窗窗口口会会由于毛细作用而使得接触孔不能被有效的浸润。由于毛细作用而使得接触孔不能被有效的浸润。是是被被分分解解的的材材料料不不能能被被有有效效的的从从反反应应区区的的小小窗窗口口内内清清除除出来。出来。42干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀分为：等离子体刻蚀分为：等离子体刻蚀分为：等离子体刻蚀分为：等离子体刻蚀,反应离子刻蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀RIERIERIERIE等等等等 RIERIE发生生在在反反应炉炉中中，基基片片(晶晶圆)被被放放在在一一个个已已被被用用氮氮气气清清洗洗过的的托托盘上上，然然后后，托托盘被被送送进刻刻蚀室室中中，在在那那里里

31、托托盘被被接接在在下下方方的的电极极上上。刻刻蚀气气体体通通过左左方方的的喷口口进入入刻刻蚀室室。RIERIE的的基基板板是是带负电的的。正正离离子子受受带负电的的基基板板吸吸引引，最最终以以近近乎乎垂垂直直的的方方向向射射入入晶晶体体，从从而而使使刻刻蚀具具有有良好的方向性。良好的方向性。43反应离子刻蚀RIE第第第第3 3章章章章 ICIC制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺3.1 外延生外延生长3.2 掩膜制作掩膜制作 3.3 光刻原理与流程光刻原理与流程3.4 氧化氧化3.5 淀积与刻蚀淀积与刻蚀3.6 掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺44 关关心心每每一一步步工工艺艺对对器器件件性性能能的的

32、影影响响，读读懂懂P PD DK K，挖挖掘掘工工艺艺潜潜力力。3.6 3.6 3.6 3.6 掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺掺杂原理与工艺掺杂目的目的掺杂的的目目的的是是以以形形成成特特定定导电能能力力的的材材料料区区域域,包包括括N N型型或或P P型型半半导体体层和和绝缘层。是是制制作作各各种种半半导体体器器件件和和ICIC的基本工的基本工艺。经过掺杂，原原材材料料的的部部分分原原子子被被杂质原原子子代代替替。材材料料的的导电类型决定于型决定于杂质的化合价的化合价掺杂可可与与外外延延生生长同同时进行行，也也可可在在其其后后，例例如如，双双极极性性硅硅ICIC的的掺杂过程程主主

33、要要在在外外延延之之后后，而而大大多多数数GaAsGaAs及及InPInP器件和器件和ICIC的的掺杂与外延同与外延同时进行。行。451.1.1.1.热扩散掺杂热扩散掺杂热扩散掺杂热扩散掺杂 热扩散散是是最最早早也也是是最最简单的的掺杂工工艺，主主要要用用于于SiSi工工艺。施施主主杂质（五五价价元元素素)用用P P，AsAs，受受主主杂质（三三价价元元素素)可可用用B B。要要减减少少少少数数载流流子子的的寿寿命命，也也可可掺杂少少量量的的AuAu。Si0Si02 2隔隔离离层常常被被用用作作热扩散散掺杂的的掩掩膜膜。扩散散过程程中中，温温度度与与时间是是两两个个关关键参参数数。在在生生产双

34、双极极型型硅硅ICIC时，至至少少要要2 2次次掺杂，一一次次是是形形成成基基区区，另另一一次次形形成成发射射区区。在在基基片片垂垂直直方方向向上上的的掺杂浓度度变化化对于于器器件件性性能能有有重重要要意意义。462.2.2.2.离子注入法离子注入法离子注入法离子注入法 离离子子注注入入技技术是是2020世世纪5050年年代代开开始始研研究究，7070年年代代进入入工工业应用用阶段段的的。随随着着VLSIVLSI超超精精细加加工工技技术的的进展，展，现已成已成为各种半各种半导体体掺杂和注入隔离的主流技和注入隔离的主流技术。47离子注入机离子注入机离子注入机离子注入机 离离子子注注入入机机包包含

35、含离离子子源源，分分离离单元元，加加速速器器，偏向系偏向系统，注入室等。，注入室等。48离子注入机工作原理离子注入机工作原理离子注入机工作原理离子注入机工作原理l首先把待首先把待掺杂物物质如如B，P，As等离子化，等离子化，l利用利用质量分离器量分离器(Mass Seperator)取出需要的取出需要的杂质离子。分离离子。分离器中有磁体和屏蔽器中有磁体和屏蔽层。由于。由于质量，量，电量的不同，不需要的离量的不同，不需要的离子会被磁子会被磁场分离，并且被屏蔽分离，并且被屏蔽层吸收。吸收。l通通过加速管，离子被加速到一个特定的能加速管，离子被加速到一个特定的能级，如，如10 500ke。l通通过四

36、重透四重透镜，聚成离子束，在，聚成离子束，在扫描系描系统的控制下，离子束的控制下，离子束轰击在注入室中的晶在注入室中的晶圆上。上。l在晶在晶圆上没有被遮盖的区域里，离子直接射入上没有被遮盖的区域里，离子直接射入衬底材料的晶底材料的晶体中，注入的深度取决于离子的能量。体中，注入的深度取决于离子的能量。l最后一次偏最后一次偏转(deflect)的作用是把中性分离出去的作用是把中性分离出去lfaraday cup的作用是用来吸收的作用是用来吸收杂散的散的电子和离子子和离子49注入法的优缺点注入法的优缺点注入法的优缺点注入法的优缺点优点：点：掺掺杂杂的的过过程程可可通通过过调调整整杂杂质质剂剂量量及及

37、能能量量来来精精确确的的控控制制，杂杂质质分分布的均匀。布的均匀。可进行小剂量的掺杂。可进行小剂量的掺杂。可进行极小深度的掺杂。可进行极小深度的掺杂。较低的工艺温度，故光刻胶可用作掩膜。较低的工艺温度，故光刻胶可用作掩膜。可可供供掺掺杂杂的的离离子子种种类类较较多多，离离子子注注入入法法也也可可用用于于制制作作隔隔离离岛岛。在在这这种种工工艺艺中中，器器件件表表面面的的导导电电层层被被注注入入的的离离子子（如如+）破破坏坏，形成了绝缘区。形成了绝缘区。缺点：缺点：费用高昂费用高昂在大剂量注入时半导体晶格会被严重破坏并很难恢复在大剂量注入时半导体晶格会被严重破坏并很难恢复50本章练习题本章练习题本章练习题本章练习题1.写出掩模在写出掩模在IC制造制造过程中的作用，比程中的作用，比较整版掩模整版掩模和和单片掩模的区片掩模的区别，列出三种掩模的制造方法。，列出三种掩模的制造方法。2.写出光刻的作用，光刻有哪两种曝光方式？写出光刻的作用，光刻有哪两种曝光方式？3.说出半出半导体工体工艺中中掺杂的作用，的作用，举出两种出两种掺杂的的方法并比方法并比较其其优缺点。缺点。51