半导体工艺过程

半导体制造工艺过程2010-7-29目录•1、概述•2、晶体生长与圆晶制造•3、硅的氧化•4、光刻与刻蚀•5、扩散与离子注入•6、薄膜沉积概述工艺集成晶体生长与圆晶制造热氧化光刻与刻蚀扩散与离子注入薄膜沉积测试与封装晶体生长与圆晶制造•1、直拉法单晶生长•多晶硅放在坩埚中，加热到1420℃将硅熔化，将已知晶向的籽晶插入熔化硅中然后拔出。•硅锭旋转速度20r/min•坩埚旋转速度10r/min•提升速度：1.4mm/min•掺杂P、B、Sb、As晶体生长与圆晶制造晶体生长与圆晶制造•2、区熔法晶体生长•主要用于制备高纯度硅或无氧硅•生长方法•多晶硅锭放置在一个单晶籽晶上，多晶硅锭由一个外部的射频线圈加热，使得硅锭局部熔化，随着线圈和熔融区的上移，单晶籽晶上就会往上生长单晶。•电阻率高•无杂质沾污•机械强度小，尺寸小晶体生长与圆晶制造晶体生长与圆晶制造热氧化•SiO2的基本特性•杂质阻挡特性好•硅和SiO2的腐蚀选择特性好热氧化•反应方程：•Si(固体)+O2(气体)SiO2•Si(固体)+2H2O(气体)SiO2+H2(气体)热氧化•硅热氧化工艺，可分为：干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化。干氧氧化是以干燥纯净的氧气作为氧化气氛，在高温下氧直接与硅反应生成二氧化硅。水汽氧化是以高纯水蒸汽为氧化气氛，由硅片表面的硅原子和水分子反应生成二氧化硅。水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的为大。而湿氧氧化实质上是干氧氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于二者之间。光刻与刻蚀•光刻是一种复印图象和化学腐蚀相结合的综合性技术。它先采用照相复印的方法，将事先制好的光刻版上的图形精确地、重复地印在涂有感光胶的SiO2层(或Al层)上，然后利用光刻胶的选择性保护作用，对SiO2层(或A1层)进行选择性化学腐蚀，从而在Si02层(或Al层上)刻出与光刻版相应的图形。•光刻技术常见的技术方案有紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等，以广为业界的人们所熟悉。近年来，在人们为纳米级光刻技术探索出路的同时，也出现了许多新的技术应用于光刻工艺中，主要有干涉光刻技术、激光聚焦中性原子束光刻、立体光刻技术、全息光刻技术和扫描电化学光刻技术等等。光刻与刻蚀•光刻工艺步骤如下：首先图层被转移到光刻胶层。光刻与刻蚀•其次，把图形从光刻胶转移到晶圆上。光刻与刻蚀•光刻胶有正胶和负胶之分光刻与刻蚀光刻与刻蚀•用物理的、化学的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分材料去除，从而得到和抗蚀剂完全一致的图形。•刻蚀最简单最常用分类是：湿法刻蚀和干法刻蚀。光刻与刻蚀•湿法刻蚀是一个纯粹的化学反应过程，是指利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除为被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。•湿法刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀•优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低•缺点是：钻刻严重、对图形的控制性较差，不能用于小的特征尺寸；会产生大量的化学废液光刻与刻蚀•干法刻蚀：利用等离子体将不要的材料去除（亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法）。•干法刻蚀种类很多，如光挥发、气相腐蚀、等离子体腐蚀等。•其优点是：各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。•缺点是：成本高，设备复杂。干法刻蚀主要形式有纯化学过程（如屏蔽式，下游式，桶式），纯物理过程（如离子铣），物理化学过程，常用的有反应离子刻蚀RIE，离子束辅助自由基刻蚀ICP。扩散与离子注入•所谓扩散指在高温下，杂质在浓度梯度的驱使下渗透进半导体材料，并形成一定的杂质分布，从而改变导电类型或杂质浓度。剂量控制结深控制扩散与离子注入•扩散系统固态源液态源扩散与离子注入•所谓离子注入指先使待掺杂的原子或分子电离，再加速到一定的能量，使之注入到晶体中，然后经过退火使杂质激活。•离子注入的优点：•精确控制剂量和深度•低温:小于125℃•掩膜材料多样•表面要求低•横向均匀性好(1%for8”wafer)扩散与离子注入扩散与离子注入离子注入机种类：离子注入机结构图外形卧式立式能量低能量60Kev中能量60kev-200kev高能量200kev以上扩散与离子注入退火的作用：1.消除晶格损伤2.激活杂质退火的方法：1.高温热退火：用高温炉把硅片加热至800-1000℃并保持30分钟特点：方法简单，设备兼容，但高温长时间易导致杂质的再扩散。薄膜沉积根据需要，在晶圆的表面沉积一层目标材料实现一定功能的过程称为薄膜沉积，薄膜沉积包括以下几个方面外延生长技术电介质淀积多晶硅淀积金属化薄膜沉积•物理气相沉积（PVD)指的是利用某种物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物理表面原子的溅射现象，实现物质从原物质到薄膜的可控的原子转移过程。物理气相沉积技术中最为基本的两种方法就是蒸发法和溅射法，另外还有离子束和离子助等等方法。薄膜沉积•化学气相沉积(CVD)顾名思义，利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。•在高质量的半导体晶体外延技术以及各种绝缘材料薄膜的制备中大量使用了化学气相沉积技术。比如，在MOS场效应管中，应用化学气相方法沉积的薄膜就包括多晶硅，二氧化硅、氮化硅等。薄膜沉积•化学气象沉积指利用化学反应的方式在反应室内将反应物（通常为气体)生成固态的生成物，并沉积在硅片表面的一种薄膜沉积技术。•气相淀积具有很好的台阶覆盖特性•APCVD=AtmosphericPressureCVD，常压CVD•LPCVD=LowPressureCVD，低压CVD•PECVD=PlasmaEnhancedCVD，等离子体CVD•HDPCVD=High-DensityCVD，高密度CVD薄膜沉积•气体通过热反应腔时发生化学反应薄膜沉积•CVD反应过程：1)参加反应的气体混合物被输运到沉积区2)反应物由主气流扩散到衬底表面。3)反应物分子吸附在衬底表面上4)吸附物分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反应，生成硅原子和化学反应副产物，硅原子沿衬底表面迁移并结合进入晶体点阵内5)反应副产物分子从衬底表面解吸6)副产物分子由衬底表面外扩散到主气流中，排出沉积区。半导体制造过程控制•微电子制造的过程控制问题可分成四种类型(Lee,1990)：设备管理，污染控制(contaminationcontrol)，材料操作及单元操作控制。•主要的材料操作及单元操作有晶体生长，氧化，沉积(绝缘体，硅，金属)，物理气相沉淀，掺杂物扩散，掺杂物离子培植(dopantionimplantation)，光刻，刻蚀及机械/化学研磨等。•建模和控制方法的研究主要集中在刻蚀(lithography)，沉积，蚀刻等方面。