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第2章集成电路制造工艺2.1硅片制备2.2外延工艺2.3氧化工艺2.4掺杂工艺2.5薄膜制备工艺2.6光刻技术2.7刻蚀工艺2.8CMOS集成电路基本工艺流程引言*为何要介绍集成电路制造工艺？*集成电路设计人员虽然不需要直接参与集成电路的工艺流程和掌握工艺的细节，但了解集成电路制造工艺的基本原理和过程，对于集成电路设计很有帮助。*本章简单介绍集成电路的基本加工工艺。*这些工艺可应用于各类半导体器件和集成电路的制造过程。2.1硅片制备多晶硅•多晶硅是硅的多晶体，与单晶硅的显著区别在于：部分晶格原子的无序排列；•多晶硅是制备单晶硅的原始材料。•高纯硅的制备通常首先由硅石（石英砂，主要成分：二氧化硅）通过冶炼制得冶金级硅（粗硅—纯度低、杂质多），•再通过酸洗、蒸馏等一系列提纯方法得到高纯的多晶硅，•利用熔融的多晶硅拉制得到半导体材料单晶硅。单晶硅的制备硅石粗硅高纯的多晶硅单晶硅（成核+生长）制备原理：类似于“结冰”现象，当熔融体温度降低到某一温度时，许多细小晶粒在熔体中出现，然后逐渐长大，形成晶体材料……结晶条件：1、温度降低到结晶温度以下—“过冷”2、必须有结晶中心（籽晶）晶体性质：熔点温度以上时，液态自由能低于固态；熔点温度以下时，固态自由能低于液态。过冷状态熔融态多晶硅，固态自由能低，一旦存在籽晶，就会沿着结晶中心结晶固化。若存在多种结晶中心，则会产生多晶体。单晶硅制备控制重点：良好籽晶的选择单晶硅的制备利用熔融多晶硅来制备单晶硅的两种主要方法：直拉法（CzochralskiMethod，CZ法）悬浮区熔法（FloatZoneMethod，FZ法）两种方法制备的单晶硅具有不同特性和器件应用领域，区熔法制备单晶硅主要应用于大功率电器领域；直拉法主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅制备的主体技术。单晶硅的制备方法直拉法单晶炉基本原理：电子级多晶硅原料被装在石英坩埚内，坩埚上方有一可旋转和升降的籽晶杆，杆下端有一个夹头，用于夹住籽晶。原料被加热器熔化（硅熔点，1417度），再将籽晶伸入到熔体内，控制合适的温度，使之达到饱和温度，边旋转边提拉，这样由于冷凝将在液体-固体交界面处生长出硅单晶。直拉法直拉法具体操作方法1、清洁处理对炉腔、坩埚、籽晶、多晶硅料和掺杂合金材料进行严格清洁；清洁处理完毕后用高纯去离子水冲洗至中性后烘干备用；2、装炉将粉碎后的硅料装入石英坩埚内，把掺杂合金分别装入坩埚和掺杂勺内，随后把清洁好的籽晶安装到籽晶轴夹头上，盖好籽晶罩；3、加热熔化加热前打开炉腔内冷却水，当真空度或惰性气体含量达到要求时开始加热；合理控制加热速度，防止出现“搭桥”和“跳硅”现象；待硅料全部熔化后，选择合适籽晶温度，准备下种拉晶。4、拉晶1）下种：下降籽晶使之与熔融硅液面接触进行引晶；2）缩颈：略微升温，起拉进行缩颈（或收颈），在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有2-3mm；3）放肩：略微降温、降速，让晶体逐渐长大至所需直径；4）等径生长：拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶，拉升速度、转速、以及温度决定晶体直径大小；5）收尾：适当升高温度，加速使坩埚内液体全部拉光；直拉法具体操作方法籽晶的作用•籽晶是作为复制样本，使得拉制出的硅锭和籽晶有着相同的晶向；•籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小熔体向晶体转化时必须克服的能垒，使得单晶硅的拉制变容易；缩颈•缩颈能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的颈部表面时就终止了；•为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈；磁控直拉法•在直拉法单晶炉上附加了一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直径的,无氧的，均匀的单晶硅；•利用磁场产生的洛伦兹力来抑制熔体对流的产生，减少氧的掺入，保证单晶硅生长环境的稳定性，硅锭表面无条纹，晶体均匀性好。悬浮区熔法悬浮区熔装置示意图三种方法比较•直拉法工艺成熟，可拉出大直径硅棒。是目前采用最多的硅棒生产方法，但有氧。•磁控直拉法能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅棒。设备较直拉法设备复杂得多，造价也高得多，强磁场的存在使得生产成本也大幅提高。•悬浮区熔法与直拉法相比，去掉了坩埚，能拉制处无氧高阻单晶，当前FZ硅的电阻率可达5000Ω·cm以上硅片的分类2.2外延工艺•在微电子工艺中，外延是指在合适的单晶衬底上，用物理或化学的方法，按衬底晶向排列（生长）单晶半导体薄膜的工艺过程。•新生长的晶体称为外延层，有外延层的硅片称为（硅）外延片。•与先前描述的单晶生长不同在于外延生长温度比熔点低很多。•外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率可不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。外延的概念外延工艺种类•按材料划分：同质外延和异质外延•按工艺方法划分：气相外延，液相外延，固相外延和分子束外延•按工艺温度划分：高温外延（工艺温度1000度以上），低温外延（工艺温度1000度以下），变温外延（先低温后高温）•按电阻率高低划分：正外延—低阻衬底上外延高阻层；反外延—高阻衬底上外延低阻层•按照外延层结构划分：普通外延，选择外延，多层外延•气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚度，杂质浓度，以及晶格的完整性，在硅工艺中一直占据主导地位。•同质外延又称为均匀外延，是外延层与衬底材料相同的外延。•异质外延也称非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，甚至物理结构也与衬底完全不同。•异质外延的相容性1、衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现象。2、衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避免外延层由生长温度冷却至室温时，产生残余热应力，界面位错，甚至外延层破裂。3、衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体结构，晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引起的外延层与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力大外延工艺特点•外延生长时，尽管外延层的晶向与衬底抑制，但掺入杂质的类型、浓度都可以与衬底不同，增加了微电子器件和电路工艺的灵活性。•多次进行外延工艺，可得到多层不同掺杂类型、不同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的外延层。外延工艺用途n+埋层外延工艺用途气相外延如上图所示Si基片放在石英管中的石墨板基座上，SiCl4、H2及气态杂质原子通过反应管。在外延过程中，石墨板被石英管周围的射频线圈加热到1500-2000度，在高温下发生了SiCl4+2H2→Si+4HCl↑的反应，释放出的Si原子在基片表面形成单晶硅，典型的生长速度为0.5~1μm/min。分子束外延分子束外延工艺及原理分子束外延特点分子束外延特点2.3氧化工艺二氧化硅薄膜概述二氧化硅薄膜概述集成电路工艺中，制作和使用的都是无定形的二氧化硅。无定形也称为玻璃体，属于“长程无序，短程有序”的物质结构。二氧化硅薄膜概述•二氧化硅对杂质有掩蔽扩散作用，能实现选择性定域扩散掺杂•器件表面的保护和电路的钝化膜•器件的电隔离（绝缘）作用•电容的介电材料•作MOS管的绝缘栅材料•多层互连的层间绝缘介质•缓冲层/热氧化层二氧化硅层主要用途1.扩散时的掩蔽层，离子注入的阻挡层SiO2对杂质扩散起到掩蔽作用，利用这个性质结合光刻工艺，就可以进行选择性扩散。这种掩蔽作用是有条件的。随着温度升高扩散时间延长，杂质也有可能会扩散穿透SiO2膜层，使掩蔽作用失效。因此SiO2起掩蔽作用有两个条件（1）厚度足够；（2）所选杂质在SiO2中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多。2.器件和电路的保护或钝化膜在硅片表面生长一层SiO2膜，可以保护硅表面和P-N结的边缘不受外界影响，提高器件的稳定性和可靠性。同时，在制造工艺流程中，防止表面或P-N结受到机械损伤和杂质玷污，起到了保护作用。另外，有了这一层SiO2膜，就可以将硅片表面和P-N结与外界气氛隔开。降低了外界气氛对硅的影响，起到钝化作用。但是，钝化的前提是膜层的质量要好，如果SiO2膜中含有大量纳离子或针孔，非但不能起到钝化作用，反而会造成器件不稳定。3.某些器件的重要组成部分(1)MOS管的绝缘栅材料：在MOS晶体管中，常以SiO2膜作为栅极下面的介质层，这是因为SiO2层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。但作为绝缘栅要求极高，因为Si-SiO2界面十分敏感（指电学性能），SiO2层质量不好，这样的绝缘栅极就不是良好的半导体器件。(2)电容器的介质材料：集成电路中的电容器是以SiO2作介质的，因为SiO2的介电常数为3-4，击穿耐压较高，电容温度系数小，这些性能决定了它是一种优质的电容器介质材料。另外，生长SiO2方法很简单，在集成电路中的电容器都以SiO2来代替。4.集成电路中的隔离介质集成电路中的隔离有P-N隔离和介质隔离两种，而介质隔离中的介质就是SiO2。因为SiO2介质隔离的漏电流很小，岛与岛之间的隔离电压较大，寄生电容较小。因此，用SiO2作介质隔离的集成电路的开关速度较好。5.用于电极引线和硅器件之间的绝缘介质在集成电路制备中，电极引线和器件之间，往往有一种绝缘材料，工艺上大多采用SiO2作为这一层绝缘材料，使得器件之间，电极引线之间绝缘。6.多层互连的层间绝缘介质隔离相邻金属层之间电连接的绝缘材料。金属线传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线影响。通常采用CVD方法制备。7.缓冲层/热氧化层当氮化硅直接沉积在硅衬底上时，界面存在极大应力和界面态密度，多采用Si3N4/SiO2/Si结构。场氧化时，SiO2会有软化现象，可消除氮化硅与衬底之间的应力。通常采用热氧化生成，厚度很薄。硅表面形成SiO2的方法很多：热氧化、热分解淀积、溅射、蒸发等。由于热氧化的氧化反应发生在Si-SiO2交界面，接触到的杂质、污染比较少，形成的SiO2质量也就较高，所以，多采用热氧化法生长氧化膜。热氧化法包括干氧、水汽和湿氧三种氧化方法，通常采用干、湿氧交替的氧化模式。二氧化硅的制备（1）干氧氧化干氧氧化是在高温下，氧分子与硅直接反应生成SiO2，反应为：氧化温度约为1000～1200℃，为了防止外部气体对氧化的影响，炉内的气压要高于炉外的气压。干氧生长的氧化膜表面干燥、结构致密，光刻时与光刻胶接触良好、不易产生浮胶，但氧化速率极慢，这是由于O2在SiO2中扩散系数通常小于H2O在SiO2中的扩散系数。适用：较薄的氧化层的生长，例如MOS器件的栅极。22SiOOSi（气体）（固体）干氧氧化系统（2）水汽氧化水汽氧化是指在高温下，硅与高纯水蒸汽反应生成SiO2膜，反应式为：对高纯水加热产生高纯水蒸气，水汽进入氧化炉与硅片反应生成SiO2膜。水汽氧化氧化速率较快，但膜层不致密，质量很差，特别是对杂质扩散的掩蔽作用较差，所以这种方法基本不采用。22222HSiOOHSi水氧氧化系统（3）湿氧氧化湿氧氧化中，用携带水蒸气的氧气代替干氧。氧化剂是氧气和水的混合物，反应过程如下：氧气通过95℃的高纯水；氧气携带水汽一起进入氧化炉在高温下与硅反应。湿氧氧化相当于干氧氧化和水汽氧化的综合，其速率也介于两者之间。具体的氧化速率取决于氧气的流量、水汽的含量。氧气流量越大，水温越高，则水汽含量越大，氧化膜的生长速率和质量越接近于水汽氧化的情况。反之，就越接近于干氧氧化。生产中经常采用干氧-湿氧-干氧结合的方法，综合了干氧氧化SiO2干燥致密，湿氧氧化速率快的优点，并能在规定时间内使SiO2层的厚度，质量合乎要求。干氧氧化速度慢，氧化层结构致密，表面是非极性的硅-氧烷结构。所以与光刻胶粘附性好，不易产生浮胶现象。水汽氧化的速度快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化的好，特别是氧化层表面是硅烷醇，存在的羟基极易吸附水，极性的水不易粘润非极性的光刻胶，所以氧化层表面与光刻胶粘附性差。2.4掺杂工艺掺杂工艺是将一定数量的某种杂质（B,P,As等元素）掺入到半导体衬底材料中，以改变衬底的电学特性，并使掺入杂质的数量、分布形式和深度等都满足要求。掺杂工艺包括：热扩散法和离子注入法。掺杂工艺热扩散法：利用高温驱动杂质穿过半导体晶体结构；离子注入：通过高温离子轰击，使杂质注入到硅片中