集 制造集 制造集成电路芯片制造集成电路芯片制造工艺工艺

内容内容

• 集成电路的发展历史

• 集成电路的分类

• 集成电路芯片制造设备

• 集成电路芯片制造工艺

集成电路的发展历史

集成电路 Integrated Circuit，缩写IC

通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等

有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路

互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）

上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能

集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片

各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路

历史回顾

世界上第一个点接触型晶体管

1947年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家肖克利(William室的科学家肖克利(William Shockley)和他的两助手布拉顿(Water Brattain 、巴丁顿(Water Brattain 、巴丁（John bardeen)在贝尔实验室工作时发明了世界上第一个点接触型晶体管个点接触型晶体管

由于三人的杰出贡献，他们分享了1956年的诺贝尔物理学奖

历史回顾

锗多晶材料制备的点接触晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管

集成电路的发明

1959年杰克-基尔比

集成电路的发明

1959年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片

集成电路的发明

集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（20002000年）得主，年）得主，博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课， 年年 月月KilbyKilby博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课，20012001年年55月月

集成电路的发明

集成电路的发展

从此 经历了• 从此IC经历了：– SSI

小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)

– MSI– LSI

大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)特大规模集成电路 ，

LSI• 现已进入到：

VLSI

特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）– VLSI

– ULSIGSI

巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。

– GSI 中文中把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。

CMOS工艺特征尺寸发展进程

年份 1989年 1993年 1997年 2001年

特征尺寸 1 0 0 6 0 25 0 18特征尺寸 1.0µm 0.6µm 0.25µm 0.18µm

水平标志 微米（M） 亚微米 深亚微米 超深亚微米水平标志 微米 亚微米（SM）

深亚微米（DSM）

超深亚微米（UDSM）

Ultra Deep Sub Micron，UDSM

0.8—0.35μm称为亚微米，0.25μm及其以下称为深亚微米 ，0.18 μm以下为超深亚微米， 0.05μm及其以下称为纳米级

Ultra Deep Sub Micron，UDSM

0.18 μm以下为超深亚微米， 0.05μm及其以下称为纳米级

集成电路发展的特点集成电路发展的特点

特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小

硅圆片尺寸越来越大

芯片集成度越来越大芯片集成度越来越大

时钟速度越来越高

布线层数/I/0引脚越来越多电源电压/单位功耗越来越低布线层数/I/0引脚越来越多

摩尔定律一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该预言直至今

日依然准确。日依然准确。

集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集成度每三集成 路自发明四十年 来 集成 路 片的集成度每

年翻两番 ，而加工特征尺寸缩小 倍。

⎯⎯即由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。

集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线展曲线

集成电路的分类集成 路的分类

––器件结构类型器件结构类型

––集成度集成度

––电路的功能电路的功能电路的功能电路的功能

––应用领域应用领域

按器件结构类型分类按器件结构类型分类按器件结构类型分类按器件结构类型分类

• 双极集成电路：主要由双极型晶体管构成

–NPN型双极集成电路

–PNP型双极集成电路

• 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极型晶体管)构成

–NMOS

–PMOSPMOS

–CMOS(互补MOS)

• 双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极• 双极 MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极和MOS晶体管的集成电路。综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。

按集成度分类

集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目

类 别 数字集成电路 模拟集成电路

MOS IC 双极IC

SSI 109

按电路的功能分类数字集成电路(Digital IC)：

是指处 数字信号的集成电路 即采用 进制方式进是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。

模拟集成电路(Analog IC)：

是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路，( )

通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ：

线性集成电路 又叫放大集成电路 如运算放大器 电线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。

线性集 荡 等

数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等

非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。

例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。

按应用领域分类

标准通用集成电路

通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大

的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会

需求量大，通用性强。

专用集成电路

根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的

集成电路简称ASIC（Application Specific Integrated Circuit) 其特点是集成度较高功能较多 功耗较小 封Circuit)，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。

三个技术指标

1 特征尺寸1. 特征尺寸(Feature Size) / （Critical Dimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言 通常特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)

减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展 目前的规模化生产是0 18μm 0 13μm向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.13μm工艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转换到0.09 μm 。

三个技术指标

2. 晶片直径(Wafer Diameter) 为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个

圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从2吋～12吋按比例画出的圆 由此 我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有 个直观的印象。

尺寸从2吋～12吋成比例增加的晶圆

三个技术指标

• 3 DRAM 的容量• 3.DRAM 的容量RAM (Random-Access Memory)－随机存取存储器

分为动态存储器DRAM (Dynamic )和静态存储器分为动态存储器 ( y )和静态存储器SRAM(Static)

中国IC产业分布图中国IC产业分布图

集成电路芯片制造设备

• 集成电路工艺技术主要包括:集成电路工艺技术主要包括:1、原始硅片工艺

硅单晶拉制到最终形成作为IC衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术技术。

2、掺杂工艺包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。

3、微细图形加工工艺包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。

4、介质薄膜工艺包括各种热生长技术和各种CVD技术。

5 金属薄膜工艺5、金属薄膜工艺包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术

集成电路芯片制造设备

投影式式光刻刻机

Here in the Fab Two Photolithography area we see one ofour 200mm 0 35 micron I-Line Steppers this stepper canour 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper canimage and align both 6 & 8 inch wafers.

集成电路芯片制造设备

硅硅片清清洗装置置

Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. Thewafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialtiesand SemiTool in 1995 Again these are the world's first 300mm wetand SemiTool in 1995. Again these are the world s first 300mm wetprocess cassettes (that can be spin rinse dried).

集成电路芯片制造设备

12英寸寸氧化化扩散散炉

As we look in this window we see the World's First true 300mm productionfurnace Our development and design of this tool began in 1992 it was installed infurnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed inDecember of 1995 and became fully operational in January of 1996.

集成电路芯片制造设备

12英12英寸氧化扩化扩散炉装片装片工序

Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle.

集成电路芯片制造设备

12英寸氧化扩散炉化扩散炉取片工序（已生长（已生长Si3N4）

Process Specialties has developed the world's firstproduction 300mm Nitride system! We began processingy g g300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997.

集成电路芯片制造设备

PVD

2,500 additional square feet of "State of the Art" Class One Cleanroomis currently processing wafers! With increased 300mm & 200mmprocessing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wetprocessing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0 35umprocessing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35umPhotolithography, all in a Class One enviroment.

集成电路芯片制造设备

化学汽相化学汽相沉积沉积CVDCVD沉积沉积CVCV

集成电路芯片工艺

化学汽相沉积相沉积CVDCVD

集成电路芯片工艺

检测测工序序

Accuracy in metrology is never an issue at Process Specialties. We use themost advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools formost advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools forprecision thin film, resistivity, CD and step height measurement. Including ournew Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and mappingtool We also se o tside laboratories and o r e cellent orking relationshipstool. We also use outside laboratories and our excellent working relationshipswith our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration.

集成电路芯片制造设备

去去离子子水生生产装

Ab l ki t l f i f th f iliti th t id f F b

装置

Above you are looking at a couple of views of the facilities on the west side of FabOne. Here you can see one of our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four10,000 CFM air systems feeding this fab (left picture), as well as one of our wasteair scrubber units (right picture) Both are inside the building for easierair scrubber units (right picture). Both are inside the building for easiermaintenance, longer life and better control.

集成电路芯片制造设备

离子注入

集成电路芯片制造设备

检查晶圆

集成电路制造工艺分类

1 双极型工艺（bi l ）1. 双极型工艺（bipolar）

2. CMOS工艺

集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架

系系统需求

设计 掩膜版

求

芯片制 芯片检测芯片制造过程

封装 测试

单晶、外延材料

集成电路的设计过程：

功能要求

行为设计（VHDL）设计创意

+

行为仿真否

仿真验证

是

综合、优化——网表

时序仿真

是

否

布局布线——版图是

后仿真否是

集成电路芯片设计过程框架 From 吉利久教授

Sing off

芯片制造过程片制 程

芯片制造过程片制 程

硅片硅片

由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层

曝 光用掩膜版

集成电路芯片的显微照片

刻 蚀

用掩膜版重复

20-30次

微照片

测试和封装测试和封装

Vss poly 栅 Vdd 布线通道Vss poly 栅 Vdd 布线通道参考孔

+ +

有源区

N+ P+

有源区

集成电路的内部单元集成电路的内部单元((俯视图俯视图))

栅长为栅长为9090纳米的栅图形照片纳米的栅图形照片沟道长度为沟道长度为0.150.15微米的晶体管微米的晶体管

CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的95%以上。

集成电路制造工艺

• 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上图形转换 将设计在掩膜版(类似于照相底片)

的图形转移到半导体单晶片上

• 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要

的位置上 形成晶体管 接触等的位置上，形成晶体管、接触等

• 制膜：制作各种材料的薄膜制膜 制作各种材料 薄膜

§1 双极型（NPN）集成电路工艺(典型的PN结隔离工艺)

衬底准备（ 型） 光刻 埋层区氧化

1.衬底准备2.第一次光刻——N+隐埋层扩散孔光刻

衬底准备（P型） 光刻n+埋层区氧化

n+埋层区注入 清洁表面

P-Sub

3.外延层淀积

4 第二次光刻——P+隔离扩散孔光刻

生长n-外延 隔离氧化 光刻p+隔离区

4.第二次光刻 P 隔离扩散孔光刻

p+隔离注入 p+隔离推进

N+ N+N- N-

P-Sub

5.第三次光刻——P型基区扩散孔光刻

光刻硼扩散区 硼扩散

N NP+ P+ P+N+ N+N- N-

P-Sub

6.第四次光刻——N+发射区扩散孔光刻

光刻磷扩散区 磷扩散氧化

N NP+ P+ P+P P

N+ N+N- N-

P-Sub

7.第五次光刻——引线接触孔光刻

光刻引线孔 清洁表面氧化

N NP+ P+ P+P P

N+ N+N- N-

P-Sub

8.第六次光刻——金属化内连线光刻

蒸镀金属 反刻金属

N NP+ P+ P+P P

N+ N+N- N-

P-Sub

NPN晶体管剖面图体管剖面图ALSiO2 B N+E CE C

PP+

N iP+

N+ BL

N-epi Epitaxial layer 外延层

N+-BL

Buried Layer

P-SUB

埋层的作用

1 减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）

钝化层

2.减小寄生pnp晶体管的影响

BSiO2

钝化层CE CEB B

光刻胶 N– epiP+ P+ P+

SiO2

N– epiP PN

+ N+N+ N+

P SubSiO2

光刻胶

N+埋层

N -epi N -epi

P-Sub N+埋层

隔离的实现

1 P 隔离扩散要扩穿外延层 与 型衬底连通 因此 将 型外延层分割成若干1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将n型外延层分割成若干个“岛” 。2. P+隔离接电路最低电位，使“岛” 与“岛” 之间形成两个背靠背的反偏二极管管。

B CE CEB B钝化层

B

光刻胶

SiO2P+ P+ P+

SiO2P PN

+ N+N+ N+CE CEB B

P S bSiO2

光刻胶

N+埋层N–-epi

P P PN–-epiP-Sub N+埋层

光刻掩膜版汇总

埋层区 隔离墙 硼扩区埋层区 隔离墙 硼扩区

磷扩区 引线孔

金属连线

外延层电极的引出金属与半导体接触？

形成欧姆接触的方法？低势垒 高复合 高

欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延

形成欧姆接触的方法？低势垒，高复合，高掺杂

欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延

层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极

管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。

钝化层B

SiO2

钝化层CE CEB B

光刻胶 N– epiP+ P+ P+

SiO2

N– epiP PN

+ N+N+ N+

P SubSiO2

光刻胶

N+埋层

N -epi N -epi

P-Sub N+埋层

光刻光刻－LithographyLithography

光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺

硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%

通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度。

一个典型的硅集成电路工艺包括15－20块掩膜版

集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的近 步发展有密切的关系光刻技术的近一步发展有密切的关系。

通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。的技术水平。

所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分

通常我们所说的0.13μm,0.09μm工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。

光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。腐蚀相结合的精密表面加工技术。

光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图 形，把掩模版上的图形转换成晶几何图 形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现选择性扩散和

金属薄膜布线的目的金属薄膜布线的目的。

光刻的要求• 对光刻的基本要求：

（1）高分辨率（1）高分辨率（2）高灵敏度（3）精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工（4）大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷低缺陷

• 1. 高分辨率• 分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区• 分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。分辨率的要求也越来越高。

分辨率表示每 内能够刻蚀出可分辨的最多线条数分辨率表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。

R= 1/2L

• 2.高灵敏度• 灵敏度是指光刻胶感光的速度 为了提高产量要求曝光时间越短越好• 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量要求曝光时间越短越好，

也就要求高灵敏度。

3 精密的套刻对准3.精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。

由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10％左右刻误差在特征尺寸的10％左右。

• 4.大尺寸硅片的加工• 随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。因此对周随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。因此对周

围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量

5.低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷

光刻胶的组成材料及感光原理

• 光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都光刻胶是光刻 的核 光刻 程中的所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫微调 光刻胶的 择和光刻 的研发是 个非常漫长的过程。

光刻胶种类

光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist) ，根据光刻胶在曝光

• 正光刻胶(Positive optical resist)

光刻胶又称光致抗蚀剂( ) ，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有

• 正光刻胶(Positive optical resist)• 负光刻胶(Negative optical resist)

Resists are organic polymers that are spun onto wafersResists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film ≈ 0.5 - 1 μm thick.

正性光刻胶－Positive Optical Resist

正胶的光化学性质是从抗溶解到可正胶的光化学性质是从抗溶解到可

溶性。

正胶曝光后显影时感光的胶层溶解

了。

现有VLSI工艺都采用正胶

正胶机制

曝光使感光材料(PAC)中分子裂解 被裂解中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。

负性光刻胶Negative Optical resistNegative Optical resist

负胶的光学性能是从可溶• 负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。

• 负胶在曝光后发生交链作• 负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被液中很少被溶解 未被曝光的部分充分溶解。

小结：正性和负性光刻胶小结：正性和负性光刻胶

正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应 可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面

负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。

正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶

负胶 曝光前 可溶 曝光后不可溶负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶

光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感

因此光刻通常在黄光室（Yellow Room））内进行。

正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较• 正胶

分辨率高 小 微米a)分辨率高 小于1微米b)抗干法刻蚀能力强c)较好的热稳定性c)较好的热稳定性

• 负胶a)对某些衬底表面粘附性好a)对某些衬底表面粘附性好b) 曝光时间短，产量高c) 工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等）d) 价格较低 （约正胶的三分之一）

光刻胶种类

负胶 正胶负胶

• 曝光后变为不可溶

正胶

• 曝光后变为可溶曝光后变为不可溶

• 显影时未曝光的部 • 显影时曝光的部分

分溶解于显影液

图形与掩模版相反

溶解于显影液

• 图形与掩模版相同• 图形与掩模版相反

• 分辨率较低

• 图形与掩模版相同

• 更小的聚合物尺寸，分辨率较低

• 含二甲苯，对环境、 有更高的分辨率

身体有害。 • 大量应用于IC fabs

光刻胶材料参数

分辨率 ( l i )

光刻胶材料参数

分辨率 (resolution)敏感度 (Sensitivity)对比度 (Contrast) 粘滞性粘滞性粘附性抗蚀性抗蚀性

1.光刻胶的分辨率

• 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率对光刻胶的分辨率。

• 产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构 性质有关 还与特定与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。正胶的分辨率较负胶好 般2 m以下工艺• 正胶的分辨率较负胶好，一般2μm以下工艺用正胶

2.灵敏度S (Sensitivity)( y)

hS

hI t

=•

• h为比例常数；I为照射光强度，t为曝光时间• 灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即光刻胶灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即光刻胶

感光所必须的照射量。

• 曝光时间越短，S越高。• 波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长光曝光，

光刻胶有较高的灵敏度。

3.对比度(Contrast）

• 衡量光刻胶辨别亮(light)/暗(dark)区域的能力• 测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在测量方法：对 定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在

固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。

• 对比度高的光刻胶造成更好的分辨率

1

l fDγ =

10logo

f

D

D 完全溶解光刻胶所需的曝光剂量Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；

D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量

4.粘滞性• 指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标• 指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。• 与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增

加。

5 粘附性5.粘附性

描述光刻胶粘附于衬底的强度。

光刻胶与衬底膜层（SiO2 Al等）的粘结能力直接影响光刻的光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。常比正性胶有更强的粘结能力。

要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等

必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入的等工艺

6.抗蚀性

光刻胶胶膜必须保持它的粘附性 并在后续的湿刻和• 光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。

光刻胶的组成材料

光刻胶由4种成分组成：光刻胶由4种成分组成：

树脂（聚合物材料）

感光剂感光剂

溶剂

添加剂（备选）

树脂树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的

有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。

对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质－－抗刻蚀的物质 如图所示蚀的物质，如图所示。

CHCH

能量CH

CH

双键未聚合的 聚合的CH

× × × ××× × × ××

(a) (b)

正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也称为苯酚－甲醛树脂。如图所示。

邻位（ 和 ）2 6

间位（ 和 ）3 4

间甲酚 甲醛

在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量对位（ ）4

的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应

树脂

• 固体有机材料（胶膜的主体）

树脂

• 固体有机材料（胶膜的主体）

• 转移图形到硅片上

• UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变

正胶从不可溶到可溶• 正胶从不可溶到可溶

• 负胶从可溶到不可溶负胶从可溶到不可溶

感光剂

光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。在紫外区 会发生反应。即对光能发生化学反应。外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。

如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性

差 而且光谱范围较宽 添加特定的感光剂后 可差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可

以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。控制和或改变光化学反应

决定曝光时间和强度

• 溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态 以便使光刻胶能够通目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。

绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。

• 溶解聚合物

• 经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜

• 添加剂光刻胶中的 成份光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份

由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。

主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定

化学性质或光响应特性 如添加染色剂以减少化学性质或光响应特性。如添加染色剂以减少

反射。

光刻工艺光刻工艺

气相成底膜处理

• 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。除 脱水和涂底胶

1 第一步:微粒清除

目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程

中吸附到的 些颗粒状污染物中吸附到的一些颗粒状污染物。

清除方法：清除方法：

1）高压氮气吹除

2）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。

3）旋转刷刷洗3）旋转刷刷洗

4）高压水流喷洗4）高压水流喷洗

第二步:脱水烘焙

1 目的 干燥晶圆表面 使基底表面由亲水性变为憎水性 增加1 目的：干燥晶圆表面，使基底表面由亲水性变为憎水性，增加表面粘附性。

经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。

保持憎水性表面通常通过下面两种方法：一是保持室内温度在50℃以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化涂胶。另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。

亲水性表面

憎水性表面

除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。有三种温度范围：

2 脱水烘焙的三个温度范围：

150℃-200℃，低温蒸发水分；

400℃ 中温烘烤；400℃，中温烘烤；

750℃，高温烘干。

第三步 晶圆涂底胶第 步 晶圆涂底胶

• 1 用hexamethyldisilazane（HMDS）进行成膜处 六甲基 硅烷)成膜处理 (HMDS:六甲基乙硅烷)

• 2.要求：2.要求：

在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光

刻胶膜

3 光刻胶的厚度 0 5 1 5 均匀性• 3 光刻胶的厚度：0.5µm-1.5µm；均匀性：±0.01µm

2.旋转涂胶（Spin-on PR Coating）成底膜处理后，硅片要立即涂上液相光刻胶材料。成底膜处理后，硅片要立即涂上液相光刻胶材料。

常用方法：旋转涂胶法

• 静态涂胶工艺• 静态涂胶工艺

首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心，堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定 堆积量非常关键 量少了会导致大小和光刻胶的类型决定，堆积量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面

涂胶 铺展 旋转

高转速

真空

高转速

光刻光刻胶浇注

不充分 完整光刻胶 过多不充分覆盖

完整光刻胶覆盖

过多光刻胶

旋转后

光刻胶覆盖

旋转后

光刻胶覆盖

• 动态喷洒随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能

满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。要求薄而均匀的光刻胶膜。

低转速 高转速低转速 高转速

真空

• 自动旋转器生产上的涂胶机是一个完整的系统，标准的系统配置就是生产上的涂胶机是 个完整的系统，标准的系统配置就是

一条流水线：包括晶圆清洗、脱水、涂底胶、涂光刻胶、晶圆的装载装置，软烘焙箱。

旋转涂胶的四个步骤

1 分滴 当硅片静止或者旋转的非常慢时 光刻胶• 1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上

旋转铺 快 加 硅片使 刻胶伸 个硅• 2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面

• 3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。

• 4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥

3. 软烘（soft baking）3. 软烘（soft baking）

• 因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进因为光刻胶是 种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。

目的 去除光刻胶中的溶剂• 目的:去除光刻胶中的溶剂。蒸发溶剂的原因：

1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。

2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。

• 温度在90－100℃－在热板上加热在热板上加热

－时间30秒－然后在冷板上降温然后在冷板上降温

4.对准和曝光（Alignment）（Exposure ）

• 对准是将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。• 曝光是对准以后 将掩膜版和硅片曝光 把掩膜版图形转• 曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转

移到涂胶的硅片上。

亮场掩膜版：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。

暗场掩膜版：掩膜板的图形是由透光区域组成的。

• 对准和曝光包括两个系统：对准和曝光包括两个系统：

• 一个是要把图形在晶园表面上准确定位的对准系统（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；

• 另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶园表面上的机械装置）。

对准系统对准系统：对准机的性能指标

分辨率：机器产生特定尺寸的能力， 分辨率越 高

越好，机器的性能越好。

套准能力：图形准确定位的能力

• 曝光系统最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，现在最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，现在

基本上不再使用.而今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，

光刻机的种类如图所示。光学

光刻机采用紫外

光刻机的种类

线作为光源，而

非光学光刻机的光学 非光学

非光学光刻机的

光源则来自电磁

光谱的其他成分。接触式 X 线射

电子束接近式光谱的其他成分。 电子束接近式

投影式

步进式

曝光光源

一般要求：

• 短波长、高强度、高稳定性

光源的产生光源的产生：

• 高压汞灯高压汞灯

• 准分子激光器

• 普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重 满足不了特征尺寸的要求 所以作为晶园生重，满足不了特征尺寸的要求。所以作为晶园生产用的曝光光源必须是某一单一波长的光源

最广泛使用的曝光光源是高压汞灯 它所产生的• 最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV），为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄 段波长的光胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。

除自之外 现今用的光源还有 准分子激光除自之外，现今用的光源还有：准分子激光器、X射线和电子束。

下一代光源• 超UV(EUV:extreme ultraviolet)光刻

X Ra 光刻• X-Ray光刻• 电子束(E－beam)光刻( )• 离子束(Ion－beam)

曝光方法由于曝光光源的不同,曝光分为光学曝光,X射线曝• 由于曝光光源的不同,曝光分为光学曝光,X射线曝光,电子束曝光和离子束曝光

• 在光学曝光中,由于掩膜版的位置不同,又分为接触式曝光,接近式曝光和投影式曝光.

• 曝光方式:

• 一类是光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到一类是光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到光刻胶膜上,如投影式曝光

• 另一类是把光源聚集成很细的射束,直接在光刻胶• 另一类是把光源聚集成很细的射束,直接在光刻胶上扫描出图案(可以不用掩膜版),如电子束曝光

光学曝光方式光学曝光方式：

接触式• 接触式曝光 Contact printing

• 光学接近式曝光 Optical proximity printing

• 扫描投影曝光 Scanning projection printing• 扫描投影曝光 Scanning projection printing

接触式曝光 Contact printing

Mask

P RP. R.

SiO2

• 由于掩膜版与硅片相接触磨损 使得掩膜版的寿命降低Si

• 由于掩膜版与硅片相接触磨损，使得掩膜版的寿命降低。 –Fresnel diffraction 菲涅耳衍射

• Mask Image: Resist Image = 1:1, 设备简单，分辨率高，可达Mask Image: Resist Image 1:1, 设备简单，分辨率高，可达到0.5 μm 。主要用于SSI和MSI电路中

• 必须加压力，会使胶膜剥离； 易沾污，掩膜版易损坏，成品率下降 目前在生产中很少使用下降。目前在生产中很少使用。

• 由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为0

接近式曝光－proximity printing

d= 10 ~ 25 μmd 10 25 μm

• 最小线宽: Wm= (dλ)1/2

• d:间隔； λ：光源波长d:间隔； λ：光源波长

• 分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为2－4µm，d=10um,I-line (365nm)

W 2um⇒ W ≈2um

优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，掩膜寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。膜寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。

缺点：分辨率低，图形模糊，操作比较复杂

投影式曝光－projection printing投影式曝光 p j p g

利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法

现在的工艺普遍采用投影式光刻机，投影式光刻具有下列特点

利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法

避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。

掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难。

消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。

为了提高分辨率 减少图形畸变 一次曝光的象场较小 采用扫描式曝光为了提高分辨率，减少图形畸变， 次曝光的象场较小，采用扫描式曝光。

Fraunhofer diffraction 夫琅禾费衍射：

投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂

投影式曝光分类

扫描投影曝光（Scanning Project Printing）

分步重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或 Stepper）（Stepping repeating Project Printing或 Stepper）。

步进扫描投影曝光步进扫描投影曝光（ Stepping – Scanning ProjecPrinting）

光学曝光的各种曝光方式及其利弊

接触

优点：设备简单，分辨率较高。触式

优点：设备简单，分辨率较高。

缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。

非

接近式优点：掩模版寿命长，成本低。

缺点：衍射效应严重，影响分辨率。非接触 全反射

优点：无像差，无驻波效应影响。

缺点：光学系统复杂 对准困难式

投影式

缺点：光学系统复杂，对准困难。

优点：对片子平整度要求低，可采用

折射较大孔径的透镜以提高分辨率，

掩模制造方便。掩模制造方便

缺点：设备昂贵，曝光效率低。

先进的曝光技术

X射线曝光

先 的曝光技术

电子束曝光

离子束曝光离子束曝光

深紫外线曝光深紫外线曝光

电子束曝光

• 分为投影式和扫描式分为投影式和扫描式

• 电子束曝光的特点：

电子束曝光的精度较高 电子束的斑点可电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高肉眼观察要高。

电子束曝光改变光刻图形十分简便。电子束曝光机是把各次曝光图形用计算机来完成束曝光机是把各次曝光图形用计算机来完成扫描电子束曝光不要掩膜版。电子束曝光设备复杂，成本较高。电子束曝光设备复杂，成本较高真空中进行，清洁度高缺点是产量小

X射线曝光• 1）曝光光源：X射线，这是一种用于深亚微米

（可达 0.1微米）工艺的光刻技术（可达 0.1微米）工艺的光刻技术

• 2）掩膜版：黄金或其他能挡住X射线的材料

• 3）优点

波长应用范围0.5－2nm，分辨率高焦深大，工艺宽容度大有机尘粒缺陷不敏感

• 4）一般原理

一种1：1的接近式光刻方法机械装置对准，用X射线光源使含有对X线透明和不透明区的掩膜图形成像到涂有对X射线敏感的光刻胶的硅片表面 最终形成器件制作所感的光刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所需的图形。

X 射线光源有二种X 射线光源有二种

1 X 射线点光源1.X 射线点光源用电子束轰击靶发射的X光

2.同步辐射光源2.同步辐射光源电子在磁场沿曲线轨道运动发出电磁辐射

各种光源的比较各种光源的比较光谱 波长 掩模材料 分辨率光谱 波长

（nm)掩模材料 分辨率

紫外光 365 ~ 玻璃/Cr 0 5紫外光UV

365 ~436

玻璃/Cr 0.5 μm

深紫外光 193 石英/Cr Al 0 2深紫外光DUV

193 ~248

石英/Cr、Al 0.2 μm

极紫外光 10 15 多涂层反射层/ 0 1极紫外光EUV

10 ~ 15 多涂层反射层/金属吸收层

0.1 μm

射线X 射线 0.2 ~ 4 Si、Si3N4、Al2O3/ Au、Pt、Os 等

＜0.1 μm

曝光后烘烤（PEB）曝光后烘烤（PEB）后烘（PEB，Post Exposure Baking）后烘（PEB，Post Exposure Baking）

• 目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波。

显影（Development）• • 显影液溶解部分光刻胶

将掩膜上的图形转移到光刻胶上

显影（Development）

• • 将掩膜上的图形转移到光刻胶上

三个基本步骤: 显影－清洗－干燥

显影的三个主要类型的问题：

显影不完全（I l t D l t） 表

不完全显影 显影不足 严重过显影。

• •a、显影不完全（Incomplete Development）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；

• b、显影不够（Under Development）。显影的侧壁不垂直 由显影时间不足造成显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；

• c、过度显影（Over Development）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。

显影时间太长显影时间太长

正胶和负胶的显影

负光刻胶（Negative PR）显影负光刻胶（Negative PR）显影1）显影剂（developer solution）：二甲苯2）冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐2）冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐

作用：快速稀释显影液，冲洗光刻胶

正光刻胶（Positive PR）显影1）显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；2）冲洗剂：水）冲洗剂：水

正胶的显影工艺更加敏感正胶的显影工艺更加敏感。

显影方法显影方法

显影方式分为 湿法显影 干法（等离子）显影显影方式分为：湿法显影 干法（等离子）显影

湿法显影湿法显影

沉浸显影沉浸显影 ；

连续喷雾（continuous spray）显影；连续喷雾（continuous spray）显影；

旋覆浸没（puddle）显影旋覆浸没 p 影

1 沉浸显影 最原始的方法 就是将• 1.沉浸显影 最原始的方法。就是将待显影的晶园放入盛有显影液的容器中，经过一定的时间再放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗。比较简单，但存在的问题较多 比如：洗。比较简单，但存在的问题较多，比如：液体表面张力会阻止显影液进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶园表面影响显影质量溶解的光刻胶粘在晶园表面影响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和污染；显影温度对显影率的影响等 在大规模生产的影温度对显影率的影响等。在大规模生产的今天，此方法不再适用。

冲洗

2.连续喷雾显影（continuous spray development）

显影系统如图所示。由此可见，显影

冲洗

显影剂

development）自动旋转显影（Auto-rotation Development）

显影系统如图所示。由此可见，显影剂和冲洗液都是在一个系统内完成，每次用的显影液和冲洗液都是新的，所以次用的显影液和冲洗液都是新的，所以较沉浸系统清洁。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面 同时硅片低速旋转（100表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。

喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率 真空喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

近年来，喷雾显影已大部分被浸没显影代替，因为后近年来，喷雾显影已大部分被浸没显影代替，因为后者为上面的因素提供了更大的工艺窗口。

3.水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）

喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状硅片固定或慢慢旋转。硅片表面，并形成水坑形状硅片固定或慢慢旋转。

一般采用多次旋覆显影液：

第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。（多次旋覆浸没补充了显影液的化学药品，更新显影液和光刻胶之间的化学反应）胶之间的化学反应）

然后甩掉多余的显影液，用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。两面的所有化学品）并旋转甩干。

优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。梯度。

干法显影干法显影

液体工艺的自动化程度不高 并且化学品的采购 存• 液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。

杂质掺杂

• 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质 形成PN结 电阻以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触

磷(P) 砷(As) N型硅– 磷(P)、砷(As) —— N型硅– 硼(B) —— P型硅

• 掺杂工艺：扩散、离子注入

扩 散扩 散• 替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：

– Ⅲ、Ⅴ族元素– 一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行( )– 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层

• 间隙式扩散 杂质离子位于晶格间隙• 间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：– Na、K、Fe、Cu、Au 等元素– 扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级

杂质横向扩散示意图

固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等

利用液态源进行扩散的装置示意图

离子注入离子注• 离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术 掺杂深度由入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定– 掺杂的均匀性好掺杂的均匀性好– 温度低：小于600℃可以精确控制杂质分布– 可以精确控制杂质分布

– 可以注入各种各样的元素– 横向扩展比扩散要小得多。– 可以对化合物半导体进行掺杂可以对化合物半导体进行掺杂

离子注入系统的原理示意图

离子注入到无定形靶中的高斯分布情况离子注入到无定形靶中的高斯分布情况

退 火退 火• 退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活

泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火

– 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性 产生自由载流子 起到杂质的作用以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用

– 消除损伤• 退火方式• 退火方式：

– 炉退火快速退火：脉冲激光法 扫描电子束 连续波激光– 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)

氧化工艺氧化工艺• 氧化：制备SiO2层

SiO 的性质及其作用• SiO2的性质及其作用• SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳

定 室温下它只与氢氟酸发生化学反应定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应

氧化硅层的主要作用氧化硅层的主要作用• 在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分的组成部分

• 扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层Si3N4层 起使用)阻挡层

• 作为集成电路的隔离介质材料• 作为电容器的绝缘介质材料• 作为电容器的绝缘介质材料• 作为多层金属互连层之间的介质材料• 作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料• 作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料

SiO2的制备方法2的制备方法• 热氧化法

–干氧氧化–水蒸汽氧化水蒸汽氧化–湿氧氧化干氧 湿氧 干氧(简称干湿干)氧化法–干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法

–氢氧合成氧化氢氧合成氧化• 化学气相淀积法热分解淀积法• 热分解淀积法

• 溅射法溅射法

进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图

化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(CVD)

化学汽相淀积 通过气态物• 化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程

• CVD技术特点• CVD技术特点：– 具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点

– CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜 例如掺杂或不掺杂的SiO 多晶硅 非晶硅薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等

化学汽相淀积(CVD)

• 常压化学汽相淀积(APCVD)• 低压化学汽相淀积(LPCVD)• 等离子增强化学汽相淀积(PECVD)• 等离子增强化学汽相淀积(PECVD)

APCVD反应器的结构示意图

LPCVD反应器的结构示意图

平行板型PECVD反应器的结构示意图

化学汽相淀积(CVD)( )• 单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上

生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫生长单晶材料的 艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片

• 二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源

低 氧化层 低– 低温CVD氧化层：低于500℃– 中等温度淀积：500～800℃– 高温淀积：900℃左右

化学汽相淀积(CVD)( )• 多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。集成度得到很大提高。

• 氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780～820℃)的LPCVD或低温(300℃) PECVD方法淀积的LPCVD或低温(300℃) PECVD方法淀积

物理气相淀积(PVD)物理气相淀积(PVD)• 蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以

脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子 淀积在晶片上 按照脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种

溅射 真空系统中充入惰性气体 在高压电场作用下 气• 溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上逸出并被溅射到晶片上

蒸蒸

发发

原原

理理

图图

集成电路工艺

• 图形转换：– 光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻– 刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀

• 掺杂：– 离子注入 退火离子注入 退火– 扩散

制膜• 制膜：– 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等– CVD：APCVD、LPCVD、PECVD– PVD：蒸发、溅射