集成电路制造工艺

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LPE 意味着 在晶 体 衬底 上 用金属 性 的 溶液 形 成 一 个薄 层。在加 热 过 的 饱 和 溶液里放 上 晶 体 , 再把溶液 降 温 , 外延层便可形成在晶 体 表 面。原因在于溶解度随温度变化而变化。 LPE是最简单最廉价的外延生长方法.在III/IV 族化合物器件制造中有广泛的应用.但其外延 层的质 量 不 高 . 尽管 大 部分 AlGaAs/GaAs 和 InGaAsP/InP 器 件 可 用 LPE 来 制 作 , 目 前 , LPE逐渐被VPE, MOCVD, MBE法代替.
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3.1 外延生长(Epitaxy)
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不同的外延生长工艺可制出不同的材料系统. 可以在硅衬底上生长上GaAs，在GaAs上生长上 InP。
各种外延生长工艺 n 液态生长 n 气相外延生长 n 金属有机物气相外延生长 n 分子束外延生长
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液态生长(LPE: Liquid Phase Epitaxy)
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第3章 IC基本工艺
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 外延生长 掩膜制作 光刻 刻蚀 掺杂 绝缘层形成 金属层形成
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3.1 外延生长
• “外延” 指在单晶衬底上生长一层新单晶的技 术。新生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向 外延伸而成，故称“外延层”。 • 外延生长之所以重要，在于外延层中的杂质 浓度可以方便地通过控制反应气流中的杂质含 量加以调节，而不依赖于衬底中的杂质种类与 掺杂水平。
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2. 图案发生器方法 (PG: Pattern Generator)
在 PG 法 中 , 规 定 layout 的 基 本 图 形 为 矩 形 . 任 何 版图 都 将 分 解成 一系 列 各种 大 小、 不 同 位 置 和方向 的矩形条的组合. 每 个矩形条用5个参数 进行描述: (X, Y, A, W, H)
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图 3.5
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电子束制版三部曲：
1) 涂抗蚀剂,抗蚀剂采用PMMA. 2) 电子束曝光,曝光可用精密扫描仪，电子 束制版的一个重要参数是电子束的亮度， 或电子的剂量。 3) 显影: 用二甲苯。二甲苯是一种较柔和的 有弱极性的显影剂，显像速率大约是 MIBK/IPA的1/8，用IPA清洗可停止显像过 程。
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再烘晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝光
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正性胶与负性胶光刻图形的形成
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涂光刻胶的方法(见下图)：
光刻胶通过过滤器滴入晶圆中央，被真空吸盘吸牢的 晶圆以2000 ∼8000转/分钟的高速旋转，从而使光刻 胶均匀地涂在晶圆表面。
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图 3.6
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光刻步骤二、三、四
二、曝光: 光源可以是可见光,紫外线, X射 线 和电 子束 。 光 量 ， 时 间 取决于光刻 胶的型号，厚度和成像深度。 三、显影 : 晶 圆 用 真空 吸 盘 吸牢 ， 高 速 旋 转，将显影液喷射到晶圆上。显影后， 用清洁液喷洗。 四、烘干: 将显影液和清洁液全部蒸发掉。
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气相外延生长 (VPE: Vapor Phase Epitaxy)
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这是一种在集成电路制造中最普遍采用的硅外 延工艺，该工艺利用加热来提供化学过程进行 所需的能量。
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VPE是指所有在气体环境下在晶体表面进行外延生 长的技术的总称。在不同的VPE技术里，卤素 (Halogen)传递生长法在制作各种材料的沉淀薄层 中得到大量应用。任何把至少一种外延层生成元素 以卤化物形式在衬底表面发生卤素析出反应从而形 成外延层的过程都可归入卤素传递法，它在半导体 工业中有尤其重要的地位。用这种方法外延生长的 基片，可制作出很多种器件，如GaAs，GaAsP， LED管。GaAs微波二极管，大部分的Si双极型 管，LSI及一些MOS逻辑电路等。
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双极型 集成电路 元器件间 的 隔离问题 可 通过 外延与隔离扩散技术相结合 而 获得 解决。外延 技术还 可用于解决 高频功率 器件 的 击穿电压与集电极串联电阻对集 电极电阻率要求之间的矛盾 ； 掺杂 较少 的外延层 保证 了 较高 的 击穿电压 ， 高 掺 杂的衬底降低了集电极的串联电阻。
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什么是掩膜？
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掩膜 是 用 石 英玻璃做成的均匀平 坦的薄 片，表面上涂一层600∼800Å厚的铬(Cr) 层， 使 其表面 光 洁 度 更 高 。称之为 铬 板，Cr mask。
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整版及单片版掩膜
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整版按 统一 的 放 大 率 印 制， 因 此 称为 1X 掩 膜。这 种 掩膜在 一 次曝 光中，对应 着 一 个 芯 片 阵列 的所有电路的 图 形 都 被 映 射 到 基 片的光刻胶上。 单片版通常把实际电路放大5或10倍，故称 作5X或10X掩膜。这样的掩膜上的图案仅对 应 着 基 片上 芯 片 阵列 中的 一 个 单 元 。 上 面 的 图案 可 通过步进 曝 光 机 映 射 到 整 个 基 片 上。
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电子束扫描法(续)
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电子束扫描装置的用途: 制造掩膜和直写光刻。 电子束制版的优点： 高精度 电子束制版的缺点： 设备昂贵 制版费用高
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3.3 光刻 (Lithography)
n 在IC的制造过程中，光刻是多次应用
的重要工序。其作用是把掩膜上的图 型转换成晶圆上的器件结构。
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IC、Mask & Wafer
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图3.2
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整版和接触式曝光
在这种方法中, 掩膜和晶圆是一样大小的. 对应于3”∼8”晶圆, 需要3”∼8”掩膜. 不过晶 圆是圆的, 掩膜是方的 n 这样制作的掩膜图案失真较大, 因为版图 画在纸上, 热胀冷缩, 受潮起皱, 铺不平等 n 初缩时, 照相机有失真 n 步进重复照相, 同样有失真 n 从mask到晶圆上成像, 还有失真.
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分子束外延生长
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(MBE: Molecular Beam Epitaxy)
MBE在超真空中进行，基本工艺流程包含产 生轰击衬底上生长区的III，V族元素的分子 束等。MBE几乎可以在GaAs基片上生长无限 多 的 外 延 层 。 这 种 技 术 可 以 控 制 GaAs， AlGaAs 或 InGaAs 上 的生长 过程 ， 还 可以 控 制掺杂的 深 度和 精 度 达纳 米极 。 经过 MBE 法 ，衬底在 垂 直方向 上 的 结构 变化 具 有 特 殊的物理属性。 n MBE的不足之处在于产量低。
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图 3.3
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图案发生器方法(续)
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利用这些数据控制下图所示的一套制版 装置。
图 3.4
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3.
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X射线制版
由于X射线具有较短的波长。它可用来制作 更高分辨率的掩膜版。X-ray掩膜版的衬底 材料与光学版不同，要求对X射线透明，而 不 是 可 见 光 或 紫 外 线 ， 它 们 常 为 Si 或 Si 的 碳化物。而Au的沉淀薄层可使得掩膜版对X 射线不透明。X射线可提高分辨率，但问题 是 要 想 控 制 好 掩膜 版 上 每 一 小 块区 域 的 扭 曲度是很困难的。
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Si基片的卤素生长外延
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在 一 个 反 应 炉内 的 SiCl4/H2 系统 中 实现： 在水平的外延生长炉中，Si基片放在石英 管中的石墨板上，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 作 用 下 ， 发 生 SiCl4+2H2àSi+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0.5~1 µm/min.
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早期掩膜制作方法：
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人们先把版图(layout)分层画在纸上, 每一 层 mask 一种 图案 . 画 得 很 大 , 50 ×50 cm2 或100×100cm2, 贴在墙上, 用照相机拍照. 然后缩小10∼20倍, 变为5×5∼2.5x2.5 cm2 或10×10∼5×5 cm2的精细底片. 这叫初缩. n 将 初缩 版 装 入 步进 重 复 照 相机 , 进一步 缩 小到2×2 cm2或3.5×3.5 cm2, 一步一幅印 到铬(Cr)板上, 形成一个阵列.
3.3.1 光刻步骤
一、晶圆涂光刻胶：
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清洗晶圆，在200°C温度下烘干1小时。目的是防 止水汽引起光刻胶薄膜出现缺陷。 待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。
¨ 光刻 胶有 两 种： 正性(positive)与负性(negative)。
正性胶显影后去除的是经曝光的区域的光刻胶，负性 胶显影后去除的是未经曝光的区域的光刻胶。 ¨ 正性胶适合作窗口结构, 如接触孔, 焊盘等，而负性胶 适用于做长条形状如多晶硅和金属布线等。 ¨ 常用OMR83,负片型。 ¨ 光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可在黄 光下操作。
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金属有机物气相外延生长
（MOVPE: Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）
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III-V 材料 的 MOVPE 中，所需要生长的 III，V 族 元 素 的 源 材料 以 气体 混 和 物 的形 式 进 入 反 应 炉 中 已 加 热 的生长 区 里 ，在 那 里 进行 热分 解与 沉淀 反 应。 MOVPE 与 其它 VPE 不 同 之 处 在于 它 是 一种 冷壁 工艺， 只 要 将 衬底 控 制 到 一定温度就行了。
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3.1 外延生长(Epitaxy)
外延生长的目的