集成电路制造工艺及设备

P型硅 （100）5-50Ω-cm

不同材料的阻钠能力
钝化结构
可动离子 密度(/ cm2) SiO2 /Si PSG /SiO2 /Si Si3N4 /Si Si3N4 / SiO2 / Si

＞1013

4.3×1012 6.5×1010 6.6×1010

虽然Si3N4/Si结构具有最好的阻钠能力，实 际上由于界面存在极大的应力与极高的界面态密 度，所以都采用Si3N4/ SiO2/ Si 结构。
膜的最大优点是工作温度比较低，其中LTO 的

工作温度是620℃左右， PECVD方式淀积SiO2
的温度可以在200 ℃以下。不同的淀积方式、用

不同的源淀积的SiO2在密度、折射率、应力、介
电强度、台阶覆盖和腐蚀速率等各方面性能上都 有很大差别。溅射方式制作SiO2薄膜 的温度低、 质量好，但是效率低、成本高。

t

qN S S I

（6 - 10）

其中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描 I 是注入的束流（安培），t 是注入时间（秒）。

面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷（1.6×10-19库仑），

例题：如果注入剂量是5×1015，束流 1mA，求注入一片6英寸硅片的时间

根据公式（4-6）

4.3 铝布线的优缺点

优点

■ 同硅或多晶硅能形成欧姆接触
■ 电阻率能满足微米和亚微米电路的要求

■ 与 SiO2 有良好的附着性
■ 台阶的覆盖性好 ■ 易于淀积和刻蚀 ■易于键合 ■能长期工作

缺点
■ 在大电流密度下容易产生金属离子

电迁移现象，导致电极短路。
■ 铝硅之间容易产生“铝钉”，深度可

达1μm，所以对于浅结工艺很容易造 成PN结短路。

靶

载片台 反应气体 真空泵

射频溅射

PECVD

溅射通常使用Ar气，荷能正离子把靶 材上的原子溅射到硅片上，而PECVD是 两种反应气体在等离子体中分解为具有高

活性的反应粒子，这些活性反应粒子在衬
底表面发生化学反应生成薄膜。

5.3 等离子体刻蚀
物理方法干法刻蚀是利用辉光放电 将惰性气体，例如氩气（Ar），解离成 带正电的离子，再利用偏压将离子加速，

LIGA技术
剥离技术（Lift Off）

4. 薄膜工艺

膜的工艺要求
● 好的台阶覆盖（step coverage）能力。 ● 填充高的深宽比间隙的能力。 ● 好的厚度均匀性。 ● 高纯度和高密度。 ● 受控制的化学剂量。 ● 高度的结构完整性和低的膜应力。

● 好的电学性能。 ● 对衬底材料或下层膜好的粘附性。

3. 光刻工艺
光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种： 正胶是感光部分显影时溶解掉，负胶则相反。
光刻胶应该具有以下基本性能： 灵敏度高；分辨率高；同衬底有很好的粘附性， 胶膜表面沾性小；胶膜致密性好，无针孔；图形 边缘陡直，无锯齿状；显影后留膜率高，不留底 膜或其它颗粒物质；在显影液和其它腐蚀剂里抗 蚀性强、抗溶涨性好；去胶容易，不留残渣； 底膜是指显影后还有一层薄薄的胶。

靶 E +
～

C

载片台 直流溅射 射频溅射

5.2 PECVD
PECVD是让两种反应气体在衬底 表面发生化学反应，如：PECVD淀积 Si3N4 。

3SiH4 ＋ 4NH3 → Si3N4 ＋ 12H2
它的化学反应同LPCVD完全一样， 差别就是反应的温度不同。

溅射同PECVD的差别
RF电源

C
E
～

具有设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接
触、硬接触和软wenku.baidu.com触三种方式，其中真空接触具

有接触力均匀、掩膜变形小和可以消除氧气对光
刻胶的影响等优点。由于接触式曝光时掩膜版同

光刻胶直接接触，所以掩膜版容易损伤，图形缺
陷多、管芯成品率低、不适合VLSI生产。

接近式曝光 接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开 10 ～50 μm，所以掩膜版不容易被损伤， 掩膜版的使用寿命长，图形的缺陷少， 管芯的成品率高，但是缺点是分辨率低， 同时机器操作比接触式曝光机复杂、价 格也稍贵。

关于考试
1. 闭卷考试； 2. 考试时间（等通知） 3. 考试地点（等通知） 4. 需要携带计算器，画图时可用直尺也可不用。



Si3N4作为硅片高温局部氧化的掩蔽层
Si3N4 膜

匀胶、曝光、显影、 坚膜、刻蚀Si3N4

去胶、清洗、 场区氧化1μm

Si3N4作为硅片湿法腐蚀的掩蔽膜
Si3N4

〈 100〉/ 〈111〉的腐蚀比达400：1

Si3N4作为硅芯片的保护膜
钝化层

铝焊盘

P+

N

P+

N+

P

N+

N Well

P Well

长的 SiO2 膜，但它具有生长速率快的优点， 其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件 的要求。其缺点是表面有硅烷醇存在，使 SiO2 膜与光刻胶接触不良，光刻时容易浮 胶。同时，湿氧氧化后的 Si 片表面存在较 多的位错和腐蚀坑。

在实际工艺应用中，生长高质量的几 百Å 的SiO2薄膜一般采用干氧的方式。 SiO2薄膜厚度需要几千Å以上时，一般采 用干氧—湿氧—干氧的方式，既保证了所 需的厚度，缩短了氧化时间，又改善了表 面的完整性和解决了光刻时的浮胶问题。 ●热氧化生长的SiO2薄膜质量好，但是反 应温度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。

t

qN S S I

t=（1.6×10-19×5×1015× 3.14×7.52）/ 1× 10-3 =141秒

注入剂量、标准偏差和峰值浓 度之间的近似关系：

N max 

0.4 N S R p

（6 - 14）

离子注入的损伤和退火效应
对于原来原子排列有序的晶体，由于离子 注入，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。 对于高能、大剂量的重离子注入到硅单晶中， 如As+，将使局部晶体变成非晶体。

2. 离子注入
离子注入的优点
● 离子注入可以通过分别调节注入离子

的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和 浓度，所以可以制备理想的杂质分布。

●

扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及 固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物 理过程，所以它可以注入各种元素。

●

扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一 般在室温下进行（也可以在加温或低温下进 行）。

5. 等离子体加工技术小结
5.1 溅射 根据采用的电源种类，等离子体溅射 有两种方式：直流阴极溅射和射频溅射。 直流阴极溅射是荷能粒子（一般采用 正离子）轰击处在阴极的靶材，把靶材上 的原子溅射到阳极的硅片上。

如果靶材是绝缘介质或导电靶上受绝 缘介质污染时，相当于在等离子体与阴极 之间有一个电容器，采用直流电源实现溅 射存在困难，所以对于绝缘靶的溅射一般 采用射频（RF）电源，但是它必须要在硅 片与靶之间加一个直流偏压。

图形转移工艺

淀积薄膜
匀胶、前烘

紫外光 掩模版

曝

光

显影、坚膜 腐
衬底

蚀 胶

去

紫外光
掩膜版

正胶

正胶和负胶

负胶

↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓

↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓

Si

Si

匀胶 正胶感光区域 溶于显影液

曝光

显影 负胶未感光区 域溶于显影液

光学曝光的三种曝光方式

接触式曝光

接近式曝光

投影式曝光

接触式曝光
接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它

轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀物材
料的原子击出。整个过程完全是物理上

的能量转移，所以称为物理性刻蚀。

物理方法干法刻蚀同溅射的差别
靶
阳极（或离子源）

阴极

+
载片台
Ar
RF

抽真空

直流溅射

物理干法刻蚀

RIE同PECVD的差别
RIE是反应离子刻蚀，它依靠低压刻蚀气体 在电场加速作用下辉光放电而生成带电离子、分 子、电子以及化学活性很强的原子团，这些原子 团扩散到被刻蚀材料表面，与被刻蚀材料表面原 子发生化学反应，形成挥发性的反应产物并随气 流被真空泵抽走，从而实现刻蚀。而PECVD是 两种反应气体在等离子体中分解为具有高活性的 反应粒子，这些活性反应粒子在衬底表面发生化 学反应生成薄膜。衬底需要加热。
2

（4- 12）

式中

1 1  A  2D   hg   kS  

B

2 DHPg N1
（3- 13）

 

t0  At0

2

B 在各种工艺条件下，参数A和B都是已知的，t 是氧化 时间。τ 是一个时间参数，单位是小时（h）。

3.2 热氧化原理和方法
硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧 是在高温下氧分子与硅表面的原子反应生 成SiO2 。 O2 SiO2 反应 扩散 Si Si + O2 = SiO2

投影式曝光

光刻工艺中的投影式曝光分1 : 1、4 : 1、 5 : 1几种。 投影式曝光的掩模版同硅片不接触，对 于4:1、5:1缩小的投影曝光，可以得到更小 的图形尺寸，可以减少掩模版上缺陷（如灰 尘等颗粒）对成品率的影响。 stepper是IC制造工艺中最重要的设备， 也是最昂贵的设备，

特殊的光刻工艺

4.1 CVD法制作SiO2薄膜

APCVD、LPCVD、PECVD或溅射
等方式都可以得到SiO2薄膜。这种制作二 氧化硅薄膜的方法同硅的热氧化制作二氧 化硅有着本质上的区别：前者是同衬底材 质没有关系，二氧化硅是淀积到衬底上去 的；后者是硅衬底直接同氧或水在高温下 进行化学反应生成二氧化硅。

采用LPCVD、PECVD或溅射等方式制作薄

注入离子的激活
注入的离子在硅单晶中往往处于间
隙位置，一般不能提供导电性能，因此，

必须要使注入的杂质原子转入替位位置
以实现电激活。

离子注入后的热退火
高能粒子撞击硅片表面，造成晶格损

伤，因此为了消除离子注入造成的损伤和
激活注入的杂质离子，离子注入后必须要

进行热退火。最常用的是在950℃高温炉
中在氮气保护下，退火15～ 30分钟。热退 火后对杂质分布将产生影响，LSS理论的 射程RP和标准偏差ΔRp 要作修正。

4.2 Si3N4薄膜的性质 Si3N4在器件制造中可以用作钝化膜、 局部氧化扩散掩膜、硅湿法腐蚀的掩蔽膜、 绝缘介质膜以及杂质或缺陷的萃取膜。它 最重要的性质是对H2O、O2 、Na、Al、 Ga、In等都具有极强的扩散阻挡能力。特 别是对H2O和Na 的强力阻挡作用，使它成

为一种较理想的钝化材料。
复

习

1. 高温氧化工艺
1.1 硅的热氧化 硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧 气或水进行反应，生成SiO2 。 硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三 种。

1.2 硅热氧化的厚度计算
如果氧化前已存在厚度为 t0 的氧化层，则（3-11） 微分方程的解为：（tOX ：是总的氧化层厚度）

tOX  AtOX  Bt   

1.3 不同的热氧化方式生长的 SiO2 膜性质比较 ● 干氧氧化的 SiO2 膜结构致密，干燥、均匀
性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好，

与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。
● 水汽氧化的 SiO2 膜结构疏松，表面有斑点

和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差，
所以在工艺中很少单独采用。

● 湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生

6. MEMS器件制造
要选择好合适的牺牲层！
Poly-Si SiO2

P-Si

生长SiO2

光刻

淀积多晶硅 腐蚀SiO2

光刻多晶硅

7. 封装工艺
封装工艺
管芯 外壳 ＋ （Chip） （package） 器件 （device）

packaging
封装就是给管芯（chip）与线路板 （PCB）之间提供信号互连、电源分配、 机械支撑、环境保护和导热通道。

●

离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有 害物质进入硅片。 热扩散时只能采用SiO2 等少数耐高温的介质 进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光 刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。 热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向 扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩 散很小。

●

●

电流积分仪
在离子注入机中，利用电流积分仪测量 注入的离子总数N：

N  NS S 

Q q



1

 q

t

idt

（6 - 8）

0

式中：NS 单位面积的注入剂量（个/cm2 ），S 是扫描

面积（cm2 ），q 是一个离子的电荷（1.6×10-19库仑），

Q 是注入到靶中的总电荷量（库仑），i是注入的束流
（安培），t 是注入时间（秒）。

如果束流是稳定的电流I，则： It NS S  （6 - 9） q