硅加工工艺PPT课件
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升起来，在籽晶的周围逐渐生长出单晶硅，最后 形成圆柱形的单晶棒。
生成的单晶硅经过物理性能测试和电气参数测 试后对其进行切割，形成硅单晶片，然后再对硅 单晶片进行研磨、倒角、抛光，最后得到需要的
单晶生长设备
生长硅单晶
单晶生长设备
2.2 掺杂
ⅢA族受主掺质(P型)
元素
原子量
硼
5
铝
13
镓
离子注入的基本原理
离子注入设备
2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
化学气相沉积
将晶圆放在一个特制的炉内，炉是一个能够承受非常高温 度的石英炉管。
正胶和负胶的性质
• 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
正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中 ，一般只采用正胶
负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条
下凹图形的加工（正胶）
暗场掩膜板：掩膜板上除了透光的地方全都覆 盖着一层铬层，被铬覆盖了大部分区域的掩膜 板被称为暗场掩膜板。
另一种CVD技术是等离子增强化学气相沉积-PECVD，跟CVD非常相像，所不 同的是利用等离子体代替高温启动化学反应。
等离子体提供了气体间化学反应的能量而不用提高晶圆的温度，低温将有助于 维持原先的杂志分布，避免杂质的进一步扩散。
2.4 氧化层生长
硅表面上总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使 是刚刚解理的硅，在室温下，只要在空气中，一暴 露就会在表面上形成几个原子层的氧化膜。氧化膜 相当致密，能阻止更多的氧原子通过它继续氧化。
硅加工工艺
2.1 硅晶圆制程
1．硅单晶片的制备 制造集成电路芯片需要硅单晶，硅单晶片实际上
是从圆柱形的单晶硅锭上切割下来的。 单晶硅锭的生长方法主要有“直拉法”和“悬浮
区熔法”。一般用直拉法制造硅单晶，在这里我们介 绍采用直拉法制备硅单晶。
直拉法制备硅单晶： 加热一个大坩埚中的硅，直到它熔化。 一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融的硅熔液中 在旋转籽晶的同时缓慢地将其从硅的熔融液中提
31
铟
49
ⅣA族半导体
元素
原子量
碳
6
硅
14
锗
32
锡
50
ⅤA族施体掺质(N型)
元素
原子量
氮
7
磷
15
砷
33
锑
51
• 在目前的集成电路生产中，扩散方式主要有两种 ：恒定表面源扩散和有限表面源扩散。 (1) 恒定表面源扩散。如果硅片(或其他半导 体晶片)表面的扩散杂质浓度在扩散的过程中始终 保持不变，则这种扩散方式叫做恒定表面源扩散 。在恒定表面源扩散的过程中，不断有外来源补 充因扩散到硅片(或其他半导体晶片)中而损失的 杂质源。 (2) 有限表面源扩散。如果扩散之前在硅片 表面先沉积一层杂质作为扩散的杂质源，在整个 扩散过程中不再有新源补充，则这种扩散称为有 限表面源扩散。
在炉管的一端安放了一些将被泵入的可高度反应的气体。 混合气体被高温激励而相互碰撞反应，这些反应气体在炉 管内被输运直到它们撞击到晶圆，由于晶圆的温度比气体 低，因此，混合气体中的硅被凝聚在晶圆的表面。
这个过程就在晶圆表面生长了与衬底晶格一致的外延层。
采用不同的气体混合，就能够生长不同类型的硅。可以是N型的，也可以是P 型的。
IC制造中最 关键的步骤
IC晶圆中最 昂贵的设备
最有挑战 的技术
决定最小 特征尺寸
光刻胶：光敏材料，利用光刻胶的保护，能够 对区域选择加工，仅仅对未被保护的区域能够 进行注入、刻蚀、溅射等。
掩膜板：一块有图形的玻璃板，透过这块玻璃 板投射一束光到晶圆的表面，就在晶圆的表面 形成了图形的阴影。光线通过玻璃板上透过区 域照射到光刻胶上使其曝光，而板上的图形阻 碍了光线的通过，未被曝光的区域是抗蚀层。
这种天然形成的氧化层厚度只能达到40Å左右。形 成的二氧化硅不但能紧紧地依附在硅衬底上，而且 具有极为稳定的化学特性和电绝缘特性。
氧化硅层的主要应用
二氧化硅的重要应用可归结为以下几个方面： 表面钝化层 掺杂阻挡层 表面绝缘层 器件绝缘层
掺杂阻挡层
图4-4 作为掺杂阻挡层的二氧化硅
离子注入的基本原理
• 离子注入和退火再分布 • 基本原理是用能量为100keV量级的离子束入射到材料
中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物 理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最 后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能 发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的 优异性能。
2.7 去除ห้องสมุดไป่ตู้料层
刻蚀技术：包含了所有将材质表面均匀移除或是有选择性 的部分去除的技术。例如去除金属、氧化层等。
2.8 光刻
• 光刻是利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影曝 光到涂过光刻胶的硅片上。最终的图形是用多个掩膜 版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来 的。光刻占硅片工艺60%的时间。
在一个密闭容器中，晶圆上方悬挂着一大块准备沉积的金属材料，该金属 将被轰击到晶圆的表面形成一个新的表面层，方法？
• 溅射：用高能等离子体轰击某种材料的靶面，而使靶 材表面的原子或分子从中逸出并淀积在衬底材料上的 现象。
2.6 蒸发
• 蒸发：通过不同的加热方式使原材料气化后，直接（ 或与反应气体反应后）在衬底上成膜。
(3.2)
水汽氧化 水汽氧化是指在高温下，利用硅与高纯水反应生成二
氧化硅的方法。 在水汽氧化中水分子在二氧化硅中的扩散速度快，但
质量比在干氧氧化中生成的二氧化硅要差。
Si 2H2O 高温SiO 2 2H2
(3.3)
2.5 溅射
高能等离子体能够帮助我们沉积某些不能通过CVD沉积的材料，在称为溅 射台的设备中，利用氩气等惰性气体产生等离子体，利用等离子体轰击出材 料原子。
表面绝缘层
图4-5 作为绝缘层的二氧化硅层
器件绝缘层
图4-6 在MOS栅极中，二氧化硅作为场氧化
器件绝缘层
图4-7 在固态电容里的二氧化硅层
干氧氧化
干氧氧化是指在高温下，氧气与硅反应生成二氧 化硅的氧化方法。干氧氧化具有速度慢、氧化膜质量 好的特点。其反应方程式如式所示。
Si O2 高温SiO 2
生成的单晶硅经过物理性能测试和电气参数测 试后对其进行切割，形成硅单晶片，然后再对硅 单晶片进行研磨、倒角、抛光，最后得到需要的
单晶生长设备
生长硅单晶
单晶生长设备
2.2 掺杂
ⅢA族受主掺质(P型)
元素
原子量
硼
5
铝
13
镓
离子注入的基本原理
离子注入设备
2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
化学气相沉积
将晶圆放在一个特制的炉内，炉是一个能够承受非常高温 度的石英炉管。
正胶和负胶的性质
• 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
正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中 ，一般只采用正胶
负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条
下凹图形的加工（正胶）
暗场掩膜板：掩膜板上除了透光的地方全都覆 盖着一层铬层，被铬覆盖了大部分区域的掩膜 板被称为暗场掩膜板。
另一种CVD技术是等离子增强化学气相沉积-PECVD，跟CVD非常相像，所不 同的是利用等离子体代替高温启动化学反应。
等离子体提供了气体间化学反应的能量而不用提高晶圆的温度，低温将有助于 维持原先的杂志分布，避免杂质的进一步扩散。
2.4 氧化层生长
硅表面上总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使 是刚刚解理的硅，在室温下，只要在空气中，一暴 露就会在表面上形成几个原子层的氧化膜。氧化膜 相当致密，能阻止更多的氧原子通过它继续氧化。
硅加工工艺
2.1 硅晶圆制程
1．硅单晶片的制备 制造集成电路芯片需要硅单晶，硅单晶片实际上
是从圆柱形的单晶硅锭上切割下来的。 单晶硅锭的生长方法主要有“直拉法”和“悬浮
区熔法”。一般用直拉法制造硅单晶，在这里我们介 绍采用直拉法制备硅单晶。
直拉法制备硅单晶： 加热一个大坩埚中的硅，直到它熔化。 一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融的硅熔液中 在旋转籽晶的同时缓慢地将其从硅的熔融液中提
31
铟
49
ⅣA族半导体
元素
原子量
碳
6
硅
14
锗
32
锡
50
ⅤA族施体掺质(N型)
元素
原子量
氮
7
磷
15
砷
33
锑
51
• 在目前的集成电路生产中，扩散方式主要有两种 ：恒定表面源扩散和有限表面源扩散。 (1) 恒定表面源扩散。如果硅片(或其他半导 体晶片)表面的扩散杂质浓度在扩散的过程中始终 保持不变，则这种扩散方式叫做恒定表面源扩散 。在恒定表面源扩散的过程中，不断有外来源补 充因扩散到硅片(或其他半导体晶片)中而损失的 杂质源。 (2) 有限表面源扩散。如果扩散之前在硅片 表面先沉积一层杂质作为扩散的杂质源，在整个 扩散过程中不再有新源补充，则这种扩散称为有 限表面源扩散。
在炉管的一端安放了一些将被泵入的可高度反应的气体。 混合气体被高温激励而相互碰撞反应，这些反应气体在炉 管内被输运直到它们撞击到晶圆，由于晶圆的温度比气体 低，因此，混合气体中的硅被凝聚在晶圆的表面。
这个过程就在晶圆表面生长了与衬底晶格一致的外延层。
采用不同的气体混合，就能够生长不同类型的硅。可以是N型的，也可以是P 型的。
IC制造中最 关键的步骤
IC晶圆中最 昂贵的设备
最有挑战 的技术
决定最小 特征尺寸
光刻胶：光敏材料，利用光刻胶的保护，能够 对区域选择加工，仅仅对未被保护的区域能够 进行注入、刻蚀、溅射等。
掩膜板：一块有图形的玻璃板，透过这块玻璃 板投射一束光到晶圆的表面，就在晶圆的表面 形成了图形的阴影。光线通过玻璃板上透过区 域照射到光刻胶上使其曝光，而板上的图形阻 碍了光线的通过，未被曝光的区域是抗蚀层。
这种天然形成的氧化层厚度只能达到40Å左右。形 成的二氧化硅不但能紧紧地依附在硅衬底上，而且 具有极为稳定的化学特性和电绝缘特性。
氧化硅层的主要应用
二氧化硅的重要应用可归结为以下几个方面： 表面钝化层 掺杂阻挡层 表面绝缘层 器件绝缘层
掺杂阻挡层
图4-4 作为掺杂阻挡层的二氧化硅
离子注入的基本原理
• 离子注入和退火再分布 • 基本原理是用能量为100keV量级的离子束入射到材料
中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物 理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最 后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能 发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的 优异性能。
2.7 去除ห้องสมุดไป่ตู้料层
刻蚀技术：包含了所有将材质表面均匀移除或是有选择性 的部分去除的技术。例如去除金属、氧化层等。
2.8 光刻
• 光刻是利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影曝 光到涂过光刻胶的硅片上。最终的图形是用多个掩膜 版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来 的。光刻占硅片工艺60%的时间。
在一个密闭容器中，晶圆上方悬挂着一大块准备沉积的金属材料，该金属 将被轰击到晶圆的表面形成一个新的表面层，方法？
• 溅射：用高能等离子体轰击某种材料的靶面，而使靶 材表面的原子或分子从中逸出并淀积在衬底材料上的 现象。
2.6 蒸发
• 蒸发：通过不同的加热方式使原材料气化后，直接（ 或与反应气体反应后）在衬底上成膜。
(3.2)
水汽氧化 水汽氧化是指在高温下，利用硅与高纯水反应生成二
氧化硅的方法。 在水汽氧化中水分子在二氧化硅中的扩散速度快，但
质量比在干氧氧化中生成的二氧化硅要差。
Si 2H2O 高温SiO 2 2H2
(3.3)
2.5 溅射
高能等离子体能够帮助我们沉积某些不能通过CVD沉积的材料，在称为溅 射台的设备中，利用氩气等惰性气体产生等离子体，利用等离子体轰击出材 料原子。
表面绝缘层
图4-5 作为绝缘层的二氧化硅层
器件绝缘层
图4-6 在MOS栅极中，二氧化硅作为场氧化
器件绝缘层
图4-7 在固态电容里的二氧化硅层
干氧氧化
干氧氧化是指在高温下，氧气与硅反应生成二氧 化硅的氧化方法。干氧氧化具有速度慢、氧化膜质量 好的特点。其反应方程式如式所示。
Si O2 高温SiO 2