集成电路工艺基础

根据质量守衡定律，杂质浓度随时间的变化要 与扩散通量随位置的变化相等。即
N (x,t) J (x,t)
t
x
（ 2-6 ）
将（2-5）代入（2-6）即得：
N (x,t) 2 J (x,t)
t
x 2
（ 2-7 ）
式（2-7）即为扩散方程。扩散方程描述了在杂质的
扩散过程中，硅片中各点处杂质浓度与时间的关系。
变。 初始条件：在扩散开始的时候，硅片内没有杂质。
将两条件代入扩散方程（2-7），可以得到杂质在硅 片内的浓度与扩散时间和位置的关系：
N(x,t) N 2 d 2 N erfc x （2-8）
s
x
2 Dt
s 2 Dt
其中，erfc 2
x Dt
2
x
2 d
2 Dt
是余误差函数，其值可由余
SiH4+2O2 SiO2 + 2H2O
( 2-4 )
用化学气相淀积法生成的SiO2薄膜，主要是将硅浣 （SiH4）与氧按（2-4）式反应，或用浣氧基硅浣 分解生成SiO2。
2.2.2 掺杂工艺
集成电路生产过程中要对半 导体基片的一定区域掺入一定浓 度的杂质元素，形成不同类型的 半导体层，来制作各种器件，这 就是掺杂工艺。分为扩散工艺和 离子注入工艺两种。
当扩散时间一定时，杂质的分布就定下来了，这个
分布可由求解扩散方程而得到。这样，在杂质的分
布达到要求时迅速将温度降至室温，这时扩散系数
很小，可认为扩散已经停止，则高温时形成的结果
被固定下来，这就是扩散的基本原理。
2） 两种表面源的扩散分布
（1）恒定表面源扩散 边界条件：硅片表面的扩散源的浓度始终保持不
扩散方程的解：N (x,t) Q x2 (4Dt )
Dt
图2-3是根据式（2-9）得 到的与三个不同的扩散时 间相对应的硅片内杂质浓 度的分布曲线。可以看出， 随着扩散时间的增加，杂 质进入硅片内部的深度在 增加，而硅片表面杂质的 浓度却在下降。
3）常用的扩散方法
（1）液态源扩散 （3）固-固扩散
2.1.2 IC制造过程
用掩膜版 重复
20-30次
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 刻蚀 测试和封装
IC制造工艺过程
N-MOS
P-MOS
D
G
S
D
G
S
N+
P+
P- Si 阱
N-S i Sub2.源自.3 工艺类型双极型：电子、空穴作为载流子
PM
IC
器件结构不同
单沟道MOS工 MOS型 艺CMOS工艺
（2）片状源扩散 （4）涂层扩散
图2-4 氮化硼扩散示意图
扩散过程：先向炉内通氧气，使表面的氮化 硼与氧气发生反应而生成三氧化二硼，然后 改通氮气进行扩散，三氧化二硼与夺反应生 成硼和二氧化硅，硼原子在高温下向硅片内 进行扩散。
2 离子注入技术
概念：将杂质元素的原子离子化，使其成为带电 的杂质离子，然后用电场加速这些杂质离子，使 其获得极高的杂质能量并直接轰击半导体基片。 当这些杂质进入半导体基片后，受到半导体原子 的阻挡停了下来，这样就在半导体基片内形成了 一定的杂质分布。即为离子注入技术。
作为集成电路中电容器元件的介质：SiO2是很好 的电容介质材料，以它为电容介质，可以很方便的 构成电容。但因集成电路中电容占用芯片面积太大， 所以设计中尽量避免采用大电容。
2、热氧化原理及实现方法
生长SiO2薄膜的方法有很多种，如热氧化、阳极 氧化、化学气相沉积等。其中以热氧化和化学气相淀 积最为常用。
集成电路有各种各样的封装，如双列、单列、 圆形、扁平封装等，封装材料一般有：陶瓷、玻 璃、金属等。虽然不同器件的芯片，但它们都是 由在半导体材料上形成的一些PN结所构成的。 因此，集成电路的关键问题就是根据设计要求， 在半导体的不同区域形成所需要的PN结，这在 生产上主要通过氧化、光刻、掺杂等多种工艺的 多次反复来形成。
主要内容
IC制造的基本原理 集成电路制造过程中所用到的主要工艺 各类型集成电路的基本制造工艺
集成电路制造工艺 双极集成电路的基本制造工艺 CMOS集成电路的基本制造工艺 BiCMOS集成电路的基本制造工艺 BCD集成电路的基本制造工艺
2.1 引言
2.1.1 IC制造的基本原理
制造半导体电路所
热氧化生成的SiO2薄膜，是将硅片放入高温 （1000-1200℃）的氧化炉内（如图2-1所示），然后 通入氧气，在氧化环境中使硅表面发生氧化，生成 SiO2薄膜。
根据氧化环境的不同又可把热氧化分为干氧法和 湿氧法两种。如果氧化环境是纯氧气，这种生成 SiO2薄膜的方法就称为干氧法。
图2-1 热氧化过程示意图
特点:
(1)注入温度低（约400oC），避免了高温处理； (2)通过控制注入的电学条件可精确控制掺杂的 浓度和结深，杂质浓度不受材料固有浓度的影响 (3)可采用离子注入的元素种类多，注入纯度高； (4)可实现大面积薄而均匀的掺杂，横向扩散小; (5)注入时离子可以通过SiO2注入，因此注入后可防 止环境污染。
①正胶：光刻胶本来不能被溶剂溶解，当收到某 种波长的光照射后才变成可溶性物质，这种胶称为 正胶。
②负胶：光刻胶本来能被溶剂溶解，当收到某种 波长的光照射后发生光聚合反应而硬化，变成不可 溶的物质，这种胶称为正胶。
③正版：版子上的图形与刻蚀出来的衬底表面的 掩膜图形相同。负版与此相反。
（5）负胶光刻SiO2薄膜光刻步骤：
优点
生成的SiO2薄膜结构致 密、排列均匀、重复性
干氧法 好、掩蔽能力强、钝化
效果好、接触良好，不 宜浮胶
湿氧法 生长SiO2薄膜速度快
缺点
生长速度慢
SiO2 +H2O 2(Si-OH) 由于有硅烷醇的存在， 使其与光刻胶接触不良， 容易产生浮胶
化学气相沉积是使一种或数种化学气体以某种方式 激活后在衬底表面发生化学反应，从而在衬底表面 生成所需的固体薄膜的方法。种类有常压、低压、 等离子体、光致化学气相沉积等几种。
1）扩散方程
一维情况下，杂质扩散由式（2-5）描述：
J D N ( x, t) x
（2-5）
J是单位面积杂质的传输速率，N是杂质浓度；D是 扩散系数；x是杂质运动方向的坐标；t是扩散时间。
式（2-5）表明单位面积、单位时间杂质的传输速 率，与杂质的浓度梯度成正比，比例常数就是扩散 系数，它反映了扩散速度的快慢。扩散系数与温度 的关系很大，生产中一般在1000～2000℃的高温下 进行的。在一定的扩散条件下（包括温度）、杂质 浓度不高的地方可认为扩散常数是常数。公式中的 负号表明杂质是由浓度高的地方向浓度低的地方扩 散的。
些，而各个离子所携带的能量并不相同，能量小的和能量大 的都是少数，而能量多的是中数，这样就形成了如图2-5所 示的分布。
离子注入技术已是CMOS的主导工艺，但高浓度掺杂和深结掺 杂一般仍采用扩散技术。
2.2.3 光刻工艺
定义
组成
指标
步骤
光刻工艺
（1）定义：光刻工艺指借助于掩膜版，并利用光 敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合刻蚀方法在 各种薄膜上刻蚀出各种所需图形，实现掩膜版图 形到硅片表面各种薄膜上图形的转移的一种工艺。 光刻质量的好坏对集成电路的性能影响很大，所 能刻出的最细线条已成为影响集成电路所能达到 规模的关键工艺之一。在保证一定成品率的条件 下，一条生产线能刻出的最细线条就代表了该生 产线的工艺水平。如果某一条生产线能刻出的最 细线条是0.18um，就称该生产线为0.18um生产线
光刻胶 Si02
（a） 涂胶
步骤1：涂胶。在胶片表面的SiO2薄膜上均匀 的图上一层厚度适当的光刻胶，使光刻胶与 SiO2薄膜粘附良好。
（b） 前烘
步骤2：前烘。为了使胶膜里的溶剂充分挥发，使 胶膜干燥，以增加胶膜与薄膜的粘附性和胶膜的耐 磨性，涂胶后要对其进行前烘。前烘常用的方法有 两种：一种是80度恒温干燥箱中烘10-15分钟，另 一种是用红外灯烘干。
外延工艺
制版工艺
金属化工艺
2.2.1 氧化工艺
定义：在单晶体或外延层上生长一层薄二氧化硅
的过程。
1、SiO2薄膜在集成电路中的作用
作为对杂质选择扩散的掩膜：当对硅表面一 定区域要扩散杂质元素的时候，对不需要扩散
的区域，就可以用一层SiO2薄膜将它遮盖起来，
这样就实现了对硅表面的选择性掺杂。
SiO2薄膜要起到掩膜作用需要满足两个条 件：第一、所要扩散的杂质元素在SiO2中的扩 散系数必须明显小于它在硅中的扩散系数；第
如果让氧气先通过95℃的去离子水，携带一部分水 汽进入氧化炉，则氧化环境就是氧气加水汽，这种 生成SiO2的薄膜的方法就是湿氧法。其机理分别如 下：
Si+O2=SiO2
Si+O2=SiO2 Si+2H2O=SiO2+2H2
( 2-1 ) 干氧法 ( 2-2 ) 湿氧法
生产中将两者结合起来，采用干氧-湿氧-干氧交 替氧化方法，提高SiO2薄膜的质量。
误差函数积分表查出。
图2-2 恒定表面源扩散
图2-2是根据式（2-8）得到的在三个不同扩散时 间处硅片内杂质浓度不同的扩散时间处硅片内杂 质浓度的分布区线。由图可以看出：随着扩散时 间的增加，杂质进入硅片内部的深度和浓度都在 增加，而硅片表面处的浓度不变。
（2）有限表面源的扩散分布。扩散的杂质在扩
（2）组成：曝光机、掩膜板、光刻胶等组成。
（3）光刻系统主要指标：
①分辨率W，即光刻系统所能分辨和加工的最小线 条尺寸；
②焦深，即投影光学系统可清晰成像的尺寸范围； ③对准和套刻精度； ④产率； ⑤关键尺寸控制； ⑥价格。
（4）光刻胶
光刻所用的光刻胶有正胶和负胶两种。光刻掩膜 版也有正版和负版两种。