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半导体工艺1 三．热分解淀积氧化热分解氧化薄膜工艺是利用含硅的化合物经过热分解反应，在硅片表面淀积一层二氧化硅薄膜的方法。这种方法的优点是基片本身不参与形成氧化膜的反应，而仅仅作为淀积二氧化硅氧化膜的衬底。衬底可以是硅也可以不是硅而是其它材料片。如果是硅片，获得二氧化硅膜也不消耗原来衬底硅，而保持硅片厚度不变，这是与热氧化法最根本的区别。因为这种方法可以在较低的温度下应用，所以被称作“低温淀积” 。常用的热分解淀积氧化膜反应源物质（硅化合物）有正硅酸乙脂和硅烷两种。现分别介绍如下1．正硅酸乙脂热分解淀积淀积源的温度控制在 20 oC 左右，反应在真空状态下进行，真空度必须在 10-2 133.3Pa以上，淀积时间根据膜厚决定。淀积得到的二氧化硅氧化膜不如热生长的致密。但如果在真空淀积之后经过适当的增密处理可使其质量有所改善；方法是硅片在反应炉内加热升温到 850～ 900 oC 半小时左右，之后再在干燥的氮、氩或氧气氛中继续加热一段时间即可。2．硅烷热分解淀积反应方程式SiH4 2O2 → SiO2↓ 2H2O↑ （ 300～ 400 oC）以上两种热分解淀积氧化膜的方法实际上是一种化学气相淀积（ CVD ）工艺。前一种是低压 CVD （ LPCVD）；后一种是常压 CVDAPCVD 。特别是后一种硅烷加氧气淀积二氧化硅的方法，是目前生产中天天在用的常规工艺。以后我们将有专门的章节讲解 CVD 工艺。第二节 SiO2 薄膜的质量与检测二氧化硅工艺质量是半导体器件质量的基础。下面就氧化质量要求，工艺检测，常见质量问题及对策等几个方面进行讨论。一．质量要求SiO2 薄膜质量优劣对器件性能和产品成品率都有很大影响。通常要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔等缺陷；厚度要求在指标范围内，且保持均匀一致；结构致密，薄膜中可动离子特别是钠离子量不得超标。二．检测方法1．厚度测量要求精度不高时，可用比色法、磨蚀法测量；精度高时，可用双光干涉法，电容－电压法检测。精度高达 10 10 -10 m 的椭圆偏振法，现在生产上已是常用测试手段。2．表面质量通过目测或镜检可以直接观察到 SiO2 薄膜表面各种缺陷。颗粒可通过聚光灯照射形成亮点发现。针孔、龟裂、除了显微镜直接观察还可以通过氯气腐蚀后出现花斑来检查。3．氧化层错将氧化片先经过腐蚀显示，再用显微镜观察，可看到许多类似火柴杆状的缺陷。4． Si － SiO2 系统电荷硅二氧化硅系统中的固定电荷、界面态、可动 Na＋和电离陷阱四种电荷，半导体工艺2 都可以通过电容－电压法检测，但具体做法和算法有所不同。三．常见质量问题和解决1．厚度均匀性氧化膜厚度不均匀不仅影响氧化膜对扩散杂质的掩蔽作用和绝缘作用，而且在光刻腐蚀时容易造成局部沾污。要提高膜厚均匀性，首先要控制好氧气的流量，保证反应管里硅片周围氧气和水汽蒸汽压均匀；稳定炉温，保证足够长的恒温区，一定要把片子推进恒温区。此外，还要严格控制好水浴温度，氧化前做好硅片前处理，保证清洗质量和硅片表面质量。2．表面斑点氧化层出现斑点时，斑点外的氧化膜对杂质的掩蔽能力降低，会造成器件性能变坏，甚至做不出管芯来。一些突起的斑点还会影响光刻的对准精度，造成光刻质量不好。因此，要保证氧化前硅片表面无微粒；石英管长期处于高温下易老化，内壁产生颗粒沾污硅片，要及时清洗、更换石英管，操作中注意避免水珠飞溅到硅片表面；硅片清洗后要烘干无水迹。3．氧化膜针孔针孔会使氧化层扩散时的掩蔽作用失效，引起晶体管漏电增大，耐压降低甚至击穿，还会造成金属电极引线和氧化膜下面的区域短路，使器件变差或报废。为了减少针孔，须保证硅片表面质量无位错层错；硅片表面应平整光亮；加强整个器件工艺过程中的清洗处理。4．热氧化层错由热氧化工艺诱生的热氧化层错这种微缺陷，会使氧化膜出现针孔等弊病，最终导致 PN结反向漏电增大，耐压降低甚至穿通，使器件失效。在 MOS器件中，Si － SiO2 系统中的层错会使载流子迁移率下降影响跨导和开关速度。所以一定要保证硅片表面抛光质量和表面清洗质量，采用掺氯氧化和吸杂技术，在硅片背面引入缺陷或造成很大应力来降低热氧化层错。第三节氧化装置氧化装置主要由三部分构成氧化炉、氧化源发生和输送系统、进出硅片推拉系统。而氧化炉又包括四个部分1．炉体2．温度测量系统3．温度控制系统4．反应管炉体提供稳定的高温条件，用高温电热丝加热。炉管用绝缘性好的氧化铝管，电热丝绕套在炉管上，外面衬以保温材料，最外层是钢板制的炉罩。温度测量，用热电偶配上电位差计。温度控制分为自动和手动两部分。手动用调压变压器调控；自动用精密温度自控仪或电子计算机控制。反应管用耐高温不易变形的石英管或性能更好但价格较贵的碳化硅管。以干氧湿氧氧化为例的氧化装置示意图如下氧化工艺从二十世纪六十年代初用于半导体器件制造硅平面工艺到现在进入二十一世纪半个世纪当中，其设备发展早已今非昔比。最新的设备可以加工的硅片尺寸已达十几英寸，恒温区越做越长，温度控制更加精确。在空间上，设备半导体工艺3 任何部位；在时间上，工艺过程中任何时刻，都可以直观形象地在控制电脑荧屏上显示出来，操作时只要用手指指指点点就行。然而，不管设备换型如何日新月异，就其基本结构而言，说到底仍旧还是我们这里介绍的这些。后面将要讲到的其它工艺设备，如扩散、光刻、蒸发以及 CVD 等，情况也都是如此。第三章扩散工艺在前面“材料工艺”一章，我们就曾经讲过一种叫“三重扩散”的工艺，那是对衬底而言相同导电类型杂质扩散。这样的同质高浓度扩散，在晶体管制造中还常用来作欧姆接触，如做在基极电极引出处以降低接触电阻。除了改变杂质浓度，扩散的另一个也是更主要的一个作用，是在硅平面工艺中用来改变导电类型，制造 PN 结。第一节扩散原理扩散是一种普通的自然现象，有浓度梯度就有扩散。扩散运动是微观粒子原子或分子热运动的统计结果。在一定温度下杂质原子具有一定的能量，能够克服某种阻力进入半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。一．扩散定义在高温条件下，利用物质从高浓度向低浓度运动的特性，将杂质原子以一定的可控性掺入到半导体中，改变半导体基片或已扩散过的区域的导电类型或表面杂质浓度的半导体制造技术，称为扩散工艺。二．扩散机构杂质向半导体扩散主要以两种形式进行1．替位式扩散一定温度下构成晶体的原子围绕着自己的平衡位置不停地运动。其中总有一些原子振动得较厉害，有足够的能量克服周围原子对它的束缚，跑到其它地方，而在原处留下一个“空位” 。这时如有杂质原子进来，就会沿着这些空位进行扩散，这叫替位式扩散。硼（ B）、磷（ P）、砷（ As）等属此种扩散。2．间隙式扩散构成晶体的原子间往往存在着很大间隙，有些杂质原子进入晶体后，就从这个原子间隙进入到另一个原子间隙，逐次跳跃前进。这种扩散称间隙式扩散。金、铜、银等属此种扩散。三．扩散方程扩散运动总是从浓度高处向浓度低处移动。运动的快慢与温度、浓度梯度等有关。其运动规律可用扩散方程表示，具体数学表达式略。五．扩散杂质分布在半导体器件制造中，虽然采用的扩散工艺各有不同，但都可以分为一步法扩散和二步法扩散。二步法扩散分预沉积和再分布两步。一步法与二步法中的预沉积属恒定表面源扩散。而二步法中的再扩散属限定表面源扩散。由于恒定源和限定源扩散两者的边界和初始条件不同，因而扩散方程有不同的解，杂质在硅中的分布状况也就不同。1．恒定源扩散在恒定源扩散过程中，硅片的表面与浓度始终不变的杂质（气相或固相）相接触，即在整个扩散过程中硅片的表面浓度 NS 保持恒定，故称为恒定源扩散。2．限定源扩散半导体工艺4 在限定源扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，它没有外来杂质的补充，只依靠预沉积在硅片表面上的那一层数量有限的杂质原子向硅内继续进行扩散，这就叫限定源扩散或有限源扩散。在讨论限定源扩散，即两步法的再分布时，必须考虑的一个因素是分凝效应。在“氧化工艺”中曾经分析过，由于热氧化，在再分布时杂质在硅片表面氧化层中会出现“吸硼排磷”现象，我们不能忽略这个因素；并且应当利用这些规律来精确的控制再分布的杂质表面浓度。第二节扩散条件扩散条件选择，主要包括扩散杂质源的选择和扩散工艺条件的确定两个方面。一．扩散源的选择选取什么种类的扩散杂质源，主要根据器件的制造方法和结构参数确定。具体选择还需要遵循如下原则1．导电类型与衬底相反；2．先扩散的扩散系数要比后扩散的小；3．杂质与掩模之间的配合要协调，扩散系数在硅中要比在掩模中大得多；4．要选择容易获得高浓度、高蒸汽压、且使用周期长的杂质源；5．在硅中的固溶度要高于所需要的表面杂质浓度；6．毒性小，便于工艺实施。从杂质源的组成来看，有单元素、化合物和混合物等多种形式。从杂质源的状态来看，有固态、液态、气态多种。二．扩散条件的确定扩散的目的在于形成一定的杂质分布，使器件具有合理的表面浓度和结深，而这也是确定工艺条件的主要依据。此外如何使扩散结果具有良好的均匀性、重复性也是选择工艺条件的重要依据。具体讲有1．温度对扩散工艺参数有决定性影响。对浅结器件一般选低些；对很深的 PN 结选高些。此外还需根据工艺要求实行不同工艺系列的标准化，以有利于生产线的管理。2．时间调节工艺时间往往是调节工艺参数的主要手段，扩散时间的控制应尽量减少人为的因素。3．气体流量流量是由掺杂气体的类别和石英管直径确定的，只有使扩散的气氛为层流型，才能保证工艺的稳定性，流量控制必须采用质量流量控制器 MFC。第三节扩散参数及测量扩散工艺中有三个参数非常重要，它们是扩散结深、薄层电阻及表面浓度，三者之间有着一个十分密切的有机联系。一．扩散结深半导体工艺5 结深就是 PN 结所在的几何位置，它是 P 型与 N 型两种杂质浓度相等的地方到硅片表面的距离，用 jx 表示，单位是微米（或m ）实际生产中 jx 直接通过测量显微镜测量。具体方法有磨角染色法、滚槽法、阳极氧化法等。二．方块电阻扩散层的方块电阻又叫薄层电阻，记作 R□ 或 RS，其表示表面为正方形的扩散薄层在电流方向（平行于正方形的边）上所呈现的电阻。由类似金属电阻公式SLR 可推出薄层电阻表达式为______ 1jjjSxxLxLR （ 3-10）式中__、__分别为薄层电阻的平均电阻率和电导率。为区别于一般电阻，其单位用 Ω /□表示。实际生产中， RSR□ 用四探针测试仪测量。三．表面杂质浓度扩散后的表面杂质浓度 NS是半导体器件设计制造和特性分析的一个重要结构参数，它可以采取放射性示踪技术通过一些专门测试仪器直接测量，但是实际生产中是先测出结深 jx 和方块电阻 R□ ，再用计算法或图解法间接得出。1．计算法2．图解法第四节扩散方法扩散方法很多。常用的主要有液态源扩散气固扩散粉态源扩散片状源扩散扩散法乳胶源扩散固固扩散 CVD 掺杂扩散PVD 蒸发扩散这是以扩散中杂质源与硅片（固态）表面接触时的最终状态是气态还是固态半导体工艺6 来划分的。另外，按扩散系统来分，有开管式、闭管式和箱法三种；按杂质本来形态分有固态源、液态源、气态源三种。生产中习惯以杂质源类型来称呼扩散方法。一．气－固扩散液态或固态扩散杂质源最终呈现气态，与固态硅表面接触实现杂质扩散，叫气－固扩散。1．液态源扩散用保护性气体（如 N2）通过液态源瓶（鼓泡或吹过表面）把杂质源蒸气带入高温石英管中，经高温热分解同硅片表面发生反应，还原出杂质原子并向硅内扩散。液态源扩散的优点是 PN 结均匀平整，成本低，效率高，操作方便，重复性好。通常液态源硼扩散，用硼酸三甲脂；液态源磷扩散，用三氯氧磷。2．固态源扩散（ 1）粉状源（ 2）平面片状源把片状杂质源（氮化硼片、硼或磷微晶璃片等）与硅片相间地放置在石英舟的“ V”型槽上，并保持平行，用高纯度的 N2 保护，利用杂质源表面。挥发出来的杂质蒸气，浓度梯度，在高温下经过一系列化学反应，杂质原子向片内扩散，形成 PN 结。二．固固扩散杂质源与硅片是固体与固体接触状态下进行扩散。在硅片表面沉积（化学气相沉积 CVD；物理气相沉积 PVD）或者涂布一层杂质或掺杂氧化物，再通过高温实现杂质向硅中的扩散。（ 1）低温沉积掺杂氧化层法（ CVD 法）分两步进行。第一步在硅片表面沉积。一层具有一定杂质含量的二氧化硅薄膜作为第二步扩散时的杂质源；第二步是将已沉积过的硅片在高温下进行扩散。由于沉积，掺杂氧化膜是在 400℃以下低温下完成，所以引进有害杂质 Na等以及缺陷的几率很小，因此这种方法也是完美单晶工艺（ PCT）或半完美单晶工艺（ 1/2PCT）的重要环节之一。（ 2）蒸发源扩散采用物理气相沉积的方法，先在硅片背面蒸发上一层杂质源金，然后再放进炉中扩散。这是开关晶体管的一道典型工艺，旨在减少晶体管集电区少子寿命，缩短储存时间，提高开关速度。开关二极管以及双极型数字逻辑电路，生产中也普遍使用这种扩散。（ 3）二氧化硅乳胶源涂布扩散先在硅片表面涂敷一层含扩散杂质的乳胶状的源再进行扩散。这种方法只用一步扩散就可以同时达到所需的表面浓度和结深，具有浓度范围宽、高温时间短、离子沾污小、晶格完整性好的优点，同样具备 PCT的工艺特征。各种不同的扩散方法只是供源方式不同，其扩散主体系统是一样的。从设备上看，扩散与氧化的区别，差不多也只在此。因此，扩散系统装置，我们就不再介绍，以避免与氧化雷同。第五节扩散质量及常见质量问题扩散质量对半导体器件芯片的好坏有着决定性影响，其具体体现在表面质半导体工艺7 量、扩散结深、方块电阻和表面杂质浓度几个方面。在第三节中我们曾经就 jx ，R□ 和 NS 进行了较为详细的介绍，下面对有关扩散工艺中常见的一些质量问题作些简要的阐述。一．表面不良1．合金点主要原因是表面杂质浓度过高。2．黑点或白雾主要是酸性沾污、水气和颗粒沾污造成的。3．表面凸起物大多由较大颗粒经过高温处理后形成。4．玻璃层会造成光刻脱胶。扩散温度过高，时间过长造成。工艺过程中要控制好扩散温度、时间以及气体流量，并保证扩散前硅片表面干净干燥。5．硅片表面滑移线或硅片弯曲是由高温下的热应力引起，一般是由于进出舟速度过快、硅片间隔太小、石英舟开槽不适当等导致。6．硅片表面划伤、表面缺损等通常是由于工艺操作不当产生。二．方块电阻偏差R□ 一定程度上反映了扩散到 Si 片中的杂质总量的多少，与器件特性密切相关。携源 N2中有较多的水份和氧气， Si 片进炉前未烘干；杂质源中含水量较多，光刻没有刻干净，留有底膜，使扩散区域表面有氧化层影响了杂质扩散；扩散源使用时间过长，杂质量减少或源变质；扩散系统漏气或源蒸气饱和不充分；携源气体流量小而稀释气体流量大，使系统杂质蒸气压偏低；扩散温度偏低，扩散系数下降；扩散时间不足，扩散杂质总量不够等等原因会造成 R□ 偏大。相反，杂质蒸气压过大，温度偏高，时间过长会导致 R□ 偏小。如果在预沉积时发现 R□ 偏大或偏小，可在再扩散时通过适当改变通干氧、湿氧的先后次序或时间来进行调整，而这正是两步法扩散的一大优点。三．结特性参数异常扩散工艺过程中要测单结和双结特性。根据单结和双结测试情况及时改变工艺条件。测单结主要看反向击穿电压和反向漏电流；测双结主要为调电流放大参数 hFE。（ 1） PN 结的反向击穿电压和反向漏电流，是晶体管的两个重要参数；也是衡量扩散层质量的重要标准。它们是两个不同的物理概念，但实际上又是同一个东西，反向漏电大， PN 结击穿电压低。工艺中常见的不良反向击穿主要有半导体工艺8 表面缺陷过多或表面吸附了水份或其他离子，会使表面漏电增大。氧化时由于清洗不好，有一些金属离子进入氧化层，如钠离子，从而增加漏电降低击穿。二氧化硅表面吸附了气体或离子以及二氧化硅本身的缺陷如氧空位等，使得 SiO2带上了电荷，形成了表面沟道效应，增大了反向漏电流。硅片表面上沾污有重金属杂质，在高温下，很快扩散进 Si 片体内，沉积在硅内的晶格缺陷中，引起电场集中，发生局部击穿现象，造成很大的反向漏电流。此外，如光刻时图形边缘不完整，出现尖峰毛刺，表面有合金点、破坏点，引起了纵向扩散不均匀， PN结出现尖峰会形成电场集中，击穿将首先发生在这些尖峰上。因此，制造良好的扩散表面，保持表面清洁，严格清洗工艺，保证扩散系统清洁，保证气体纯度高，扩散源质量好，采用低位错密度材料，提高光刻质量或者采取吸杂工艺等，都能起到改善器件击穿特性的作用。（ 2）电流放大系数 hFE 是晶体管，同时也是扩散层的另一个重要参数。放大过大过小都不能满足用户要求。影响放大的因素很多，如基区宽度，发射区与基区杂质浓度比，表面是否有沾污和复合等。减薄基区宽度能使放大提高。提高发射区浓度，降低基区浓度，从而增大浓度梯度，可以提高注入效率，减少复合，提高放大。此外，材料中的位错密度大，有害金属杂质多，会降低少子寿命，缩短载流子扩散长度，导致放大下降。四．扩散均匀性和重复性现在用户对半导体器件参数要求越来越苛刻。其中重要的一点，就是参数的一致性非常好，允许的技术指标范围非常窄。这就要求制造工艺，尤其是核心工艺扩散的均匀性、重复性要相当的好。半导体工艺9 （ 1）均匀性指同一炉硅片中一片之内和各片之间技术参数基本在一个水平上，实际生产中造成硅片不均匀的原因主要有a. 衬底材料本身参数的电阻率等不均匀。b. 扩散前硅片处理不好，硅片表面有局部的沾污或氧化物造成扩散进去的杂质原子的多少，结的深浅就与其他地方不一样。c. 杂质扩散系数和固溶度与温度有关，石英舟中各处的温度若有差异。就会影响扩散结果均匀性。d. 石英舟各处的杂质蒸气压不完全相同，同样也会导致扩散结果不均匀。（ 2）重复性重复性不好是由于各次扩散过程中，炉温时间和石英管内杂质蒸气压变化较大，以及清洁处理不当造成的，为此，除了精确控制炉温和时间外，还需要设法使得石英管内的杂质蒸气压保持均衡，通常采用的方法是每天第一次扩散前将石英舟和石英管在源蒸气中饱和一定的时间，这在相当程度上可以解决重复性问题。半导体工艺10 第四章离子注入半导体器件工艺中，通过掺杂制造 PN 结，除了扩散还有其他一些方法。如从前的点接触工艺、合金烧结工艺，以及前面讲过的异质外延工艺等都是。再有就是我们将要介绍的，现在生产中普遍应用的一种叫离子注入的工艺。第一节离子注入原理所谓“离子注入” ，就是利用高能粒子轰击掺杂的杂质原子或分子，使之电离，再加速到一定能量，使其直接射入半导体硅片内部，即 “注入” 到硅器件中，然后经过退火使杂质激活，达到掺杂的目的，形成 PN 结。杂质浓度和结深由杂质离子注入量和注入深度决定。离子注入过程是一种平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞逐步损失能量，最后停止下来。停下来的位置是随机的，离子注入的掺杂作用与扩散的物理过程是完全不同的。扩散是一种与温度有关的物理现象；而离子注入则依赖于离子运动的能量大小。第二节注入杂质分布用离子注入法在 Si 片内部形成的杂质分布，与扩散法形成的杂质分布有很大不同，如图 4－ 2 所示。用扩散法获得的杂质分布通常为余误差函数分布或高斯分布。而用离子注入法形成的杂质分布，其浓度最大值不在硅片表面，而是在深入到 Si 体内一段距离的地方。这段距离的大小与注入离子能量大小有关。离子注入剂量（即表面处单位面积内包含的杂质离子数目）与注入的离子流的电流密度（通常称为束流密度）的大小及注入时间的长短有关。在有掩蔽介质存在的情况下，离子注入的杂质分布近似扩散再分布后的高斯函数分布。其近似程度取决于掩蔽介质的厚度及注入离子能量的大小。在图 4－ 3 中画出了二氧化硅作掩蔽膜时，注入杂质在硅内的高斯分布曲线 . 半导体工艺11 第三节注入损伤和退火应用离子注入法制造 PN结有很好的工艺可控性和重复性。但是经过离子注入的硅片表面会产生注入损伤，须进行退火加以消除。一．注入损伤高能粒子注入硅靶体内时与硅原子核发生碰撞，并把能量传输给硅靶原子。当硅靶原子能量足够大时，可使靶原子发生位移。当位移原子的能量较大时，还可使其它硅原子发生位移，从而形成一个碰撞与位移的级连，在硅中形成无数空位和间隙原子。这些缺陷的存在使半导体中载流子的迁移率减小，少子寿命缩短，因而影响器件的性能。二．退火工艺消除离子注入损伤的办法是退火。在 N2保护下，使 Si 片在一定温度下保持一定时间，促使微观缺陷区下面未受损伤的硅单晶“外延生长” ，从而使微观损伤区的晶体复原，习惯上把这种热处理过程称为“退火” 。退火除了有消除微观损伤区的作用外，还可以使那些注入硅中的杂质离子进入替代硅原子的位置，成为电活性杂质离子，从而起到受主或施主的作用。退火温度与注入剂量有关退火工艺除了普通热退火，还有激光退火、电子束退火、离子束退火以及非相干退火等。第四节离子注入设备离子注入总体结构离子源分析器→加速管→扫描器→靶室一．离子源放电管里的少量自由电子在电磁场作用下获得足够能量后撞击分子或原子，使它们电离成离子，再经过吸收极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器。二．磁分析器位于高压端的磁分析器利用不同荷质比的离子在磁场作用下运动轨迹的不同将离子分离，选出所需的杂质离子。被选离子束通过可变狭缝进入加速管。三．加速管加速管一端接高压，一端接地，形成一个静电场。离子在静电场作用下，被加速到所需要的能量。四．聚焦和扫描系统离子束离开加速管后进入控制区。先由静电聚焦透镜使其聚焦，再进行 X、半导体工艺12 Y方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转后注入到靶上。偏转的目的是为了使束流传输过程中产生的中性粒子流不会到达靶上。五．靶室和后台处理系统包括测量电荷的法拉第杯，全自动装片和卸片机构及控制电流和总电量的微机。离子注入机电器部件很多，为提高控制精度，控制系统全是由电脑操作。六．真空系统离子束必须在真空中加速以便积累能量，离子注入机整个就是一个真空系统，通常离子注入机除了有供离子通行的主管道外，还配备一套抽气设备（真空泵组）、测量设备及其它附属设备。离子注入机真空度一般要达到（ 10-5～ 10-6） 133.3Pa。下面是现在生产中正在使用的一种进口型号离子注入机，反应腔体和真空系统示意图第五节离子注入的应用离子注入技术迅速发展是半导体器件集成电路发展的需要。它具有一般热扩散不具备的优势。一般深结高浓度器件适用扩散工艺；而浅结低浓度对于热扩散就只能是勉为其难了。而这正是离子注入的强项，它能充分保证结深的一致性、重复性，从而确保器件参数的一致性，尤其是 hFE放大对档率。一．离子注入工艺用于双极型晶体管制造，可使基区变薄，结电容及发射极电阻变小。因而可以提高截止频率，增加开关速度，降低微波管的噪声。二．集成注入逻辑电路（ I 2 L）采用离子注入，适当调整发射区、基区浓度分布，可大大提高速度，降低功耗。三．用于 MOSFET可有效调整开启电压；用于自对准掺杂，可减小栅与源漏的电容，提高速度。尤其适于制造短沟道器件。四． CMOS电路中应用，可控制开启，提高速度，降低功耗。五．用来制造 PN结二极管，可做出分布很陡的 PN结，并能严格控制结深。六．肖特基势垒二极管采用离子注入，能精确地控制势垒高度。七．在太阳能电池制造中，用磷离子注入到高阻 P－ Si（多晶硅）上产生一层很浅的 N层，有利于少子复合，大大提高能量转换率。八．变容二极管用离子注入制造一个超变结，可以得到各种形状杂质剖面分布，得到各种 C－ V 特性曲线。总而言之，需要严格控制杂质浓度和分布的器件，采用离子注入工艺都能得到很大的技术效益。特别应当提出的是，离子注入没有横向扩散，因此，用来做细线条分立器件和大面积高集成电路尤为适宜。* * * 离子注入与热扩散现在是半导体器件生产中普遍采用的两种常规 PN结制造工艺。在扩散一章我们已详尽介绍了有关 PN制造中的工艺质量问题，关于离子注入的一些质量要求及质量分析本章就不再赘述。半导体工艺13 第五章光刻工艺光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工综合性技术。在平面晶体管和集成电路生产过程中，光刻的目的就是按照器件设计要求，在氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金属铝薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄模布线的目的。它先用照相复印的方法将光刻掩模的图形精确地复印到涂在待刻材料表面的光致抗腐剂（也称光刻胶）上面，然后在抗蚀剂的保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻材料上得到所需要的图形。第一节光刻胶光刻胶是光刻的基础材料。光刻胶又称感光胶。一般由感光剂、增感剂和溶剂组成。感光剂是一种对光特别敏感的高分子化合物。当其受到适当波长光的照射时，能吸收一定波长的光能量，使之发生交联、聚合或分解等化学反应，使光刻胶改变性能。没有光刻胶就没有光刻工艺。其质量优劣对光刻工艺质量有很大影响，所以必须选择和配制尽可能理想的光刻胶。一．光刻胶的性能指标光刻胶性能指标主要包括感光度、分辨率、粘附性、抗蚀性、针孔密度、留膜率、稳定性等几个方面。1．感光度感光度是用来表征光刻胶感光性能的。感光度不同，表示对光的敏感程度不同，曝光所需的曝光量不一样。这就是说，感光度与曝光量成反比。光刻胶的曝光量越小，它的感光度越高。在同一光源、一定光强的情况下，曝光时间越短。2．分辨率分辨率是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。它是指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。其不仅与光刻胶本身有关，还与光刻工艺条件和操作技术等因素有关。分辨率通常是以每毫米最多可以容纳的线条数来表示。3．抗蚀性生产上要求光刻胶对酸、碱化学腐蚀液具有良好的抗蚀性能，即能经受住较长时间酸、碱腐蚀液的腐蚀。当然，实际上光刻只有在针孔密度小、粘附性能良好的情况下才能有良好的抗蚀能力。4．针孔密度单位面积光刻胶上针孔数称为针孔密度。如果光刻胶膜上有针孔，腐蚀之后会在二氧化硅等薄膜相应位置上形成针孔，直接影响光刻质量。5．粘附力光刻胶与衬底（氧化硅 SiO、氮化硅 SiN、多晶硅 P－ Si、铝 Al 等）之间粘附的牢固程度直接影响到光刻的精度。其不仅与胶有关，还与衬底性质、它的表面状况有关。如果衬底是 SiO2，应要求其表面平整致密、清洁干燥，这才有利于胶的附着。 SiO2 表面含有高浓度磷 P杂质，容易出现浮胶或钻蚀。光刻胶的配比、前烘条件和显影液的配方等因素也都会对胶的粘附性产生影响。半导体工艺14 5．留膜率留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前胶膜厚度之比。由于对腐蚀起保护作用的是曝光、显影后的胶膜，故要求光刻胶有较高的留膜率。留膜率除与胶本身有关，还与工艺条件如膜厚、前烘温度、曝光气氛、曝光量以及显影液成分等因素关系密切。用椭圆偏振仪或其他膜厚测试仪测出显影前后的光刻胶膜厚度即可算出留膜率。7．稳定性光刻胶应当性能稳定，不发生暗反应，杂质含量少，显影后无残渣。二．光刻胶的种类根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，可将光刻胶分出两大类负性胶和正性胶1．负性胶这种胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮等）是可溶性的。曝光后发生光聚合反应，不再溶于上述有机溶剂。当用它光刻时，在衬底表面得到与光刻掩模版遮光图案完全相反的图形，如图 5-1（ a），故称负性胶。2．正性胶这种胶在曝光前对某些有机溶剂是不溶的。而曝光后却变为可溶性的。使用这种胶能得到与掩模版遮光图案相同的图形，故称正性胶。正胶和负胶从性能上讲各有千秋。大体说来，负胶抗蚀性好；而正胶分辨率高。开细小的孔，正胶适合；刻细线条宜用负胶。用正胶时，腐蚀工序最好用干法刻蚀，因为正胶抗湿法腐蚀性较差。正胶、负胶特性的比较如下表。表 5-1 正胶、负胶性能的比较项目负性胶正性胶化学稳定性稳定稍不稳定感光度高低分辨率稍低高台阶覆盖不充分充分耐湿法腐蚀良好差粘附性良好差机械强度强弱半导体工艺15 三．光刻胶的配制光刻胶的性能与其配比有关。感光剂、增感剂、溶剂配比的选择原则是既要使光刻胶具有良好的抗蚀能力，又要有较高的分辨率。这二者往往是矛盾的。因此应当根据不同光刻对象和要求，适当选取不同的配比，现在生产厂家能提供各种规格的光刻胶，根据不同器件不同要求适当选用就是了。第二节光刻工艺流程在平面晶体管和集成电路生产中，为了进行定域扩散，形成电极以及元件间的互联线，制作管芯的硅片必须经过多次光刻。虽然每次光刻的目的要求不同，但其工艺过程基本上是相同的。一般分为涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶七个工序。一．涂胶在圆片表面敷盖一层光刻胶。涂胶的要求是胶膜均匀，达到预定的厚度；胶层内无点缺陷（针孔，回溅斑等）；涂层表面没有尘埃、碎屑等颗粒。光刻胶与衬底间粘附力的大小对光刻质量有极大影响，而对粘附力影响最大的是衬底的表面处理。在真空烘箱中通以 HMES 或 OAP 等液体增粘剂的蒸气，使其与硅表面二氧化硅作用，能提高光刻胶与硅片表面的粘附力。二．前烘其目的是促使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥，以增加胶膜与衬底的粘附性和胶膜的耐磨性。前烘不足，在胶膜与硅片界面处溶剂未充分挥发，曝光时就会阻碍抗蚀剂中分子的交联，显影时一部分胶被溶除，造成浮胶或图形走样。烘焙过分，会导致胶膜翘曲硬化，该显除的胶膜残留造成显影不干净或胶面发皱、发黑，失去抗蚀能力。前烘的方式通常有烘箱对流加热、红外线辐射加热或热板传导加热。现生产中涂胶机上有前后两块热板，涂好胶的硅片进入片架之前自动经过两块热板完成前烘。三．对位曝光这是光刻中最关键的工序。它直接关系到光刻的分辨率、留膜率、条宽控制和套准精度。影响曝光分辨率和条宽控制的因素很多。如掩模版与光刻胶接触不良，曝光光线平行不够，光线与掩模版表面的垂直性不良，光的衍射和散射效应等都将使曝光分辨率下降，条宽控制困难。此外，曝光量和光刻掩模版的质量也会直接影响曝光质量。套刻精度主要由曝光设备决定，曝光光源常用的是高压汞灯发出的紫外光。四．显影用溶剂去除曝光部分（正胶）或未曝光部分（负胶），在硅片上形成所需的光刻图形。显影时影响条宽控制精度的因素主要是显影时间。对于负胶，时间越长，光刻胶的膨胀程度越重，条宽变化越大。因此，负胶显影应合理选择既能保证显影充分，又不至于使条宽变化过大的显影条件。对于正胶，已曝光部分的溶蚀速度决定了显影时间的长短。显影方式通常有显影槽内浸渍显影和显影机上旋转喷雾显影。五．后烘后烘也叫坚膜，目的是去除显影后保留下来的胶层内残留的溶剂，使腐蚀时胶膜有更好的抗腐性。选择后烘条件应综合考虑对粘附性、图形尺寸精度以及生