集成电路重要工艺流程

【摘　要】半导体集成电路的生产过程极其复杂,习惯上将其分为前置作业,电路的制作,晶圆Wafer及晶粒Die测试和后段的封装测试等.因为IC是由很多的电路集合而成的,而这些电路组件和线路是以晶圆为基础并以层状分布的,制造过程也是一层层的建造出来的,类似于建楼房的过程.

【关 键 词】半导体工艺；光刻；刻蚀；离子注入；淀积；Semiconductorprocess

1.生产晶圆(WaferIngot)

半导体材料是单晶组成.而它是由大块的具有多晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的.把多晶块转变成一个大单晶,并给予正确的晶向和适量的N型或P型掺杂,叫做晶体生长.有两种不同的生长方法,直拉法和区熔法.

晶体的生长原理非常简单和熟悉.检测设在最终要蒸发的饱和溶液中加入一些糖晶体.糖晶体的作用是作为额外的糖分子沉积的种子.最后这个晶体能生长的非常大.晶体的生长即使在缺乏种子的情况下也会发生,但产物中会有混乱的小的晶体.通过抑制不需要的晶核区,种子的使用能生长更大,更完美的晶体.

理论上,硅晶体的生长方式和糖晶体的一致.实际上,不存在适合硅的溶剂,而且晶体必须在超过1400℃的熔融状态下生长.最终的晶体至少有一米长,十厘米的直径,如果他们要用在半导体工业上的话还必须有接近完美的晶体结构.这些要求使得工艺很有挑战性.通常生产半导体级别的硅晶体的方法是Czochralski工艺.这个工艺使用装满了半导体级别的多晶体硅的硅坩锅.电炉加热硅坩锅直到所有的硅融化.然后温度慢慢降低,一小块种子晶体被放到坩锅里.受控制的冷却使硅原子一层一层的沉积到种子晶体上.装有种子的棒缓慢的上升,所以只有生长中的晶体的低层部分和熔融的硅有接触.通过这个方法,能从融化的硅中一厘米一厘米的拉出一个大的硅晶体.

2.光刻（Photo）

光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术.光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的.

光刻是集成电路制造过程中最复杂和最关键的工艺之一.光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术,通常,光刻次数越多,就意味着工艺越复杂.另—方面,光刻所能加工的线条越细,意味着工艺线水平越高.光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作.光刻技术类似于照片的印相技术,所不同的是,相纸上有感光材料,而硅片上的感光材料--光刻胶是通过旋涂技术在工艺中后加工的.光刻掩模相当于照相底片,一定的波长的光线通过这个“底片”,在光刻胶上形成与掩模版（光罩）图形相反的感光区,然后进行显影、定影、坚膜等步骤,在光刻胶膜上有的区域被溶解掉,有的区域保留下来,形成了版图图形,为后序的掺杂、薄膜等工艺做好准备.

光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶又叫光致抗蚀剂,它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体光刻胶受到特定波长光线的作用后,导致其化学结构发生变化,使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变.

根据光刻胶在前后溶解特性的变化可将分为正胶和负胶.正胶：前不可溶,后可溶,特点是分辨率高,在超大规模集成电路工艺中,一般只采用正胶.负胶：前可溶后不可溶,分辨率差,适于加工线宽≥3m的线条.

光刻八个步骤一般可分为：成底膜->涂胶->前烘->对准和->后烘焙->显影->后烘->检查->刻蚀->去胶.

3.刻蚀（Etch）

用光刻方法制成的微图形只给出了电路的行貌并不是真正的器件结构因此需将光刻胶上的微图形转移到胶下面的各层材料上去这个工艺叫做刻蚀.刻蚀的目的和功能是把经过,显影后的光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉,即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形.

刻蚀方法分为湿法刻蚀和干法刻蚀.湿法刻蚀是利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法.干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术.它是硅片表面物理和化学两种过程平衡的结果.在半导体刻蚀工艺中,存在着两个极端：离子铣(通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀)是一种纯物理刻蚀,可以做到各向异性刻蚀,但不能进行选择性刻蚀；而湿法刻蚀如前面所述则恰恰相反(液体腐蚀的各向同性,在向下腐蚀的同时也向侧腐蚀).人们对这两种极端过程进行折中,得到目前广泛应用的一些干法刻蚀技术.目前,RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术.干法刻蚀优点是横向腐蚀小,钻蚀小,无化学废液,分辨率高,细线条操作,安全、简便,处理过程未引入污染,易于实现自动化.缺点:成本高,设备复杂.

4.离子注入

离子注入是将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术,电离的杂质原子经静电场加速.离子注入是另一种掺杂技术,离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布.离子注入是通过高能离子束轰击硅片表面,在掺杂窗口处,杂质离子被注入硅本体,在其他部位,杂质离子被硅表面的保护层屏蔽,完成选择掺杂的过程.进入硅中的杂质离子在一定的位置形成一定的分布.

离子注入参数包括剂量和射程,剂量定义是单位面积硅片表面注入的离子数,正比于离子束电流.射程定义是离子注入过程中,离子穿入硅片的总距离,投影射程：离子穿入硅片的总距离在深度方向上的投影；平均投影射程：所有入射离子投影射程的平均值.注入机的能量越高,射程越大.离子注入机分为中低电流,大电流和高能离子注入机,离子注入机是由离子源,引出电极和质量分析器,加速管,扫描系统组成.

由于高能粒子的撞击,导致硅结构的晶格发生损伤.为恢复晶格损伤,在离子注入后要进行退火处理.退火：也叫热处理,集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火.根据注入的杂质数量不同,退火温度一般在450～950℃之间.退火的作用第一是激活杂质,使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置,以便具有电活性,产生自由载流子,起到激活杂质的作用；第二消除损伤.

5.淀积

淀积铝也称为金属化工艺,它是在真空设备中进行的.在硅片的表面形成一层铝膜.薄膜是在衬底上生长的薄固体物质.薄膜类型：导电薄膜；绝缘薄膜；多晶硅薄膜.薄膜的淀积方法分为物理气相淀积（PVD）,化学气相淀积（CVD）.

物理气相淀积(PVD)：

蒸发：通过把被蒸镀物质(如铝)加热,利用被蒸镀物质在高温下(接近物质的熔点)的饱和蒸气压,来进行薄膜沉积.将待蒸发的材料放置进坩埚、在真空系统中加热使之蒸发的过程.能量提供方法：电阻丝加热和电子束加热.

溅射：利用等离子体中的离子,对被溅镀物质电极进行轰击,使气相等离子体内具有被溅镀物质的粒子,这些粒子沉积到硅表面形成薄膜.在集成电路中应用的许多金属或合金材料都可通过蒸镀或溅镀的方法制造.溅射与蒸发相比的优点是改善了台阶覆盖；控制合金成分；膜均匀性好；能够淀积高温熔化和难熔金属.

化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程.CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点.CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜,例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等.

以上介绍的是半导体工艺中比较重要的4个部分,当然半导体制造工艺除此之外还有很多工艺,例如：化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolish）,气相外延（VPE）,金属互联,等离子清洗（Plaa）,晶圆粘贴（DieBond）,打线（WireBond）,封装和测试等,再次就不一一详述.

【参考文献】

［１］FreescaleSemiconductor工艺流程简介.

［２］（苏）М.С.梭明斯基（М.С.Соминский）著．涂象初译．半导体理论．