Transcript 第3章集成电路基本制造技术

机械电子工程学院专业选修课程
Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)
微机电系统
第3章 集成电路基本制造技术
集成电路制造程序
硅片
薄膜制备
掩膜制造
光 刻
刻 蚀
测 试
切 割
封 装
掺 杂
3.1 集成电路使用的材料
3.1.1硅材料
分单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅具有优良的物理性质，其机械稳定性能良好
，滞后和蠕变极小，质量轻，密度小。力学性能好，
具有高的强度密度比和高的刚度密度比。表3.1
各向异性：硅属于立方晶体结构。硅单晶在晶面上
的原子密度是以（111）>（110）>（100）的次序递
减，因此扩散速度是以（111）<（110）<（100）方
向递增.腐蚀速度也是以（111）<（110）<（100）的
顺序而增加
多晶硅
单晶硅是指整个晶体内原子都是周期性的规则排列,
而多晶是指在晶体内各个局部区域里原子是周期性的
规则排列,但不同局部区域之间原子的排列方向并不相
同。因此多晶体也看作是由许多取向不同的小单晶体
组成的，如图3.2所示。
多晶硅薄膜具有与单晶硅相近的敏感特性、机械特
性，它在微机械加工技术中多用于作为中间加工层材
料。在工艺上可与单晶硅工艺相容，又能进行精细加
工，而且还可以根据器件的需要充当绝缘体、导体和
半导体。
多晶硅薄膜具有与单晶硅相近
的敏感特性、机械特性，它在微
机械加工技术中多用于作为中间
加工层材料。在工艺上可与单晶
硅工艺相容，又能进行精细加工，
而且还可以根据器件的需要充当
绝缘体、导体和半导体。
３.1.2 硅片制造
随着单晶硅园片直径越来越大，制造集成电路会出
现以下问题
（1）硅片电参数径向均匀性质差
（2）硅片平整度的问题
（3）采用低温加工环境
3.1.2.1 单晶生长
工业上使用的单晶炉，普遍采用石墨电阻加热式
单晶炉。其组成部分有炉腔部分、提升机构，气参
控制、电子控制和电源。
拉晶过程中必须在真空或高纯惰性气氛中进行，
以免熔硅和石墨在高温下氧化。可供选择的惰性气
体有氦或氩。
3.1.2.2拉晶过程
位错通过悬挂链和应力场的作用，直接影响载流
子的传导过程，因此集成电路制造中应当采用无位
错或少位错的硅单晶。
3.1.2.3
硅片制备
从单晶硅锭到硅片抛光需要经过多次机械加工和
化学腐蚀，表面抛光以及清洗，检测和若干其他辅
助工艺。
（1）晶向测定
在籽晶切割，定位面研磨和切片操作之前，需要
进行定向，使晶向及其偏差范围符合工艺规范要求，
用X射线衍射定向法测定。
（2）机械加工
单晶硅外形整理，切割分段，外圆滚磨和定位面
研磨等，然后进行切片。对于大直径单晶硅，应使
用带式切割机切断。
（3）切片
切片是硅片制备中重要工序，其四个重要工艺
参数，即晶向、原度、平行度、翘度。抛光是硅
片表面的最后一次重要加工，也是精细的表面加
工，抛光后的硅片表面应当是结净的，无加工伤
痕的，平整的和镜面光滑的。
３.1.3 陶瓷
•陶瓷狭义的概念系指以粘土、长石和石英等原料经制
备、成型、干燥、烧结而成的制品。其主要成分是硅
酸盐类。
•集成电路用陶瓷是功能陶瓷，是氧化铝陶瓷。除去化
学惰性、机械稳定性、表面质量外，它具有高强度，
耐高温（或具有耐热性好），耐腐蚀，耐磨，还具有
多极性、介电性、压电性、光电性，绝缘等优良品质。
•功能陶瓷具有压电性的亦称为压电陶瓷，它具有电致
伸缩的特性 。常用的压电陶瓷有钛酸（BT）、锆钛酸
铝（BZT）、改性锆钛酸铝，偏铌酸铝（PN）、铌酸铝
钡锂（PBLN）、改性钛酸铝（PT）等。
3.2 薄膜制造，外延生长
•集成电路芯片制造过程，实际上是在衬底上多次反
复进行薄膜形成，掺杂与光刻等过程。
•薄膜制备方法有两类，物理淀积与化学淀积。真空
蒸发，阴极溅射，分子束外延等属于物理淀积。利用
化学反应过程的生产方法，称为化学淀积法。它又分
为化学液相淀积与化学气相淀积两类，外延是一种化
学气相淀积，热氧化也是一种化学淀积。
在单晶硅衬底上生长一层新薄层单晶的技术，称
为外延生长。
外延生长之所以重要，在于外延层中的杂质浓度
可以方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调
节，而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。
硅半导体器件与集成电路中通常采用硅气相外延
法。气相外延（VPE）利用硅的气态化合物或者液
态化合物的蒸气，在加热的硅衬底表面与发生反应
或自身发生分解反应，还原出硅，并以单晶形式淀
积在衬底表面。具体方法有四氯化硅氢还原法；硅
烷热分解法外延。
3.2.１ 四氯化硅氢还原法
1200℃
SiCl4 + 2H2 == Si + 4HCl
３.2.2 硅烷热分解法外延
>600℃
SiH4 ===== Si
+ 2H2
水平（卧式）外延反应器示意图
3.3
氧化技术
氧化工艺是集成电路制造中的基本工艺。为满足
集成电路制造的要求，出现了制备二氧化硅膜的多
种方法。
3.3.1 二氧化硅膜的结构
热氧化工艺生长的二氧化硅薄膜具有无定形玻
璃状结构。这种结构的基本单元是一个由Si—O
原子组成的正四面体，
3.3.2. 二氧化硅膜的性质
不同方法制备的二氧化硅膜的物理性质有所不同如
密度、折射率、电阻率、介电常数、介电强度等
二氧化硅膜的化学性质：有极高的化学稳定性，不溶
于水，除氢氟酸外，其他酸与其不起作用，可以被HF
所腐蚀，二氧化硅膜的绝缘性能。Si—SiO2的界面特
性 在此界面上与存在着二氧化硅层中的可动离子电荷，
所以控制Si—SiO2中的电荷数目及漂移是关注的问题
之一。
3.3.3. 热氧化工艺
在半导体生产中，普遍采用干氧一湿氧一干氧交
替的氧化方法。
3.4 掺杂技术
掺杂是人为的方法.将所需杂质按要求的浓度与分
布掺入到材料中,以达到改变材料的电学性质,形成
半导体器件的目的。利用掺杂技术可以制备p—n结，
电阻器、欧姆接触和互连线等。
掺杂技术在集成电路制造中主要采用扩散法与离
子注入法。应根据实际需要，选择合适的掺杂方法。
3.4.1.1扩散原理
扩散运动是微现粒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,并在其中缓慢的迁物运动.这些杂
质原子不是代替硅原子的位置,而是处在晶体的间
隙中,因此扩散有替位式扩散和间隙式扩散两种方
式。扩散运动总是从浓度高的地方向浓度低的地方
移动,宏观上看,好象有一个力使原子沿着浓度下降
的方向运动,运动的快慢与温度,浓度梯度有关。
3.4.1.2扩散方法
在气固扩散中包含液态源扩散。粉状源扩散，气状
源扩散；固一固扩散包含乳胶源扩散、CVD掺杂二氧
化硅源扩散。
3.4.2 离子注入技术
将待掺杂的原子（或分子）电离，再加速到一定能
量使之注入到晶体片，然后经过退火使杂质激活，达
到掺杂的目的，称为离子注入技术。由于离子注入掺
杂有很好的可控性和灵活性，使它成为一种重要的，
不可缺少的掺杂工艺。
3.５
化学气相淀积
化学气相淀积（chemical vapour desition简称
为CVD）是使一种或数种物质的气体以某种方式激活
后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体
薄膜的生长技术。
已发展多种实用的CVD技术。按淀积温度可分为低
温（200-500℃），中温（500-1000℃），高温
（1000-1200℃）三种；按反应压力分为常压与低压；
按反应壁温度可分为热壁与冷壁两类，按反应激活方
式可分为热激活、等离子体激活，光激活等。目前最
常用的是常压冷壁、低压热壁、等离子激活等三种淀
积方法。
3.5.2 二氧化硅
淀积二氧化硅分掺杂与不掺杂两种。不掺杂二氧化
硅可用作离子注入或扩散的掩模、防止固态掺杂源内
杂质外扩散的覆盖层、以及MOS电路场氧化层的增厚层。
掺磷二氧化硅用作金属层间绝缘材料、器件表面的最
后钝化层及有害杂质的吸除层。掺有磷、砷、硼的二
氧化硅有时作固-固扩散源使用。
3.5.3
氮化硅
氮化硅在集成电路制造中用作钝化膜，局部氧比膜，
扩散掩膜、绝缘介质膜，以及杂质或缺陷的萃取膜使
用。氮化硅重要的性质是对水、氧、钠、铝、镓、铟
都具有极强的扩散阻挡能力，因此它是一种较理想的
钝化材料。
CVD氮化硅的结构是以 900℃为界，淀积温度超过
900℃时，薄膜开始晶化。低于900℃时，基本上为非
晶态，非晶态氮化硅与晶态氮化硅相比，虽然密度较
小，硬度较低，腐蚀速率较快，但薄膜的连续性好，
针孔少，阻挡杂质扩散的能力更强，适于集成电路制
造的要求。
折射率与蚀速是衡量氮化硅质量的两个常用
参量。薄膜富硅时，折射率增加，薄膜含氧时
折射率下降。含氧过多会损害薄膜对杂质的阻
挡作用。
CVD氮化硅膜具有极大的张应力，可达到
1×109Pa，因而膜厚超过200nm时有可能发生龟
裂。淀积前衬底表面的颗粒杂质含导致膜的应
力集中现象 。
３.５.３.２ 氮化硅的制备
氮化硅有晶态与非晶态两种结构，作为器件使用的
氮化硅应当是非晶态的。氮化硅的制备方法很多，有
热生长法、反应溅射法、蒸发法、CVD法等等。但在
器件生产中主要采用CVD法。
此时常利用下述反应进行淀积：
（700-900℃）℃
3 SiN4 + 4NH3
Si3N4+12H2
３.５.４多晶硅
3.5.5 薄膜层的物理生长方法
（Physical Vapo Doposition ,PVD）
物理气相淀积是通过能量或动量使被淀积的原子
（也可能是分子团）逸出，经过一段空间飞行后落
到衬底上而淀积成薄膜的方法。
3.6
掩模制造
采用玻璃基板的掩模制作步骤
上述各道工艺又可分为乳胶工艺和硬面工艺两类。
选择光刻掩模制作工艺的原则，特别是在制作超大规
模集成电路情况下，应该选择的是掩模的制作周期短、
成本低和质量高。
硬面板（H.S.P）是在玻璃基板上蒸发或溅射一
层几十到几百纳米厚的金属或金属氧化物，然后在
其上用光刻胶作为感光层。现在一般使用铬、氧化
铬和氧化铁板等。由于铬层在曝光时对光的反射太
强，因而降低了光刻胶的分辨率，所以一般在铬层
表面再蒸发一层反射率低的氧化铬，组成两层结构。
用这样的H.S.P可实现1m图形的光刻。
一般认为H.S.P中氧化铁板是较理想的掩模基材。
它既解决了乳胶板的不耐用问题，又解决了铬板的
不透明和针孔多的问题。而且氧化铁板在光学特性、
致密度等多方面都优于铬板。
3.7 光刻工艺
光刻工艺是一种图象复印同刻蚀(化学的、物理的、
或两者兼而有之)相结合的综合性技术。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
蚀材料（二氧化硅、铝、多晶硅等薄层）表面的光致
抗蚀剂（亦称光刻胶）上面，然后在抗蚀剂的保护下
对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻蚀材料上得
到所需要的图形。
在光刻工艺中使用的光刻胶有两大类：一类叫
负性光刻胶，其未感光部分能被适当的溶剂溶除，
而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图
形相反；另一类叫正性光刻胶，其感光部分能被
适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图
形与光刻掩模图形相同。采用负性光刻胶制作图
形是一种人们熟知而且容易控制的工艺。其涂层
对环境因素不那么灵敏，且具有很高的感光速度，
极好的粘附性和搞蚀能力，成本低，适用于工业
化大生产。目前刻蚀5m左右线条主要使用负性光
刻胶。负性光刻胶的主要缺点是分辨率较低，不
适于细线条光刻。
表面处理
涂胶
前烘
曝光
显影
后烘
腐蚀
除胶
3.7.2 光刻胶的主要性能
光刻胶的性能指标有感光度、分辨率、粘附性、抗
蚀性、针孔密度、留膜率、稳定性等。根据待加工材
料的性质，加工图形的线宽及精度要求，曝光方式、
腐蚀方法等正确选用光刻胶。
(1)感光度
感光度是表征光刻胶对光线敏感程度的性能指标。它
既与光刻胶本身的性质有关，又与具体的光刻工艺条
件有关
（2）分辨率
分辨率是光刻胶的又一项重要性能指标，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。分
辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目
来表示。
（3）粘附性
（4）抗蚀性
湿法刻蚀二氧化硅或金属时，要求光刻胶本身能较长
时间经受住酸、碱的浸蚀；干法刻蚀时，要求光刻胶
能较长时间经受住等离子体的作用。
（5）针孔密度
单位面积上的针孔数称为针孔密度。光刻胶膜上
的针孔在腐蚀过程中会传递到衬底上去，危害极
大。
（6）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。留膜率除与光刻胶本身的性质
有关外，还受光刻工艺条件的影响。如胶膜厚度
、前烘温度、曝光气氛、曝光量、显影液成分等
3.7.3 光刻工艺
在硅片上制作器件或电路时，为进行定域掺杂与互连
等，需要进行多次光刻，各次光刻的工艺条件略有差
异，但一般都要经过涂胶、前烘、曝光、显影、后烘
、刻蚀和去胶7个步骤。
3.7.3.1 衬底材料对光刻工艺的影响
衬底材料的表面清洁度，表面性质和平面度对光刻质
量均有影响。
3.7.3.2 增粘处理
二氧化硅是主要的刻蚀对象。由于光刻胶与衬底之
间的粘附力大小对光刻质量有极大影响，所以改善
二氧化硅表面性质的处理方法，会提高粘附力
3.7.3.3 涂胶
涂胶就是将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，其质
量要求：膜厚符合设计要求，膜厚均匀，胶面上看
不到干涉花纹。负胶的片内膜厚误差应小于5%，正
胶应小于2%；胶层内无点缺陷；涂层表面没有尘埃
碎屑。
3.7.3.5 对位与曝光
对位与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它直接关
系到光刻的分辨率、留膜率、条宽控制和套准精度。
曝光的目的是用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，
在显影后得到尽可能高的留膜率，近似于垂直的光刻
胶侧壁和可控的条宽。
一般情况下，正胶和负胶显影后的侧壁形状都是梯
形，正胶的侧壁较负胶的侧壁要陡直得多。曝光时间
越长，光的衍射效应对光刻胶侧壁的影响越严重。除
了曝光量以外，光刻胶的膜厚，衬底的反射，胶膜和
掩模之间的间距，以及显影条件等因素都会影响条宽
变化量。
3.7.3.6显影
显影是用溶济除去未曝光部分（负胶）或曝光部分
（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需的光刻胶图形。
影响显影质量的因素
显影液与分辨率对于负胶细线条（<5μm）光刻来说，
显影时光刻胶的膨胀是影响成象分辨率和线宽的主要
原因。与负胶相比正胶显影液是含水的碱性溶液。它
对光刻胶的渗透作用较小。未曝光部分的光刻胶不发
生化学变化，表面仍呈疏水性。显影液对它的作用很
小，因此正胶显影不存在光刻胶的膨胀问题，使正胶
的分辨率可以做得很高。因此正胶广泛用微细加工。
3.7.3.7 后烘
后烘的目的是去除显影后胶层内残留的熔液，充
分的后烘可提高光刻胶的粘附力和抗蚀性。后烘又
称坚膜。在一些特殊场合，高温后烘时产生的塑性
流动还可以封闭胶层的微小针孔，或者减小衬底的
侧向腐蚀。
3.7.3.8 湿法腐蚀
腐蚀是为了去除显影扣裸露出来的介质层。覆盖在
硅片上的介质主要有下面几种，SiO2、Si3N4等绝缘膜，
多晶硅等半导体膜以及Al等金属膜。
光刻过程的腐蚀，一般应考虑以下六个问题：①腐
蚀均匀性；②腐蚀方向性；③腐蚀选择性；④腐蚀速
度；⑤公害和安全措施；⑥经济性。
其中最重要的问题是腐蚀方向性与腐蚀选择性。
A．二氧化硅的腐蚀
二氧化硅是IC制造中使用最多的一种绝缘介质，
关于二氧化硅的湿化学腐蚀机理及NH4F对腐蚀的
“缓冲”作用，许多书中都有叙述。
B． 氮化硅的腐蚀
不含氧的纯Si3N4称为硬氮化硅，含氧与氢等的
SiN4称为软氮化硅，两者蚀速不等，前者蚀速比后
者小。氢氟酸对Si3N4的腐蚀比二氧化硅慢得多，
而磷酸正好与之相反。因此，可以用热磷酸去除
硅和二氧化硅上的Si3N4层。
C． 多晶硅腐蚀
以往多晶硅多半用HF-HNO3-HAC（冰醋酸）的混合液
进行腐蚀，由于腐蚀终点难于控制，腐蚀质量不佳，
现已基本上采用干法腐蚀。
D.铝腐蚀
铝腐蚀液的种类较多，但使用效果最好的是由磷酸
、硝酸、冰醋酸与水组成的混合腐蚀液。
E.钝化膜腐蚀
IC芯片的钝化普遍采用CVD生长的磷硅玻璃（PSG）
。由于钝化腐蚀必然要接触铝表面，因此应尽量减少
腐蚀液对铝膜的腐蚀与氧化作用。
3.7.3.9干法腐蚀
法腐蚀具有分辨率高、各向异性，腐蚀能力强，不
同材料的腐蚀选择比大，腐蚀均匀性重复性好，以及
易于实现连续自动操作等优点，干法腐蚀已成为超大
规模集成电路制造的标准腐蚀技术。
（1）等离子体腐蚀
等离子体腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性
游离基与被腐蚀材料发生化学反应的一种选择性腐蚀
方法。
3.7.3.10 去胶
当二氧化硅或铝等待刻蚀材料腐蚀完毕后，起
刻蚀掩蔽作用的光刻胶，就必须去除干净。去胶
后硅片表面无残胶，残迹，去胶工艺可靠，不损
伤下层的衬底表面。去胶的方法很多，目前采用
湿法去胶，去胶液是有机或无机试剂，具体的去
胶液应根据不同的衬底材料和工艺要求选用。如
二氧化硅、氮化硅、多晶硅等衬底材料一般用硫
酸中添加过氧化氢，去胶效果好，去胶液可反复
多次使用。金属衬底去胶需用专门的有机类去胶
剂。
3.8 接触与互连
在集成电路制造过程中，其中的各元器件应在电性
能上相互隔离，然后根据电路的要求在元器件的适当
部位刻蚀接触孔，通过接触孔用互连材料将这些元器
件连接起来，形成一个完整的电路。对接触与互连的
基本要求是：（1）两种接触材料（例如金属和半导
体）之间的接触电阻要小；（2）互连材料的电阻率
要低；（3）互连线对台阶的覆盖率要好。
在集成电路中除了用纯铝作为接触和互连材料外，
还广泛采用铝的合金作为集成电路的金属化层。在
MOS集成电路中，还采用硅以及钛、钼、钽、钨等难
溶金属和它们的硅化物作为接触和互连材料。在设
计集成电路互连时，要求互连线尽可能短而且彼此
不能相交，这在中、小规模集成电路中还可以做到
的。但在大规模集成电路中，由于金属布线比较复
杂，要在同一平面上避免互连线的交叉是十分困难
的。为此，必须采用多层布线技术。
3.8.3金属膜的形成方法
在集成电路制造中，淀积金属薄膜最常用的方法是
蒸发和溅射。
3.8.5多层布线技术
在设计集成电路时，要求互连线尽可能短，而且彼
此不能相交。在比较复杂的集成电路中，当单层铝布
线不能同时满足上述两点要求时，可以使用硅园片的
扩散区作为另一种互连线，与铝线相互交叉配置，两
者之间以氧化层加以绝缘，多层布线工艺复杂，技术
要求高，如互连孔的刻蚀问题，层间绝缘问题，台阶
覆盖问题，这些问题处理不妥会影响集成电路的成品
率。某集成电路双层布线互连孔的剖面。
图3.30 双层步线结构
图3.31 双层布线互连孔的剖面图