典型工藝介紹

光刻技術(shù)類似于照片的印相技術(shù)，所不同的是，相紙上有感光材料，而硅片上的感光材料——光刻膠是通過旋涂技術(shù)在工藝中后加工的。光刻掩模相當(dāng)于照相底片，一定的波長的光線通過這個“底片”，在光刻膠上形成與掩模版（光罩）圖形相反的感光區(qū)，然后進(jìn)行顯影、定影、堅膜等步驟，在光刻膠膜上有的區(qū)域被溶解掉，有的區(qū)域保留下來，形成了構(gòu)成電路版圖的圖形。

光刻是制造集成電路的關(guān)鍵工藝技木。通常，光刻次數(shù)越多，就意味著工藝越復(fù)雜。另一方面，光刻線條越細(xì)，意味著工藝線水平越高。在集成電路生產(chǎn)過程中光刻工藝是完成在整個硅片上進(jìn)行開窗、制作元器件圖形的工作，如對各層薄膜的圖形及摻雜區(qū)域等進(jìn)行開窗，光刻都起著決定性的作用。通常可用光刻加工的特征線寬、光刻次數(shù)及所需掩模的個數(shù)來表示某類集成電路生產(chǎn)工藝的難易程度。

光刻是集成電路制造過程中最復(fù)雜和最關(guān)鍵的工藝之一。光刻工藝?yán)霉饷舻目刮g涂層（光刻膠）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合刻蝕的方法把掩模版圖形復(fù)制到圓硅片上，為后序的摻雜、薄膜等工藝做好準(zhǔn)備。在芯片的制造過程中，會多次使用RH-IX2135SCZZ光刻工藝?，F(xiàn)在，為了制造集成電路要采用多達(dá)20～30次光刻和多至幾百道工藝、工序步驟，使得芯片生產(chǎn)周期長達(dá)一個月甚至更久。目前光刻已占到集成電路總的制造成本的1/3以上，并且還在繼續(xù)提高。特征尺寸越精細(xì)，集成電路水平越高，工藝技術(shù)的難度也越高。例如90nm或65nm集成電路，其特征線寬僅相當(dāng)于人的頭發(fā)絲的千分之一，在相應(yīng)集成電路的制造的近30次光刻中，大約會有十幾次光刻需要在硅片上準(zhǔn)確地以特征線寬的精度完成器件圖形的復(fù)制和套刻，光刻設(shè)備不僅要有極高的精度，同時還要以幾乎是100%的成品率實現(xiàn)快速、有效的規(guī)模生產(chǎn)。一臺90nm的步進(jìn)投影光刻機(jī)價值1000萬～2000萬美元，同時還要求具有相應(yīng)特定技術(shù)水平的顯影、刻蝕、表面處理的設(shè)備和在線檢測儀器，對廠房的溫、濕度，空氣中的塵埃顆粒度和密度，水的純度等都有十分嚴(yán)格的規(guī)定和明確的標(biāo)準(zhǔn)。

擴(kuò)散與離子注入

半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一種材料，它對雜質(zhì)非常敏感，1015個原子／cm3濃度的雜質(zhì)就可以明顯地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和電阻率，這意味著在幾百萬個硅原子中摻人一個奈質(zhì)原子，硅的導(dǎo)電能力就會有明顯的變化。體硅CMOS集成電路技術(shù)在很大程度上可以被看作是摻雜半導(dǎo)體技術(shù)。擴(kuò)散與離子注入是硅半導(dǎo)體技術(shù)中最重要的摻雜技術(shù)。

MOS場效應(yīng)晶體管是集成電路中最基本的元件。在一個N阱CMOS的制作過程里，除了構(gòu)成P型硅的雜質(zhì)是在晶圓片的制作時所加入的之外，所有其他的P型或N型半導(dǎo)體區(qū)域，如用來建立PMOS的N阱，PMOS與NMOS的源極與漏極和位于場氧化層(Fieldoxide，簡稱為Fox)下方的“隔離帶”等，都需要采用摻雜工藝來加工。在現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路工藝中，最主要的摻雜技術(shù)，有傳統(tǒng)式的“擴(kuò)散法”和較先進(jìn)的“離子注入法”等。前者是利用雜質(zhì)在高溫下（約800℃以上）從高濃度區(qū)往低濃度區(qū)的擴(kuò)散，來進(jìn)行硅摻雜的，而后者則是將雜質(zhì)以高能離子的形式，直接注入硅中的方式來進(jìn)行的。雖然兩者的摻雜方式并不完全相同，但目的則是一致的——對半導(dǎo)體進(jìn)行雜質(zhì)的摻入，以形成各種N型或P型的半導(dǎo)體區(qū)域。

擴(kuò)散是一種十分重要的摻雜技術(shù)，它是在800～1250℃（甚至更寬）的高溫下，在專用的擴(kuò)散爐中完成的。它的特點是摻雜濃度、摻雜深度分布范圍廣，特別是摻雜深度可以實現(xiàn)0.1～lOOμm．甚至更深，批量生產(chǎn)能力大，設(shè)備成本相對較低。但是要實現(xiàn)o1μm以下的淺結(jié)擴(kuò)散十分困難，現(xiàn)在較多使用在0.35μm以上的集成電路、半導(dǎo)體分立器件特別是半導(dǎo)體功率器件的生產(chǎn)中。在先進(jìn)集成電路，特別是納米尺度集成電路的生產(chǎn)中，主要使用離子注入技術(shù)。

離子注入是另一種摻雜技術(shù)，離子注入摻雜也分為兩個步驟：離子注入和退火再分布。離子注入是通過高能離子束轟擊硅片表面，在摻雜窗口處，雜質(zhì)離子被注入硅本體，在其他部位，雜質(zhì)離子被硅表面的保護(hù)層屏蔽，完成選擇摻雜的過程。進(jìn)入硅中的雜質(zhì)離子在一定的位置形成特定的分布。摻雜深度由注入雜質(zhì)離子的能量和質(zhì)量決定，摻雜濃度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目（取決于注入劑量和時間）決定。同時，由于高能粒子的撞擊，導(dǎo)致硅結(jié)構(gòu)的晶格發(fā)生損傷。為恢復(fù)品格損傷，在離子注入后要進(jìn)行退火處理。根據(jù)注入的雜質(zhì)數(shù)量不同，退火溫度在450—9500C之間，摻雜濃度大則退火溫度高，反之則低。在退火的同時，摻入的雜質(zhì)同時向硅體內(nèi)進(jìn)行再分布，如果需要，還可進(jìn)行后續(xù)的高溫處理以獲得所需的結(jié)深和分布。

離子注入技術(shù)主要有以下幾方面的特點。

(1)注入的離子是通過質(zhì)量分析器選取出來的，選取的離子純度高，能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響。

(2)注入劑量在1011～10l-離子/cm2的較寬范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)的雜質(zhì)均勻度可保證在±1%的精度，比擴(kuò)散好得多，離子注入技術(shù)的這一優(yōu)點在超大規(guī)模集成電路制造中尤其重要。

(3)離子注入時，襯底一般是保持在室溫或低于400℃。因此，像二氧化硅、氮化硅、鋁和光刻膠等都可以用來作為選擇摻雜的掩蔽膜。

(4)離子注入深度是隨離子能量的增加而增加。因此，可以通過控制注入離子的能量和劑量，以及采用多次注入相同或不同雜質(zhì)，得到各種形式的雜質(zhì)分布。

(5)離子注入時的襯底溫度較低，這樣就可以避免高溫擴(kuò)散所引起的熱缺陷。另外，由于注入的直進(jìn)性，注入雜質(zhì)是按掩模的圖形近于垂直入射，這樣的摻雜方法，橫向效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多。

(6)化合物半導(dǎo)體是兩種或多種元素按一定組分構(gòu)成的，它們不宜高溫娃理，組分可能發(fā)生變化。采用離子注入技術(shù)，基本不存在上述同題，因此容易實現(xiàn)化合物半導(dǎo)體的摻雜。

在集成電路芯片生產(chǎn)制造過程中，還包括氧化、蒸發(fā)、濺射、化學(xué)汽相淀積、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光等一系列基本工藝技術(shù)，它們都與光刻、擴(kuò)散、離子注入相類似，具有高精度高難度的技術(shù)特點，相關(guān)的設(shè)備儀器，廠房設(shè)施，配套材料都有很高的要求。