第3章微电子概论IC制造工艺

3.1 外延生长 3.3 光刻原理与流程 3.4 氧化 3.6 掺杂原理与工艺
3.2 掩膜版制作 3.5 淀积与刻蚀
第3章微电子概论IC制造工艺
3.3 光刻（Lithography）原理与流程
在IC的制造过程中，光刻是 多次应用的重要工序，其作用是 把掩膜上的图型转换成晶圆上的 器件结构。
第3章微电子概论IC制造工艺
第3章微电子概论IC制造工艺
1. 液态生长（LPE，Liquid Phase Epitaxy）
LPE意味着在晶体衬底上用金属性的溶液形成一个薄层 。在加热过的饱和溶液里放上晶体，再把溶液降温， 外延层便可形成在晶体表面。原理在于溶解度随温度
的变化而变化。
LPE是最简单廉价的外延生长方法，在III/IV族化合物 器件制造中有着广泛的应用。但其外延层的质量不高 。
3.3.1 光刻步骤
一、 晶圆涂光刻胶：
清洗晶圆，在200℃温度下烘干1小时，目的是防止水汽引 起光刻胶（即抗蚀剂，光照后能改变抗蚀能力的高分子化合物 ）薄膜出现缺陷。
待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。 光刻胶有两种：负性（negative）与正性（positive）。正性 胶显影后去除的是经曝光的区域的光刻胶，负性胶显影后去除 的是未经曝光的区域的光刻胶。正性胶适合作窗口结构，如接 触孔、焊盘等，而负性胶适用于做长条形状如多晶硅和金属布 线等。 常用OMR83，负片型。 光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可在黄光下 操作。
第3章微电子概论IC制造 工艺
2020/11/26
第3章微电子概论IC制造工艺
3.1 外延生长（Epitaxy）
1. 外延生长的目的 半导体工艺流程中的基片是抛光过的晶圆基片，直径在
50300mm（212英寸）之间，厚度约几百微米。 尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上，但大多数
器件和IC都做在经过外延生长的衬底上。原因是未经外延过 生长的基片通常不具有制作器件和电路所需要的性能。 外延生长的目的是用同质材料形成具有不同掺杂种类及浓度 ，因而具有不同性能的晶体层。外延生长也是制作不同材料 系统的技术之一。外延生长后的衬底适合于制作有各种要求 的器件与IC，且可进行进一步处理。 不同的外延工艺可制出不同的材料系统。甚至可以在硅衬底 上生长出GaAs，在GaAs上生长出InP。
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3.3.2 曝光方式
接触与非接触两种方式
1. 接触式曝光
把掩膜以0.050.3标准大气压的压力压在涂光刻胶的晶圆 上，曝光光源的波长在0.4m左右。
图3.7 接触式 光刻示意图
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曝光系统（下图）： 点光源产生的光经凹面
镜反射得发散光束，再经透镜变成平行光束， 经45°折射后投射到工作台上。
图3.5
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电子束制版三部曲
涂抗蚀剂，抗蚀剂采用PMMA。 电子束曝光，曝光可用精密扫描仪，电子束制版的 一个重要参数是电子束的亮度，或电子束的能量。 显影，用二甲苯。二甲苯是一种较柔和的有弱极性 的显影剂，显像速率大约是MIBK/IPA的1/8。用IPA清 洗可停止显像过程。
3.2 掩膜版制作 3.5 淀积与刻蚀
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3.2 掩膜（Mask）的制版工艺
1. 掩膜制造
从物理上讲，任何半导体器件及IC都是一系列互相联系的 基本单元的组合，如导体、半导体及在基片不同层上形成的 不同尺寸的隔离材料等。要制作出这些结构需要一套掩膜。
一个光学掩膜通常是一片涂着特定图形的铬薄层的石英玻 璃，一层掩膜对应一块IC的一层材料的加工。工艺流程中需 要的掩膜必须在工艺流程开始之前制作出来。制作这套掩膜 的数据来自电路设计工程师给出的版图。
图 3.8
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接触式曝光方式的图象偏差问题
原因：光束不平行，接触不密有间隙
图3．9
举例： =3°， y+2d=10m， 则有 (y+2d)tg=0.5m
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掩膜和晶圆之间实现 理想接触的制约因素
掩膜本身不平坦； 晶圆表面有轻微凸凹； 掩膜和晶圆之间有灰尘。
大部分AlGaAs/GaAs和InGaAsP/InP器件可用LPE来制
作，但已逐渐被VPE（气相外延），MOVPE（金属有 机物），MBE（分子束）法取代。
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2. 气相外延生长（VPE，Vapor Phase Epitaxy）
VPE是所有在气体环境下在晶体表面进行外延生长技术的 总称。 在不同的VPE技术里，卤素（Halogen：氟、氯、溴、磺、 砹有化学联系的五个非金属元素一族中的任何一个）传递生 长法在制作各种材料的沉淀薄层中得到大量应用。 任何把至少一种外延层组成元素以卤化物形式在衬底表面 发生卤素析出反应从而形成外延层的过程都可归入卤素传递 法。它在半导体工业中有尤其重要的地位（卤化反应）。 用这种方法外延生长的基片，可制作出很多种器件，如 GaAs、GaAsP、LED管、GaAs微波二极管、大部分的Si双极 型管、LSI及一些MOS逻辑电路等。
图 3.10
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缩小投影曝光系统
（2）投影式工作原理:
水银灯光源通过聚光镜投射 在掩膜上。 掩膜比晶圆小，但比芯片大 得多。在这个掩膜中，含有 一个芯片或几个芯片的图案， 称之为母版，即 reticle。 光束通过掩膜后，进入一 个缩小的透镜组，把 reticle 上 的图案，缩小5~10倍，在晶 圆上成像。
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电子束扫描法（续）
电子束扫描装置的用途： 制造掩膜和直写光刻。
电子束制版的优点： 高精度
电子束制版的缺点： 设备昂贵 制版费用高
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关心每一步工艺对器件性能的影响，读懂PDK （工艺设计 文件，Process Design Kits），挖掘工艺潜力。
图案发生器方法（续）
利用这些数据控制下图所示的一套制版装置。
图3.4 PG法掩膜制版装置 第3章微电子概论IC制造工艺
3. X射线制版
由于X射线具有比可见光短的多的波长，可用 来制作更高分辨率的掩膜版，X射线掩膜版的衬底 材料与光学版不同，要求对X射线透明，而不是可 见光或紫外线，它们常为硅或硅的碳化物，而金的 沉淀薄层可使得掩膜版对X射线不透明。X射线可 提高分辨率，但问题是要想控制掩膜版上每一小块 区域的扭曲度是很困难的。
图 3.11
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缩小投影曝光系统的特点
一次曝光只有一个Reticle 上的内容，也就是只有 一个或几个芯片，生产量不高。
由于一次曝光只有一个或几个芯片，要使全部晶 圆面积曝光，就得步进。 步进包括XY工作台的分 别以芯片长度和宽度为步长的移动和Reticle内容的 重复曝光。
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正性胶与负性胶光刻图形的形成
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涂光刻胶的方法
光刻胶通过过滤器滴入晶圆中央，被真空吸盘 吸牢的晶圆以2 0008 000r/min的高速旋转，从 而使光刻胶均匀地涂在晶圆表面。
图 3.6
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光刻步骤二、三、四
二、曝光：光源可以是可见光、紫外线、X射线和电 子束。光量的大小和时间的长短取决于光刻胶的型号 、厚度和成像深度。 三、显影：晶圆用真空吸盘吸牢，高速旋转。将显影 液喷射到晶圆上，即可实现显影操作。显影后，用清 洁液喷洗。 四、烘干：将显影液和清洁液全部蒸发掉。
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4. 电子束扫描法（E-Beam Scanning）
这种技术采用电子束对抗蚀剂进行曝光， 由于高速电子的波长很短，分辨率很高。 高级的电子束制版设备的分辨率可达50nm ，这意味着电子束的步进距离为50nm，轰 击点的大小也为50nm。
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电子束光刻装置： LEICA EBPG5000+
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英国VG Semicom公司型号为 V80S-Si的MBE设备关键部分
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关心每一步工艺对器件性能的影响，读懂PDK （工艺设计 文件，Process Design Kits），挖掘工艺潜力。
3.1 外延生长 3.3 光刻原理与流程 3.4 氧化 3.6 掺杂原理与工艺
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IC、Mask & Wafer
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整版和接触式曝光
在这种方法中，掩膜和晶圆是一样大小的。对应 于3”∼8”晶圆，需要3”∼8”掩膜。不过晶圆是圆的， 掩膜是方的。 这样制作的掩膜图案失真较大：
因为版图画在纸上，热胀冷缩，受潮起皱，铺不平等 初缩时，照相机有失真 步进重复照相，同样有失真 从mask到晶圆上成像，还有失真。
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Si基片的卤素生长外延
Si基片的卤素生长可在一个反应器中实现，如 SiCI4/H2系统。在水平的外延生长器中，Si基片放在石 英管中的石墨板上，SiCI4、H2及气态杂质原子通过反 应管。
在外延过程中，石墨被石英管周围的射频线圈加热 到1500 2000C，在高温作用下，发生 SiCI4+H2Si+4HCI的反应，释放出的Si原子在基片 表面形成单晶硅，典型的生长速度为0.51m/min。
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3. 金属有机物气相外延生长
（MOVPE: Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）
III/V族材料的MOVPE中，所需要生长的III族和 V族元素的源材料以气体混合物的形式进入反应炉 中已加热的生长区里，在那里进行热分解与沉淀反 应。 MOVPE与其它VPE不同之处在于它是一种冷壁 工艺，只要将衬底控制到一定温度就行了。