集成電路制造綜述

在當今這信息化的社會中，集成電路已成為各行各業(yè)實現(xiàn)信息化、智能化的基礎(chǔ)。無論是在軍事還是民用上，它已起著不可替代的作用。本論文主要介紹集成電路的制造工藝。集成電路制造工藝是把電路所需要的晶體管、二極管、電阻器和電容器等元件利用研磨、拋光、氧化、擴散、光刻、外延生長、蒸發(fā)等一整套平面工藝技術(shù)制作在一小塊硅單晶片、玻璃或陶瓷襯底上，并且采用一定的隔離技術(shù)使各元件在電性能上互相隔離。然后在硅片表面蒸發(fā)鋁層并用光刻技術(shù)刻蝕成互連圖形，使元件按需要互連成完整電路，制成半導(dǎo)體單片集成電路。關(guān)鍵詞集成電路；品體管；光刻技術(shù)ABSTRACTIntoday'sinformationsociety,integratedcircuithasbecomeallwalksoflifeandinformatizationintelligentfoundation.Whetherinmilitaryorcivil,italreadyplaysanirreplaceablerole.Thispapermainlyintroducestheintegratedcircuitmanufacturingprocess.Integratedcircuitmanufacturingprocessisneededtothecircuitoftransistors,diodes,resistorandcapacitorelementssuchasusinggrinding,polishing,oxidation,diffusion,photolithography,epitaxygrowthandevaporationprocesstechnologymakeaplaneonasmallpieceofglassorceramicdetermined,substrate,andacertaingaptechnologysothatallthecomponentsinelectricalisolationoneachother.Andtheninthewafersurfaceevaporationaluminumlayerandphotolithographytechnologyetchingintointerconnectiongraphicstocomponentinterconnection,accordingtotheneedtoformacompletecircuit,semiconductormonolithicintegratedcircuitismade.Keywordsintegratedcircuit;Thetransistor;Photolithographytechnology集成電路就是通過一系列特定的加工工藝，將晶體管等有源器件以及電阻電容等無源器件，按照一定的電路互連的關(guān)系，“集成”在一塊半導(dǎo)體品片上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定的電路或系統(tǒng)功能。自1947年世界第一只晶體管的發(fā)明以及1958年世界第一塊集成電路的誕生以來，集成電路技術(shù)迅猛發(fā)展，推動人類社會快速步入信息時代。隨著電子行業(yè)對半導(dǎo)體器件性能不斷提高的要求（小型化、微型化、集成化、以及高頻特性、功率特性、放大特性的提高），集成電路制造工藝技術(shù)必需得到極速發(fā)展。集成電路制造工藝原理的內(nèi)容就是伴隨著半導(dǎo)體器件制造工藝技術(shù)的發(fā)展而不斷充實的。綜觀其發(fā)展歷程，由四十年代末的合金工藝原理到五十年代初的合金擴散工藝原理，又由于硅平面工藝的出現(xiàn)而發(fā)展為硅平面工藝原理、繼而發(fā)展為硅外延平面工藝原理。硅外延平面工藝是集成電路制造的基礎(chǔ)工藝；在制造分離器件和集成電路時，為提高器件和集成電路的可靠性、穩(wěn)定性，引入了若干有實效的保護器件表面的工藝，則加入了表面鈍化工藝原理的內(nèi)容；在制造集成電路時，為實現(xiàn)集成電路中各元器件間的電性隔離，引入了隔離墻的制造，則又加入了隔離工藝原理的內(nèi)容。因此，集成電路工藝原理二硅外延平面工藝原理+表面鈍化工藝原理+隔離工藝原理，而大規(guī)模至甚大規(guī)模集成電路的制造工藝，只不過是在摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)（制版技術(shù)）、電極制造技術(shù)方面進行了技術(shù)改進而已。集成電路制造工藝集成電路的制造工藝十分復(fù)雜，簡單地說，就是在襯底材料（如硅襯底）上，運用各種方法形成不同的“層”，并在選定的區(qū)域摻入雜質(zhì)，以改變半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能，形成半導(dǎo)體器件的過程。這個過程需要通過許多步驟才能完成，從品圓片到集成電路成品大約需要經(jīng)過數(shù)百道工序。通過這復(fù)雜的一道道工序，就能夠在一塊微小的芯片上集成成千上萬個甚至上億個晶體管，這就是集成電路制造工藝。集成電路的制造工藝是由多種單項工藝組合而成的，簡單來說主要的單項工藝通常包括三類：薄膜制備工藝、圖形轉(zhuǎn)移工藝和摻雜工藝。1.襯底半導(dǎo)體材料制備不同的半導(dǎo)體器件對半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單品的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單品的制備和薄膜外延生長。半導(dǎo)體材料所有的半導(dǎo)體材料都需要對原料進行提純，要求的純度在6個“9”以上，最高達11個“9”以上。絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單品都是用熔體生長法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，80%的硅單品、大部分鍺單品和銻化鋼單品是用此法生產(chǎn)的，其中硅單品的最大直徑已達300毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉品法，用此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單品。在坩蝸熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制神化鎵、磷化鎵、磷化鋼等分解壓較大的單品。懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單品。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單品。水平定向結(jié)品法主要用于制備神化鎵單品，而垂直定向結(jié)品法用于制備碲化鎘、神化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。為了消除多晶材料中各小品體之間的品粒間界對半導(dǎo)體材料特性參量的巨大影響，半導(dǎo)體器件的基體材料一般采用單品體。單品制備一般可分大體積單品（即體單品）制備和薄膜單品的制備。體單品的產(chǎn)量高，利用率高，比較經(jīng)濟。但很多的器件結(jié)構(gòu)要求厚度為微米量級的薄層單品。由于制備薄層單品所需的溫度較低，往往可以得到質(zhì)量較好的單品。具體的制備方法有：①從熔體中拉制單品：用與熔體相同材料的小單品體作為籽品，當籽品與熔體接觸并向上提拉時，熔體依靠表面張力也被拉出液面，同時結(jié)品出與籽品具有相同晶體取向的單晶體。②區(qū)域熔煉法制備單品：用一籽品與半導(dǎo)體錠條在頭部熔接，隨著熔區(qū)的移動則結(jié)晶部分即成單品。③從溶液中再結(jié)品。④從汽相中生長單品。前兩種方法用來生長體單品，用提拉法已經(jīng)能制備直徑為200毫米,長度為1?2米的鍺、硅單品體。后兩種方法主要用來生長薄層單品。這種薄層單品的生長一般稱外延生長，薄層材料就生長在另一單晶材料上。這另一單品材料稱為襯底，一方面作為薄層材料的附著體，另一方面即為單晶生長所需的籽品。襯底與外延層可以是同一種材料（同質(zhì)外延），也可以是不同材料（異質(zhì)外延）。采用從溶液中再結(jié)品原理的外延生長方法稱液相外延；采用從汽相中生長單晶原理的稱汽相外延。液相外延就是將所需的外延層材料（作為溶質(zhì)，例如GaAs），溶于某一溶劑（例如液態(tài)鎵）成飽和溶液，然后將襯底浸入此溶液，逐漸降低其溫度，溶質(zhì)從過飽和溶液中不斷析出，在襯底表面結(jié)品出單品薄層。汽相外延生長可以用包含所需材料為組分的某些化合物氣體或蒸汽通過分解或還原等化學反應(yīng)淀積于襯底上，也可以用所需材料為源材料，然后通過真空蒸發(fā)、濺射等物理過程使源材料變?yōu)闅鈶B(tài)，再在襯底上凝聚。分子束外延是一種經(jīng)過改進的真空蒸發(fā)工藝。利用這種方法可以精確控制射向襯底的蒸氣速率，能獲得厚度只有幾個原子厚的超薄單品，并可得到不同材料不同厚度的互相交疊的多層外延材料。非晶態(tài)半導(dǎo)體雖然沒有單品制備的問題，但制備工藝與上述方法相似，一般常用的方法是從汽相中生長薄膜非品材料——硅。2.薄膜制備工藝薄膜制備工藝包括氧化工藝和薄膜淀積工藝。該工藝通過生長或淀積的方法，生成集成電路制造過程中所需的各種材料的薄膜，如金屬層、絕緣層等。集成電路的制造過程中需要在品圓片的表面上生長數(shù)層材質(zhì)不同、厚度不同的膜層，其中有導(dǎo)電膜層以及絕緣膜層，這些膜層的制備對于集成電路的制造非常重要。制作膜層的方法有很多，不同作用、不同位置的薄膜制作方法不同。常用的方法有氧化、化學氣相淀積以及物理氣相淀積。在單品襯底上生長單品薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學氣相外延，其次是液相外延。金屬有機化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超品格等微結(jié)構(gòu)。非品、微品、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學氣相沉積、磁控濺射等方法制成?；瘜W氣相沉積是用氣態(tài)反應(yīng)原料在固態(tài)基體表面反應(yīng)并淀積成固體薄層或薄膜的工藝過程，類似于汽相外延工藝。該方法是指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學反應(yīng)生成薄膜的過程。在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采用化學氣相沉積方法制備?；瘜W氣相淀積特點：淀積溫度低，薄膜成份易控，膜厚與淀積時間成正比，均勻性，重復(fù)性好，臺階覆蓋性優(yōu)良。目前，在芯片制造過程中，大部分所需的薄膜材料，不論是導(dǎo)體、半導(dǎo)體，或是介電材料，都可以用化學氣相淀積來制備，如二氧化硅膜、氮化硅膜、多晶硅膜等。它具有淀積溫度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度與淀積時間成正比，均勻性與重復(fù)性好，臺階覆蓋好，操作方便等優(yōu)點。其中淀積溫度低和臺階覆蓋好對超大規(guī)模集成電路的制造十分有利。因此是目前集成電路生產(chǎn)過程中最重要的薄膜淀積方法。常用的有常壓化學氣相淀積、低壓化學氣相淀積以及等離子體增強化學氣相淀積等。3.圖形轉(zhuǎn)移工藝圖形轉(zhuǎn)移工藝包括光刻工藝和刻蝕工藝。從物理上說，集成電路是由許許多多的半導(dǎo)體元器件組合而成的，對應(yīng)在硅品圓片上就是半導(dǎo)體、導(dǎo)體以及各種不同層上的隔離材料的集合。集成電路制造工藝首先將這些結(jié)構(gòu)以圖形的形式制作在光刻掩膜版上，然后通過圖形轉(zhuǎn)換工藝就能最終轉(zhuǎn)移到硅品圓片上。不管是氧化、淀積還是擴散、離子注入，這些單項工藝本身對硅品圓片各個不同的位置沒有任何選擇性，它們都是對整個硅品圓片進行處理，不涉及任何圖形。集成電路是由成千上萬個甚至上億個晶體管等元器件集成的，而這些元器件也許類型、結(jié)構(gòu)、尺寸都不同。ic制造的精髓是能夠?qū)C設(shè)計者的要求轉(zhuǎn)移到硅品圓片上，因此在集成電路制造流程中，有一個關(guān)鍵問題必須要解決，那就是如何在一片硅品圓片上定義、區(qū)分和制造出不同類型、不同結(jié)構(gòu)以及不同尺寸的元器件？又如何把這些數(shù)以億計的元器件集成在一起獲得預(yù)期的電路功能？答案只有一個，那就是集成電路制造需要圖形轉(zhuǎn)移工藝，它主要包括兩部分，即光刻工藝與刻蝕工藝。3.1光刻工藝光刻技術(shù)是指集成電路制造中利用光學-化學反應(yīng)原理和化學、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單品表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)傳遞圖形的尺寸限度縮小了2?3個數(shù)量級（從毫米級到亞微米級），已從常規(guī)光學技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用電子束、X射線、微離子束、激光等新技術(shù)；使用波長已從4000埃擴展到0.1埃數(shù)量級范圍。光刻技術(shù)成為一種精密的微細加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000?4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片（主要指硅片）或介質(zhì)層上的一種工藝。3.2刻蝕工藝刻蝕工藝就是用化學的、物理的或同時使用化學和物理的方法，有選擇地把沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜層除去，從而在薄膜上得到和抗蝕劑膜上完全一致的圖形的工藝。在集成電路制造過程中，經(jīng)過掩模套準、曝光和顯影，在抗蝕劑膜上復(fù)印出所需的圖形，或者用電子束直接描繪在抗蝕劑膜上產(chǎn)生圖形，然后把此圖形精確地轉(zhuǎn)移到抗蝕劑下面的介質(zhì)薄膜（如氧化硅、氮化硅、多晶硅）或金屬薄膜（如鋁及其合金）上去，制造出所需的薄層圖案。它包括濕法刻蝕和十法刻蝕兩個主要方面。理想的刻蝕工藝必須具有以下特點：①各向異性刻蝕，即只有垂直刻蝕，沒有橫向鉆蝕。這樣才能保證精確地在被刻蝕的薄膜上復(fù)制出與抗蝕劑上完全一致的幾何圖形；②良好的刻蝕選擇性，即對作為掩模的抗蝕劑和處于其下的另一層薄膜或材料的刻蝕速率都比被刻蝕薄膜的刻蝕速率小得多，以保證刻蝕過程中抗蝕劑掩蔽的有效性，不致發(fā)生因為過刻蝕而損壞薄膜下面的其他材料；③加工批量大，控制容易，成本低，對環(huán)境污染少，適用于工業(yè)生產(chǎn)。4.摻雜工藝所謂摻雜工藝就是將可控數(shù)量的所需雜質(zhì)摻入品圓中的特定區(qū)域內(nèi)，從而改變半導(dǎo)體的電學性能。利用摻雜工藝，可以制作PN結(jié)、品體管的源漏區(qū)、電阻、歐姆接觸等，這些是制造大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)。摻雜工藝包括擴散工藝和離子注入工藝，即通過這些工藝將各種雜質(zhì)按照設(shè)計要求摻雜到品圓片的特定位置上，形成品體管的源漏端以及歐姆接觸（金屬與半導(dǎo)體的接觸）等。通過一定的順序?qū)ι鲜鰡雾椆に囘M行重復(fù)、組合使用，就形成集成電路的完整制造工藝了。擴散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要工藝。兩者都被用來制作分立器件與集成電路，互補不足，相得益彰。擴散是較早時期采用的摻雜工藝，并沿用全今，而離子注入是20世紀60年代發(fā)展起來的一種在很多方面都優(yōu)于擴散的摻雜工藝。離子注入工藝大大推動了集成電路的發(fā)展，使集成電路的生產(chǎn)進入超大規(guī)模時代，是應(yīng)用最廣泛的主流摻雜工藝。4.1擴散工藝擴散工藝是利用固態(tài)擴散原理將雜質(zhì)元素按要求的深度摻入半導(dǎo)體表面或體內(nèi)指定區(qū)域的工藝。在硅集成電路工藝中，主要是摻化學元素III族和V族雜質(zhì)。摻入111族元素形成P區(qū)；摻入V族元素形成N區(qū)。集成電路的襯底通常是硅片。常溫下雜質(zhì)在硅內(nèi)擴散很慢，盡管多數(shù)集成電路要求的雜質(zhì)擴散只有零點幾到1微米或2微米的深度，但對多數(shù)雜質(zhì)（如硅中的III族、V族元素）來說，擴散溫度仍然要在1000上下或者更高，摻雜過程才能在較短時間內(nèi)完成。因此，制造集成電路的擴散工藝，就是在一個系統(tǒng)內(nèi)把硅片和雜質(zhì)源以一定的溫度加熱一定的時間，以達到所需的摻雜濃度和深度。對雜質(zhì)擴散工藝的要求是:準確控制濃度和深度;在整個半導(dǎo)體片內(nèi)擴散均勻；片間和批次間有均一性。4.2離子注入工藝離子注入工藝是將加速到一定高能量的離子束注入固體材料表面層內(nèi)，以改變表面層物理和化學性質(zhì)的工藝。在半導(dǎo)體中注入相應(yīng)的雜質(zhì)原子（如在硅中注入硼、磷或砷等），可改變其表面電導(dǎo)率或形成PN結(jié)。離子注入需要有適用的離子注入設(shè)備。離子注入導(dǎo)致晶體的晶格破壞，造成損傷，必須經(jīng)過加溫退火才能恢復(fù)晶格的完整性。同時，為了使注入雜質(zhì)起到所需的施主或受主作用，也必須有一個加溫的激活過程。這兩種作用結(jié)合在一起，稱為離子注入退火。這種退火有兩種方式。①高溫（約900）熱退火為常用的方式。在集成電路工藝中，這種退火往往與注入后的其他高溫工藝一并完成。這些高溫工藝會引起雜質(zhì)的再一