半导体制造

2.1 硅制造

1. 可以采用将硅石（石英矿：几乎完全由二氧化硅构成）和碳在电炉中加热的方法人工制造硅单质；

2. 碳和硅石中的氧结合，留下较纯净的熔融硅，冷却后，形成大量细小的晶粒并结合在一起生长成细密的灰色固体--（多晶）

3. 冶金级多晶硅不适于半导体制造--纯净度低和晶体结构的无序性；

4. 冶金级硅可以提纯成非常纯净的半导体级多晶硅（粗硅-->三氯硅烷-->反复蒸馏，借助氢气，还原成硅单质（多晶））

5. 实际集成电路只能采用单晶材料制作；

2.1.1 晶体生长

Czochralski工艺：生长半导体级硅晶体

1. 石英干锅（装有半导体级多晶硅块），加热；

2. 温度升高使所有的硅熔化；

3. 微降温度，将一块小籽晶伸入；

4. 硅原子层淀积在籽晶上，将籽晶的杆缓慢上升，下半部仍与熔融硅接触，缓慢拉动杆且旋转，确保均匀生长；

5. 最后，形成了圆柱棒状的硅晶体（硅锭）；

硅锭通常被分割为许多很薄的圆形部分，称为晶圆，晶圆越大，能够得到的集成电路越多；

【150mm (6 in )    200mm(8 in )     300mm (12 in）的晶圆 ---inch:英寸】

2.1.2 晶圆制造

1. 硅锭切除两个锥形头（掐头去尾），剩下一个圆柱体；

2. 硅锭一侧磨出一个条状平面，则切割下来的每个晶圆都保留一个平边（flat）--判定晶向；
   

3. 打磨平面后，将硅锭切割成独立的晶圆，因之前锯的过程中产生划痕和麻点，所以需要抛光（机械和化学磨光工艺）

4. 得到镜面亮度的表面呈现出暗灰色和 特有的近于金属的硅光泽；

2.1.3 硅的晶体结构

1. 晶体会沿着解理面分开，因为这一处的原子间力最弱；

  如：金刚石晶体在金属楔（xie）状物的击打下会裂开，若方向合适，则会裂为两块，是完美的断开平面；否则将会粉碎

（解理面为晶体内容结构上连接力弱的方向，受力打击后可持续出现互相平行的平面。）

2. 平行于晶胞任一表面的切割会暴露出相似的表面；

3. 平行于立方体表面的平面称为（100）面，通过晶胞对角线并与其3个定点相交的平面称为（111）面；

4. 硅晶圆都是沿着（100）面或者（111）面切割（其他方式不具有商业价值）；

2.2 光刻技术

2.2.1 光刻胶

1.图像可以被转移到光刻胶（光敏乳胶剂）上，显影剂用于制作所需要的掩膜图形；

2.光刻胶溶液通常是甩到晶圆上的

3.①晶圆被安放在转速较高的转盘上，将少量光刻胶溶液滴在旋转中心；

   ②离心力的作用下会使液体分散到硅片表面，即形成均匀的薄膜，多余的液体会飞出晶圆的边缘；

   ③几秒后，薄膜减至最终厚度，溶剂挥发，光刻胶留在晶圆上；

   ④烘烤，去除最后的残留溶剂，同时，使光刻胶变硬便于后续处理

4.大多数光刻间都有特殊的黄光照明系统

 （涂胶的晶圆对一定波长的光（紫外光）非常敏感，对红光、橙光、黄光）相对不太敏感；

5.两种类型的光刻胶（通过曝光时的化学反应区分）

   ①负胶在紫外光下聚合，未曝光的负胶在特定的溶剂可溶，聚合的光刻胶不可溶，溶液冲洗晶圆时，未曝光的区域溶解，曝光的区域保留图层；

   ②正胶在紫光光下发生化学分解，在显影液中通常不可溶，正胶的曝光部分发生化学变性，可溶，溶剂冲洗晶圆时曝光区域被冲洗掉而为曝光区域仍保留图层。

  （负胶在显影过程中有膨胀的趋势，所以工艺更倾向于使用正胶。）

2.2.2 光掩膜和掩膜版

1. 曝光过程简化：
   

     ①透镜系统对一束强烈的紫外光进行校准，光掩膜挡住产生的光束的通路，紫外光穿过光掩模的透明部分，并通过在晶圆上聚焦产生图像的透镜;

    

2.  定位器：保证掩膜的图像和晶圆上已经存在的图形完全对准；

3.  光掩模衬底的透明平板（多数由熔凝硅石）尺寸需要固定，保证投射图形与前期掩膜的投射图形对齐；

4.  光掩模上的图像尺寸通常为投射到晶圆图像的5~10倍，光掩模也被称为掩膜版；

5. .掩膜版（reticle）可直接用于光刻晶圆，因机械，精度受限，大多数定位器可以接受与晶圆尺寸相近的光掩模；

6. .实际的5X或10X掩膜版被做成仅曝光最终晶圆版图的一小部分区域；

7.  掩膜版必须步进扫过晶圆，在许多不同的位置进行曝光以在整个晶圆上复制版图，此工艺被称为：步进；

8. 晶圆制造过程中习惯上采用特殊的空气过滤技术和保护层，在光刻膜的一面或两面通常装备由薄膜以防止灰尘干扰曝光过程，薄膜由很薄的透明塑料膜放置在环形隔离上，使其略高于掩膜表面。
   

2.2.3 光刻

用显影剂（有机溶剂的混合物）喷射曝光晶圆，

显影剂溶解部门光刻胶继而暴露出晶圆表面，淀积和刻蚀只能影响暴露的区域；

定影：可以用具腐蚀性的溶剂混合物将光刻胶剥除，也可以在氧气氛围中采用反应离子刻蚀对光刻胶进行化学破坏；

常见高温掩膜版材料：二氧化硅和氮化硅;

2.3 氧化物生长和去除

二氧化硅可以通过在氧化气氛中简单加热而在硅晶圆上生长，生产出来的薄膜粗糙不平且能够抵抗大多数普通溶剂，但易溶于氢氟酸溶液；

2.3.1 氧化物生长和淀积

1. 硅晶圆放置在空气中，天然氧化层比较薄，可以在氧化气氛中加热硅晶圆得到较厚氧化层；

①纯净的干燥氧气，得到氧化物薄膜，称为：干氧化物；

2. 晶圆放置在熔凝硅石架中（晶舟），缓慢推入晶舟进入熔凝硅石管（裹有电热架），随着缓慢推入，晶圆向加热区靠近，晶圆温度升高，氧气吹入管内，且覆盖每个晶圆表面。

  高温条件下，氧气分子可以扩散通过氧化层接触到下层的硅，即氧气与硅反应，氧化层变厚，扩散速度随氧化物薄膜增厚而减慢，即生长速率减慢，氧化层达到所需厚度，晶圆缓慢从管中抽出。

  晶向也会影响氧化速率，（111）面硅氧化速率快于（100）面硅；

3. 氧化物-硅界面处有相对较少的缺陷，这些缺陷妨碍器件（如：MOS管）正常工作；

4. 湿氧化物的形成方式与干氧化物相同，但在炉管中注入蒸汽以加速氧化，水分子分解产生的氢原子会造成氧化物质量下降；

5. 湿氧化物通常在没有有源器件的地方生长厚的场氧化层；

6. 淀积氧化物可以做多层导体层间的绝缘层（保护层）；

2.3.2 氧化物去除

1. ①在晶圆表面成长薄养护层②用甩胶的方式将光刻胶涂在晶圆上③用烘箱烘除全部溶剂使光刻胶变硬④向晶圆喷射溶剂溶解曝光的光刻胶区域显露下面的氧化物对晶圆进行显影⑤已光刻的光刻胶对于氧化物刻蚀起掩蔽作用，最终将光刻胶剥除，留下光刻后的养护层

2. 刻蚀氧化物：

  湿法刻蚀：使用可溶解氧化物但不溶解光刻胶或下层硅的液体，更简便；

  干法刻蚀：等离子或化学气体，表现更好的线宽控制能力。

湿法刻蚀：

  （多数）采用稀释过的氢氟酸溶液，容易溶解二氧化硅但不会腐蚀硅或有机光刻胶；

  将晶圆浸入装有氢氟酸溶液的塑料容器中，一定时间，后彻底冲洗晶圆，去除所有的酸；

  湿法刻蚀各向同性，横向纵向腐蚀速率相同；

  光刻胶边缘下方，酸发生作用出现倾斜的侧壁，因为刻蚀需持续足够时间，保证所有开孔刻蚀干净，所以会出现一定程度的过刻蚀；

  晶圆浸在酸中，持续腐蚀侧壁；腐蚀程度与刻蚀条件，氧化层厚度等因素有关；

  湿法刻蚀不能提供现代半导体工艺所要求的严格的线宽控制；

干法刻蚀：①反应离子刻蚀（RIE）②等离子刻蚀③化学气相刻蚀；

  ①

  在反应离子刻蚀器中，通过低压混合气体的放电产生高能分子，称为反应离子；

  设备将离子高速向下投射到晶圆上，即纵向刻蚀速率远高于横向刻蚀速率；

  反应离子刻蚀的各向异性特性可形成接近垂直的侧壁；

  RIE系统采用的刻蚀气体主要是类似于三氯乙烯的化合物（或掺入惰性气体：氩）；

  混合气体中生成的反应离子首先刻蚀二氧化硅；

2.3.3 氧化物生长和去除的其他效应

  典型工艺中，晶圆被反复氧化和刻蚀形成连续的掩膜层，多重掩蔽氧化层使硅表面变得高度不平整；

  平整的硅表面氧化，光刻并刻蚀形成一连串的氧化物开孔，后进行热氧化；

  先前去除氧化物后形成开孔的位置首先快速氧化，覆盖氧化层的表面氧化速度缓慢；

  硅表面被侵蚀掉约45%的氧化层厚度，即原先氧化开孔下面的硅会比周围的硅表面下降更深；

  氧化物厚度和硅表面深度不同造成典型的表面不连续，被称为“氧化台阶”。

2.3.4 硅的局部氧化（LOCOS）

   硅局部氧化允许厚氧化层的选择性生长，生长一种保护硅表面免收随后工艺引发的机械压力影响的衬垫氧化层，后在衬垫氧化物上淀积一层氮化物薄膜；光刻氮化层暴露要选择氧化区域，氧化结束后，剥除氮化层露出光刻的氧化层。

CMOS BiCMOS 工艺采用LOCOS 在晶圆的电有源区生长厚场氧化层；

无覆盖场氧化层的区域称为沟槽区，沟区生长一层非常薄的、高质量的栅氧化物，形成MOS晶体管的栅介质；

2.4 扩散和离子注入

通过平面工艺在晶圆上制作分立晶体管

切割均匀掺杂的硅晶体以形成独立的晶圆；

光刻并刻蚀在晶圆表面生长的氧化薄膜；

涂在已光刻晶圆上的杂质源仅接触到已经移除氧化层的区域；

将晶圆在熔炉中加热使掺杂剂渗入硅中，形成浅的反型掺杂区

2.4.1 扩散

  扩散区：在800℃~1250℃的温度下，杂质原子通过热扩散以合理的扩散速率在硅晶格中移动，一旦被推进到结深位置，晶圆冷却，杂质原子固定在晶格位置。

  形成扩散区：①初始淀积（预淀积）②后推进（再分布）

  ①加热晶圆（与外部杂质原子源接触的，杂质原子从源中扩散到晶圆表面，形成浅的重掺杂区域）

  ②移除杂质源，晶圆在更高温度下加热很长时间（引入的杂质会被向下推进形成深但浓度低的扩散区）

  硅工艺广泛杂质：硼（受主）、磷（施主）、砷（施主）、锑（施主）；

  磷扩散的简易过程：

  熔凝硅石管穿过一个能够使管中部形成稳定加热的电炉；

  晶圆载入晶舟，利用机械装置，缓慢将晶圆推入炉中；

  通过装有液态三滤氧化磷的烧瓶向炉中吹入氧气，即少量POCL3蒸发并被气流携载至晶圆上；

  磷原子扩散进入氧化层薄膜，形成预淀积的掺杂氧化膜；

  加热足够时间，杂质淀积充足，将晶圆从炉中移出，剥除掺杂氧化物（去釉）；

  将晶圆重新置入新炉，加热以向下推磷形成的扩散区；

  2.4.2 扩散的其他效应

  扩散区不具有恒定的掺杂分布，高温工艺步骤将淀积后的杂质继续向内推进