文档介绍：微电子工艺学 Microelectronic Processing 第六章光刻与刻蚀工艺
张道礼教授
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图形转移
光刻
刻蚀
薄膜制备
掺杂
扩散掺杂
离子注入掺杂
物理气相淀积
化学气相淀积
外延
微电子单项工艺
概述
基本工艺步骤:平面工艺技术已广泛应用于现今的集成电路(IC)工艺。显示平面工艺的几个主要步骤包含氧化(oxidation)、光刻(1ithography)、离子注入(ion implant)和金属化(metallization)。
概述
氧化:高品质SiO2的成功开发,是推动硅(Si)集成电路成为商用产品主流的一大动力。一般说来, SiO2可作为许多器件结构的绝缘体,或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。如在p-n结的制造过程中, SiO2薄膜可用来定义结的区域。
图(a)显示一无覆盖层的硅晶片,正准备进行氧化步骤。在氧化步骤结束后,一层SiO2就会均匀地形成在晶片表面。为简化讨论,图(b)只显示被氧化晶片的上表层。
概述
光刻技术被用来界定p-n结的几何形状。在形成SiO2之后。利用高速旋转机,将晶片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料,称为光刻胶(photo-resist)。将晶片从旋转机拿下之后[图(c)],在80C~100C之间烘烤。以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶,加强光刻胶与晶片的附着力。如图(d)所示,下一个步骤使用UV光源,通过一有图案的掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶覆盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的型态进行化学反应。而被暴露在光线中的光刻胶会进行聚合反应,且在刻蚀剂中不易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂(developer)后仍然存在,而未被曝光区域(在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去。
概述
在扩散方法中,没有被SiO2保护的半导体表面暴露在相反型态的高浓度杂质中。杂质利用固态扩散的方式,进入半导体晶格。在离子注入时,将欲掺杂的杂质离子加速到一高能级,然后注入半导体内。 SiO2可作为阻挡杂质扩散或离子注入的阻挡层。在扩散或离子注入步骤之后,p-n结已经形成,如图(d)所示。由于被注入的离子横向扩散或横向散开(lateral straggle,又译横向游走)的关系,P型区域会比所开的窗户稍微宽些。
概述
在扩散或离子注入步骤之后,欧姆接触和连线在接着的金属化步骤完成[图(e)]。金属薄膜可以用物理气相淀积和化学气相淀积来形成。光刻步骤再度用来定义正面接触点,如图(f)所示。一相似的金属化步骤可用来定义背面接触点,而不用光刻工艺。一般而言,低温(≤500。C)的退火步骤用来促进金属层和半导体之间的低电阻接触点。随着金属化的完成,p-n结已经可以工作了。
概述
图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础,其作用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现,我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程,包括光刻和刻蚀两个步骤。
光刻(lithography,又译图形曝光):使用带有某一层设计几何图形的掩模版(mask),通过光化学反应,经过曝光和显影,使光敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻,resist,简称光刻胶)的一种工艺步骤。
这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域,如离子注入、接触窗(contact window)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所形成的光刻胶图案,并不是电路器件的最终部分,而只是电路图形的印模。
概述
在集成电路制造中,主要的光刻设备是利用紫外光(≈~m)的光学仪器。
刻蚀:在光刻胶掩蔽下,根据需要形成微图形的膜层不同,采用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。
这样,去掉光刻胶以后,三维设计图形就转移到了衬底的相关膜层上。图形转移工艺是如此重要,以至一种微电子工艺技术的水平通常以光刻和刻蚀的图形线宽(特征尺寸)表示。
概述