集成电路基本工艺

摘要：当今社会已进入信息技术时代，集成电路已经被广泛应用于各个领域，典型的集成电路制造过程可表示如下：

在此，我们重点是讨论集成电路芯片加工过程中的一些关键手艺。

集成电路基本工艺包括基片外延生长、掩模制造、曝光技术、刻蚀、氧化、扩散、离子注入、多晶硅淀积、金属层形成。

关键词：外延、掩膜、光刻、刻蚀、氧化、扩散、离子注入、淀积、金属层

集成电路芯片加工工艺，虽然在进行IC设计时不需要直接参与集成电路的工艺流程，了解工艺的每一个细节，但了解IC制造工艺的基本原理和过程，对IC设计是大有帮助的。

集成电路基本工艺包括基片外延生长掩模制造、曝光技术、刻蚀、氧化、扩散、离子注入、多晶硅淀积、金属层形成。

下面我们分别对这些关键工艺做一些简单的介绍。

一、外延工艺

外延工艺是60年代初发展起来的一种非常重要的技术，尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上，但是未经过外延生长的基片通常不具有制作期间和电路所需的性能。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而具有不同性能的晶体层。常用的外延技术主要包括气相、液相金属有机物气相和分子束外延等。其中，气相外延层是利用硅的气态化合物或液态化合物的蒸汽在衬底表面进行化学反应生成单晶硅，即CUD单晶硅；液相外延则是由液相直接在衬底表面生长外延层的方法；金属有机物气相外延则是针对Ⅲ∕Ⅴ族材料，将所需要生长的Ⅲ∕Ⅴ族元素的源材料以气体混合物的形式进入反应器中加热的生长区，在那里进行热分解与沉淀反映，而分子束外延则是在超高真空条件下，由一种或几种原子或分子束蒸发到衬底表面形成外延层的方法。

二、掩模板的制造

掩模板可分成整版及单片版两种，整版按统一的放大率印制，因此称为1×掩模，在一次曝光中，对应着一个芯片陈列的所有电路的图形都被映射到基片的光刻胶上。单片版通常八九、实际电路放大5或10倍，故称作5×或10×掩模，其图案仅对应着基片上芯片陈列中的单元。

早期掩模制作的方法：①首先进行初缩，把版图分层画在纸上，用照相机拍照，而后缩小为原来的10%~%20的精细底片；②将初缩版装入步进重复照相机，进一步缩小，一步一幅印到铬片上，形成一个阵列。

制作掩模常用的方法还包括：图案发生器方法、x射线制版、电子束扫描法。

其中x射线、电子束扫描都可以用来制作分辨率较高的掩模版。

三、光刻技术

光刻是集成电路工艺中的一种重要加工技术，在光刻过程中用到的主要材料为光刻胶。光刻胶又称为光致抗蚀剂，有正胶、负胶之分。其中，正胶曝光前不溶而曝光后可溶，负胶曝光前可溶而曝光后不可溶。

光刻的步骤：①晶圆涂光刻胶；②曝光；③显影；④烘干

常见的光刻方法：①接触式光刻；②接近式光刻；③投影式光刻

其中，接触式光刻可得到比较高的分辨率，但容易损伤掩模版和光刻胶膜；接近式光刻，则大大减少了对掩模版的损伤，但分辨率降低；投影式光刻，减少掩模版的磨损也有效提高光刻的分辨率。

四、刻蚀技术

经过光刻后在光刻胶上得到的图形并不是器件的最终组成部分，光刻只是在光刻胶上形成临时图形，为了得到集成电路真正需要的图形，必须将光刻胶上的图形转移到硅胶上，完成这种图形转换的方法之一就是将未被光刻胶掩蔽的部分通过选择性腐蚀去掉。

常用的刻蚀方法有：湿法腐蚀、干法腐蚀。

湿法腐蚀：首先要用适当的溶液浸润刻蚀面，溶液中包含有可以分解表面薄层的反应物，其主要优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低。存在的问题有钻蚀严重、对图形的控制性较差、被分解的材料在反应区不能有效清除。

干法刻蚀：使用等离子体对薄膜线条进行刻蚀的一种新技术，按反应机理可分为等离子刻蚀、反应离子刻蚀、磁增强反应例子刻蚀和高密度等离子刻蚀等类型，是大规模和超大规模集成电路工艺中不可缺少的工艺设备。干法刻蚀具有良好的方向性。

五、氧化

在集成电路工艺中常用的制备氧化层的方法有：①干氧氧化；②水蒸气氧化；③湿氧氧化。

干氧氧化：高温下氧与硅反应生成sio2的氧化方法；

水蒸气氧化：高温下水蒸气与硅发生反应的氧化方法；

湿氧氧化：氧化首先通过盛有95%c左右去离子睡的石英瓶，将水汽带入氧化炉内，再在高温下与硅反映的氧化方法。

影响硅表面氧化速率的三个关键因素：温度、氧化剂的有效性、硅层的表面势。

六、扩散与离子注入

扩散工艺通常包括两个步骤：即在恒定表面浓度条件下的预淀积和在杂志总量不变的情况下的再分布。预淀积只是将一定数量的杂质引入硅晶片表面，而最终的结深和杂质分布则由再分布过程决定。

常见的扩散方法主要有固态源扩散和气态源扩散等。

离子注入是将具有很高能量的带点杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，它的掺杂深度由注入杂质离子的能量、杂质离子的质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的剂量决定。高能离子射入靶后，不断与衬底中的原子以及核外电子碰撞，能量逐步损失，最后停止下来。

离子注入法于20世纪50年代开始研究，20世纪70年代进入工业应用阶段。随着VLSI超精细加工技术的发展，现已成为各种半导体掺杂和注入隔离的主流技术。在离子注入后，由于会在衬底中形成损伤，而且大部分注入的离子又不是以替位的形式位于晶格上，为了激活注入到衬底中的杂质离子，并消除半导体衬底中的损伤，需要对离子注入后的硅片进行退火。

退火，也叫热处理，作用是消除材料中的应力或改变材料中的组织结构，以达到改善机械强度或硬度的目的。

七、淀积

器件的制造需要各种材料的淀积，这些材料包括多晶硅、隔离互连层的绝缘材料和作为互连的金属层。

在厚绝缘层上生长多晶硅的一个常用方法是“化学气相淀积”（CVD），这种方法是将晶片放到一个充满某种气体的扩散炉中，通过气体的化学反应生成所需要的材料。

以上简单介绍了集成电路的基本工艺，当然，这些只是关键的几个工艺，集成电路的工艺还有很多，在这里就不一一说明了。

参考文献：

[1] 李冰，集成电路CAD与实践，电子工业出版社

[2] 王志功、陈莹梅，集成电路设计（第二版），电子工业出版社

[3] 张兴、黄如、刘晓彦，微电子学概论（第二版），北京大学出版社

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文