半导体工艺流程 总文档(1-10) - 图文

第一章 概述

从20世纪后半叶开始电子技术的发展速度是令人膛目结舌的，许多传统由

机械技术支持的产品逐步改由电子技术来支持，例如数字CD播放机取代了磁带播放机，汽车发动机也由电子点火系统控制，电子计算机已深入到社会的各方面。所有这些电子产品都离不开半导体器件，目前微电子技术已进入甚大规模集成电路和系统集成时代，微电子技术已经成了整个信息时代的标志和基础。

1.1 半导体产业的发展

半导体制造技术很复杂,要求许多特殊工艺步骤、材料、设备以及供应产业。半导体产业发展的基础是真空管电子学、无线电通信、固体物理等理论。放大电子信号的三极真空管是由Lee De Forest于1906年发明的，三极管由三个部件构成，在一个抽空气体的玻璃容器中分别封入两个电极和一个栅极。为了使部件不被烧毁，同时还要保证电子能够在电极间传输，必须采用真空。 真空管被用于开发第一台电子计算机(ENIAC)，ENIAC重达50吨、占地3000平方英尺、需要19000只真空管，并且使用相当于160个灯塔的电量.ENIAC除了体积大之外，它的主要缺点是伴随着真空管出现的问题。真空管体积大、不可靠以及耗电量大。由于会烧毁，真空管寿命有限。为了迎合迅速发展的电子市场的需求来生产体积小、可靠的电子产品，真空管显然不是优选技术。1947年贝尔实验室的威廉2肖克利(William Shockley)\\约翰2巴丁(John Bardeen)\\和沃尔特2布拉顿(Walter Brattain)发明了固态晶体管。晶体管的名字取自“跨导”和“变阻器”两词，提供了与真空管同样的电功能，但具有固态的显著优点：尺寸小、无真空、可靠、重量轻、最小的发热及低功耗。这一发现发动了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业。

1.2 集成电路制造

由半导体材料生产的半导体器件我们叫做芯片，仅具有单一功能的半导体器件称为分离元件。在半导体产业向前迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个半导体材料衬底上，就是集成电路。我们可大致以集成在一块芯片上的元件数划分集成时代(见表1.1)。电路集成的一个重要挑战是半导体制造工艺的能力，在可接受的成本条件下改善加工技术，以生产高集成度的甚大规模集成电路芯片。可以在一片半导体材料圆片上同时制作几十甚至几百个特定的芯片，以硅片为例，硅片的直径多年来一直在增大，从最初的1英寸到现在常用的8英寸，正在进行向12英寸的转变。如果在一片硅片上有更多的芯片，制造集成电路的成本会大幅度降低。

半导体器件的制作仅发生在接近硅片表面的几微米，在工艺加工过程中，硅片厚度提供硅片足够的强度。一旦器件在硅片上制作完毕，硅片上的金属线路层将作为器件和芯片外边的各种电信号之间的连接。

集成电路的制造步骤涉及五个制造阶段:

● 硅片制备: 在第一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特殊工艺产生适当直径的硅锭，然后将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片。

● 芯片制造: 裸露的硅片经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。 ● 硅片测试/拣选: 每个芯片要进行探测和电学测试，拣选出可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷的芯片做标记。

● 装配与封装: 将制作好集成电路的硅片分割成单个芯片，好的芯片被压焊后密封在塑料或陶瓷壳内。

● 终测: 为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数要求。 芯片技术的发展有三个主要趋势:

1．提高芯片性能 判断芯片性能的一种通用方法是速度。器件做的越小，在芯片上放置得越紧密，芯片的速度就会提高。还有使用材料，通过芯片表面的电路和器件来提高电信号的传输。芯片性能的另一重要方面是在器件工作过程中的功耗。

摩尔定律 1964年,戈登2摩尔,半导体产业先驱者和英特尔公司的创始人,预言在一块芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一翻,后来在1975年被修正为预计每18个月翻一翻。(图1.1)

2．提高芯片可靠性 主要提高芯片寿命

3. 降低芯片成本 减小特征尺寸\\增加硅片直径

1.3 可选择的半导体材料

根据流经材料电流的不同可分为三类材料: 导体；绝缘体；半导体。导体是电子容易以电流方式流过的材料,绝缘体是对电流通过具有很高阻值的材料,半导体这种材料很特殊,因为它既能充当导体也能充当绝缘体。半导体材料具有

较小的禁带宽度,其值介于绝缘体和导体之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。这种行为在半导体被加热时发生,因而其导电性随温度增加而提高(对导体而言则正相反)。广泛用于半导体产业的各族元素特性概括于表1.2。

1.4 在半导体制造业中的职业

半导体制造业中的职业途径分成三个主要方面:技师、工程师和管理人员。 硅片制造技师: 负责操作硅片制造设备,从事一些设备维护以其工艺和设备的基本故障查询。

设备技师: 负责查询故障并维护先进设备系统,以保证在硅片制造过程中设备能正确运行。

设备工程师: 专门从事确定设备设计参数和优化硅片生产的设备性能。 工艺技师: 通过查询与工艺相关的问题支持生产设备和工艺工程组。 工艺工程师: 负责分析制造工艺和设备的性能以确定优化参数设置。 现场服务代表: 安装制造设备,进行设备维护、诊断及修理以确保设备有效的生产。

实验室技师: 从事工艺开发的工作,建立新工艺并进行试验。

成品率/失效分析技师: 从事与缺陷分析相关的工作,例如准备待分析的材料并操作分析设备以确定在硅片制造过程中引起问题的根源。

成品率提高工程师: 负责收集并分析成品率及测试数据以提高硅片制造性能。

设施技师: 负责支持设施设备以及硅片制造厂要求的设施,包括化学材料管理和净化间设施。

设施工程师: 负责为硅片制造厂的化学材料、净化空气及常用设备的基础设施提供工程设计支持。

主管/经理: 负责将技术技能和人事管理技能结合在一起以达到公司的组织目标。

第二章 硅和硅片制备

硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因： 1） 硅的丰裕度： 硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%，经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。

2） 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限： 硅1412℃的熔点远高于锗937℃的熔点，使得硅可以承受高温工艺。

3） 更宽的工作温度范围： 用硅制造的半导体元件可以用于比锗更宽的温度范围。

4） 氧化硅的自然生成： 硅表面有自然生长氧化硅(SiO2)的能力。SiO2是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污。

现在，全世界芯片的85%以上都是由硅来制造的。

2.1 半导体级硅

用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-grade silicon）, 或者SGS，有时也被称做电子级硅。从天然硅中获得生产半导体器件所需纯度的SGS要分几步。现介绍一种得到SGS的主要方法：

第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2），一种纯沙，来生产冶金级硅。

SiC（固体）+SiO2（固体）→ Si（液体）+SiO（气体）+CO（气体） 在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98%。由于冶金级硅的沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。

第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。 Si（固体）+3HCl（气体）→ SiHCl3（气体）+H2（气体）+加热

第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。

2SiHCl3（气体）+2H2（气体）→ 2Si（固体）+6HCl（气体） 这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。（图2.1）半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ppm）二的碳元素和少于十亿分之（ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素）。然而用西门子工艺生产的硅没

有按照希望的晶体顺序排列原子，所以也不能用在半导体制造中。

2.2 晶体结构

不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有近乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。

单晶就是一种固体材料，在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构。

非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。非晶硅对半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关，这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。

在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元，它给出了晶体结构。图2.2表示了由晶胞组成的三维结构。因为晶体结构在三维方向上是等同的，晶胞有一个框架结构，像一个立方体。在自然界有7种可能存在的晶体结构。对于硅晶体来说，它的晶胞是面心立方结构，如图2.3。

如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫做多晶材料。如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构，就叫做多晶硅。如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列，那这样的结构就叫单晶。半导体芯片加工需要纯净的单晶硅结构，这是因为晶胞重复的单晶结构能够提供制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性质。

晶胞在晶体中的方向称为晶向。晶向非常重要，因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的。不同晶向的硅片的化学、电学和机械性质都不一样，这会影响工艺条件和最终的器件性能。半导体制造中硅片常用的晶向是<100>、<111>、 <110>。

2.3 单晶硅生长

晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅称为硅锭。在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski 法，也称CZ法。另外还有区熔法。

2.3.1 CZ法

CZ法生长单晶硅把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n 型或p型的固体硅锭。85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。CZ拉单晶炉见图2.4。

坩锅里的硅被拉单晶炉加热，使用电阻加热或射频（RF）加热线圈。电阻加热用于制备大直径的硅锭。当硅被加热时，它变成液体，叫做熔体。一个完美的具有所需要晶向的籽晶硅接触到直拉装置并开始生长新的晶体结构。籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起，它的旋转方向与坩锅的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随着籽晶旋转着从熔体里拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来了。不同的硅锭生长结果依赖于籽晶和坩锅各自的旋转方向及速度。

2.3.2 区熔法

区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。一个籽晶固定

到一端然后放进生长炉中。用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分，因为在熔融的晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间。晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。区熔法示意如图2.5。

区熔法硅片直径要比直拉法小，由于不用坩锅，区熔法生长的硅纯度高且含氧量低。

2.3.3 追求更大直径硅锭的原因

硅锭直径从20世纪50年代初期的不到25mm增加到现在的300mm,硅片直径的历史发展趋势如图解2.6所示。更大直径的硅锭对硅锭生长中正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战。随着制备硅锭复杂度的增加,为什么还要继续增加硅片的直径呢?是因为增加硅片直径给硅片制备带来的成本利润。更大直径硅片有着更大的表面积来做芯片,这样就会在一个硅片上生产更多的芯片。这带来三大好处: 1) 每块芯片的加工和处理时间减少了,导致设备生产效率提高；2) 硅片边缘的芯片少了,转化为更高的生产成品率；3) 由于在同一工艺过程中有更多的芯片,设备的重复利用率提高了。

2.4 硅中的晶体缺陷

为了很好地实现先进IC功能，半导体要求有近乎完美的晶体结构。晶体缺陷就是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断。

缺陷密度：在工艺过程中，由于各种原因在每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。

研究硅晶体缺陷是非常重要的，因为它对半导体的电学特性有破坏作用。这些问题包括二氧化硅介质击穿和漏电流等。随着器件尺寸的缩小以及有源栅区面积的增加，更多的晶体管集成在一块芯片上，缺陷出现在芯片敏感区域的可能性就会增加。这样的缺陷对器件的成品率有负面影响。

晶体缺陷会产生于晶体生长和后面硅锭和硅片的各项工艺中。一些缺陷是因为表面损伤而造成的，例如由于机械操作造成的裂痕的表面缺陷。在硅中主要存在三种普遍的缺陷形式：

1．点缺陷：原子层面的局部缺陷。点缺陷存在于晶格的特定位置。图2.7显示了三种点缺陷。最基本的一种缺陷是空位。这种缺陷当一个原子从其格点位置移动到晶体表面时出现。另一种点缺陷是间隙原子，它存在于晶体结构的空隙中。当一原子离开其格点位置并且产生了一个空位时，就会产生间隙原子-空位对，或叫Frenkel缺陷。

随着器件技术变得越来越复杂，半导体硅中的点缺陷也越来越重要。在晶体生长中影响点缺陷产生的因素是生长速率和晶体熔体界面间的温度梯度。如果晶体冷却速率得到控制，就会有效减少缺陷的产生。半导体制造中的热处理也能导致点缺陷的产生。

另一种点缺陷是由于化学元素杂质引入到格点里所产生的（只要是氧和碳）。在制备过程中杂质的引入可能是有目的的，也可能是无意的。他们能占用原有原子的位置，成为替位杂质，或者在间隙中成为间隙杂质。

2. 位错：错位的晶胞。见图2.8。打个比方，就象整齐排列的一推砖有一层沿一个方向发生了错位。位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意阶段产生。然而发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅片上的机械应力所造成，例如不均匀的受冷或受热以及超过硅片承受范围的应力。一些情况下，位错是由器件制作过程中硅片表面的热氧化所引入的。

3. 层错：晶体结构的缺陷。层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。滑移就是一种层错，它沿着一个或更多的平面发生滑移（见图2.9）。

另一种层错是孪生平面，就是在一个平面上，晶体沿着两个不同的方向生长（见图2.10）。这种孪生平面是因为在生长过程中的热影响或机械振动而产生的。在每一边生长的晶体都可能很完美。无论是滑移还是孪生平面都是半导体制造中不能接受的。

2.5硅片制备

硅是硬而脆的材料，晶体生长后的圆柱形的单晶硅锭要经过一系列的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量测量。硅片制备的基本流程如图2.11所示。

由于芯片设计和制造要求的不断提高，硅片的制备工艺必须能提供符合更严格规范要求的硅片。这些要求包括硅片的几何尺寸（直径、平整度和翘曲度）、表面完美性（粗糙度和光的散射性）和洁净度（颗粒的源）。这些规范会带来诸如自动材料传送中的尺寸控制或者达到IC生产中关键工艺步骤所要求的表面状况等问题。

一． 整型处理 整型处理包括在切片之前对单晶硅锭做的所有准备步骤。

1）去掉两端 两端通常叫籽晶端和非籽晶端。当两端被切掉后，可用四探针来检查电阻以确定整个硅锭达到合适的杂质均匀度。

2）径向研磨 由于在晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确，所以硅锭都要长得稍大一点以进行径向研磨。对半导体制造中流水线的硅片自动传送来讲，精确的直径控制是非常关键的。

3）硅片定位边或定位槽 在硅锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。主定位边标明了晶体结构的晶向，如图2.12所示。还有一个次定位边标明硅片的晶向和导电类型。六吋以下的硅片都是如此定位的。八吋及以上的硅片已采用定位槽，具有定位槽的硅片在硅片背面靠近边缘的区域有激光刻上的关于硅片的信息。如图2.13所示。

二．切片 将整型处理后的硅锭切成一片片的硅片。对200mm及以下硅片来讲，切片是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成的。对300mm的硅片要由线切割机来进行。线切割比内圆切割产生更多的硅片，但内圆切割能产生平整的切面。

三．磨片和倒角 切片完成后，进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行及平坦。在硅片制备过程的许多步骤中，平整度是关键的参数。硅片边缘倒角可使硅片边缘获得平滑的半径周线。在硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错，尤其是在硅片制备的高温过程中。平滑的边缘半径能将这些影响降到最小。 四．刻蚀 硅片整型使硅片表面和边缘损伤及沾污，损伤的深度一般有几微米深，硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性去除表面物质的过程。硅片经过湿法化学刻蚀工艺消除硅片表面损伤和沾污。

五．抛光 制备硅片的最后一步是化学机械平坦化（CMP），也叫抛光。它的目标是高平整度的光滑表面，以满足半导体器件制备的需要。

2.6外延层

在某些情况下，需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶体结构（单晶）的硅表面，还要保持对杂质类型和浓度的控制。这要通过在硅表面淀积一个外延层来达到。在硅外延中，硅基片作为籽晶在硅片上面生长一薄层硅。新的外延层会复制硅片的晶体结构。由于衬底硅片是单晶，外延层也是单晶。而且，外延层可以是n型也可以是p型，这并不依赖于原始硅片的掺杂类型。外延层通常是没有沾污的。

硅外延发展的起因是为了提高双极器件和集成电路的性能。外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外延层。这在优化pn结的击穿电压的同时降低了集电极电阻，在适中的电流强度下提高了器件速度。

2.7硅中杂质

在实际集成电路制造中所需要的绝大多数半导体材料，都人为地掺入一定数量的某种原子(杂质)，以便控制导电类型和导电能力.这种人为掺入杂质的半导体，就是通常所说的杂质半导体,掺入的杂质主要是ⅢA族元素(受主元素)和ⅤA族元

素(施主元素)。这些杂质在硅晶体中一般是替代硅原子而占椐晶格位置，并能在适当的温度下施放电子或空穴，控制和改变晶体的导电能力和导电类型（n型或p型）。

如果在硅中同时存在浅施主和浅受主两种杂质，这时它的导电类型要由杂质浓度高的那种杂质决定，它首先要补偿掉不同类型的杂质，剩余部分才对导电能力有贡献。

杂质在硅中并不能无限制的掺入，在一定的温度和平衡态下，它有一个溶解到硅中的最大浓度，这就是杂质在硅晶体中的溶解度，也称固溶度。固溶度是随着温度而变化的。

2.8 质量测量

一．物理尺寸 为了达到芯片生产中器件制造的要求以及适合硅片制造厂自动传送设备的要求，硅片必须规定物理尺寸。在硅片的制备中，尺寸控制和检查包括许多测量，例如直径、厚度、晶向位置和尺寸、定位边（或定位槽）和硅片形变。 二．平整度 平整度是硅片最主要的参数之一，主要因为光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。硅片平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是通过硅片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平整度，也可以规定为整体平整度。

三．微粗糙度 微粗糙度是实际表面同规定平面的小数值范围的偏差。它测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别，它的单位是纳米。对芯片制造来讲，表面微粗糙度的控制非常重要，这是因为在器件制造中，它对硅片上非常薄的介质层的击穿有着负面影响。

四．氧含量 控制硅锭中的氧含量水平和均匀性是非常重要的，而且随着更大的直径尺寸，难度也越来越大。少量的氧能起到俘获中心的作用，它能束缚硅中的沾污物（主要是金属离子）。然而，硅锭中过量的氧会影响硅的机械和电学特性。目前硅片中的氧含量被控制在24到33ppm。

五．晶体缺陷 为了使前面讨论的各种晶体缺陷减到最少，必须对硅加以控制。目前要求每平方厘米的晶体缺陷少于1000个。

六．颗粒 硅片表面颗粒的数量应该加以控制，使在芯片制造中的成品率损失降到最低。典型的硅片洁净度规范是在200mm的硅片表面每平方厘米少于0.13个颗粒。测量到的颗粒尺寸要大于或等于0.08微米。

七．体电阻率 硅锭的体电阻率依赖于在晶体生长前掺杂到硅熔体中的杂质浓度。理想的要求是在整个体硅中得到均匀的电阻率。实际上由于晶体生长过程中半径方向存在温度梯度，使硅锭沿半径方向的掺杂浓度不同。

第三章 半导体制造中的化学品

半导体制造业使用大量的化学品来制造硅圆片。另外化学品也被用于清洗硅圆片和处理在制造工艺中使用的工具。在硅圆片制造中使用的化学材料被称为工艺用化学品，它们有不同种类的化学形态并且要严格控制纯度。为了理解工艺化学品,我们先复习一下基础化学里面的一些概念。

3.1 物质形态

宇宙中的所有物质都存在三种基本形态：固态、液态或气态。另外还有第

四种形态:等离子体。

固体有其自己固定的形状，不会随着容器的形状而改变。液体随着容器的形状而改变自己的形状。液体会填充容器的相当于液体体积大小的区域，并会形成表面。气体也随着容器的形状而改变自己的形状，但气体会充满整个容器，不会形成表面。气体微粒小且能够自由移动。一些气体像氢气和氧气，是活性气体，很容易与其他气体或元素反应形成稳定的化合物。而另外一些气体像氦气和氩气，是惰性气体。很难形成化合物。由于惰性气体不与其他化学材料反应，所以被广泛用于半导体制造业中。当有高能电离的分子或原子的聚集体存在时就会出现等离子体。这种形态与前三种物质形态有相当大的不同。举例来说，恒星、荧光灯和霓虹灯都是等离子体。将一定的气体曝露在高能电场中，就能诱发等离子态。我们在随后的章节中将会看到等离子体被广泛用于半导体制造业中。

3.2 材料的属性

材料属性有两类，化学属性和物理属性。材料的物理属性是指那些通过物质本身而不需要与其他物质相互作用反映出来的性质。物理属性有：熔点、沸点、电阻率和密度等。材料的化学属性是指那些通过与其他物质相互作用或相互转变而反映出来的性质。化学属性有：可燃性、反应性和腐蚀性。

3.2.1 半导体制造中的化学属性

在制造硅集成电路芯片中有许多不同种类的化学品和化学材料。化学品的一些属性对于理解新的半导体工艺材料的存在有很重要的意义，这些属性有:温度、密度、压强和真空、表面张力、冷凝、热膨胀、蒸气压、应力、升华和凝华。 一．温度 温度是比较一个物质相对于另外一个物质是冷还是热的量度标准，因此它也是物质分子或原子平均动能或热能的量度标准。不同温度的物体之间传递的能量叫热。硅圆片制造中大量需要处理在高温下的情况，比如需要加热来影响化学反应或者对硅单晶结构退火使原子重新排列。

二．密度 物质的密度被定义为它的质量（或重量）除以它的体积。硅的密度是2.3。 三．气体的压强和真空 气体充满容器的体积并且施加相同的压强于容器的器壁上，压强为施加在表面单位面积上的压力。压强是在半导体制造中被广泛使用的属性。如果容器内的气体压强小于14.7psi，则存在真空。真空通过抽出密闭容器中的气体分子来获得低于大气压的压强。在半导体制造中，一些制造工艺在大气压下进行，一些需要很高的压强而另外一些需要在真空环境中进行。

四．表面张力 当一滴液体在一个平面上，液滴存在着一个接触表面积（见图3.1）液滴的表面张力是增加接触表面积所需的能量。随着表面积的增加，液体分子必须打破分子间的引力，从液体内部运动到液体的表面，因此需要能量。表面张力的概念用在半导体制造中来衡量液体均匀涂在硅圆片表面的粘附能力。

五．冷凝和汽化 气体变成液体的过程被称做冷凝，从液体变成气体的相反过程叫汽化。

六．热膨胀 当一个物体被加热时，由于原子的振动加剧，它的体积就会发生膨胀。衡量材料热膨胀大小的参数是热膨胀系数（CTE）。非晶材料的热膨胀是各向同性的，而所有晶体材料，比如单晶硅，热膨胀是各向异性的。 七．蒸气压 蒸气压是在密闭容器中气体分子施加的压力，这时汽化和冷凝的速率处于动态平衡。

八．应力 当一个物体受到外力的作用时就会产生应力。在硅圆片中有多种原因可以导致应力的产生。硅片表面的物理损伤；位错、多余的空隙和杂质产生的应力；外界材料生长都可以产生应力。如果两个热膨胀系数（CTE）相差很大的物体结合在一起，然后加热，由于两种材料以不同的速率膨胀导致它们彼此推拉，因而产生应力。由于CTE不匹配产生的应力会使硅片弯曲。在半导体制造工艺中由于微芯片采用多层不同的CTE材料的平面工艺，所以非常关心这种应力。 九．升华和凝华 固体通过升华过程能够直接变成气体，气体直接变成固体的过程叫凝华。

3.3 工艺用化学品

半导体制造业是与化学密切相关的工艺过程，其中使用了多种超高纯度的工艺用化学品。化学品在半导体制造业中的主要用途有：

● 用湿法化学溶液和超纯净的水清洗或准备硅片表面。 ● 用高能离子对硅片进行掺杂得到p型和n型硅材料。 ● 淀积不同的金属导体层以及导体层之间必要的介质层。 ● 生长薄的二氧化硅层作为MOS器件主要的栅极介质材料。

● 用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择地去除材料并在薄膜上形成所需要的图形。 一． 酸

在半导体制造过程中使用了多种酸。表3.1列出了一些常用的酸及其在硅片加工中的特定用途。

二．

碱

表3.2列出了在半导体制造过程中通常会使用的碱性物质。

三．

溶剂

表3.3列出了硅片厂常用的溶剂。

去离子水是在半导体制造过程中广泛使用的溶剂，在它里面没有任何导电的离子。去离子水的pH值为7，既不是酸性也不是碱性，是中性的。它能够溶解其他物质，包括许多离子化合物和共价化合物。 四．化学品的输送

在半导体工业中使用的化学品有很多是有毒性并且危险的化学品安全、高纯度和不间断地从存储罐中输送到工艺工具是至关重要的。对于液态化学品来说，这种输送过程是通过批量化学材料配送（BCD）系统完成的。

BCD系统是由化学品源（如一个存储罐）、化学品输送模块和管道系统所组成的（见图3.2）。BCD系统的存储罐常常建造在主要生产线的地下，输送模块用来过滤、混合和输送化学品，然后通过管道系统将化学药输送到独立的工艺线。现代的BCD系统是一个集成了计算机和网络化的系统，它能够对化学品的输送进行实时监控。

怎样来存储和输送工艺用化学品取决于这些因素：化学品的兼容性、减少化学品的沾污和安全性。在半导体制造过程中对化学品纯度的要求是超高纯净（UHP），对杂质的控制是要低于十亿分之一（ppb）到万亿分之一（ppt）的范围之内。

并不是所有的化学品都这样来输送的，一些化学品并不适合由BCD系统来输送，它们或者是使用的数量很少或者是在使用前存放的时间长度有限。为了使这些化学品能够在工艺站点存储和使用，将用特别的包装系统便于它们定点输

送。

五．气体

半导体制造过程中大概使用了50余种不同种类的气体。由于不断有新的材料被引入到半导体制造过程中，所以气体的种类和数量是不断发生变化的。气体通常被分成两类：通用气体和特种气体。

所有气体都要求有极高的纯度，通用气体要控制在7个9以上的纯度（99.99999%）, 特种气体则要控制在4个9以上的纯度（99.99%）。气体中的杂质微粒要控制在0.1μm之内，其他需要控制的沾污是氧、水分和痕量杂质，例如金属。许多工艺气体都具有毒性、腐蚀性、活性和自燃（暴露在空气中燃烧）。因此，在硅片厂气体是通过气体配送系统（BGD）以安全、清洁和精确的方式输送到不同工艺站点的。见图3.3。

表3.4和表3.5分别列出了在半导体制造过程中用到的一些通用气体和特种气体以及它们的用途。

第四章 IC制造中的沾污控制

一个硅片表面具有多个芯片，每个芯片有差不多数以百万计的器件和互连线路，它们对沾污都非常敏感。为使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的沾污是绝对必要的。

为了控制制造过程中不能接受的沾污，半导体产业开发了净化间。净化间本质上是一个净化过的空间，它以超净空气把芯片制造与外界的沾污环境隔离开来，包括化学品、人员和常规的工作环境。

4.1 沾污的类型

沾污是指半导体制造过程中引入半导体硅片的任何危害芯片成品率及电学性能的不希望有的物质。沾污经常导致有缺陷的芯片，致命缺陷是导致硅片上的芯片无法通过电学测试的原因。据估计80%的芯片电学失效是由沾污带来的缺陷引起的。

净化间沾污分为五类：颗粒、金属杂质、有机物沾污、自然氧化层、静电释放。

一．颗粒

颗粒是能粘附在硅片表面的小物体。在半导体制造过程中，颗粒能引起电路开路或短路。它们能在相邻导体间引起短路。颗粒还可以是后续各节讨论的其他类型沾污的来源。

半导体制造中，可以接受的颗粒尺寸的粗略法则是它必须小于最小器件特征尺寸的一半。大于这个尺寸的颗粒会引起致命的缺陷。例如0.18微米的特征尺寸不能接触0.09微米以上尺寸的颗粒。为了有个感性认识，人类头发的直径约为90微米，0.09微米的尺寸则比人类头发尺寸小1000倍之多。

硅片表面的颗粒密度代表了特定面积内的颗粒数。更高的颗粒密度产生致命缺陷的机会也更大。颗粒检测已经广泛采用激光束扫描硅片表面和检测颗粒散射的光强及位置来进行。

二．金属杂质

危害半导体工艺的典型金属杂质是碱金属，即周期表中的ⅠA族元素，因为它们容易失去一个价电子成为阳离子，与非金属的阴离子反应形成离子化合物。金属在所有用于硅片加工的材料中都要严格控制。表4.1列出了一些典型的金属杂质元素。

金属来自于化学溶液或者半导体制造中的各种工序。另一种金属沾污的来源是化学品同传输管道和容器的反应。金属可以通过两种途径淀积在硅片表面上。第一种途径，金属通过金属离子与位于硅片表面的氢离子的电荷交换而被束缚在硅表面。这些典型的金属杂质很难消除。第二种途径，当表面氧化时金属杂质分布于氧化层内。在氧化层中的金属杂质只有通过去除硅片表面的氧化层来去除。

金属离子在半导体材料中是高度活动性的，被称为可动离子沾污（MIC）。当MIC引入到硅片中时，在整个硅片中移动，严重损害器件电学性能和长期可靠性。未经处理过的化学品中的钠是典型的、最为普遍的MIC之一，人充当了它的运送者。人体以液态形式包含了高浓度的钠（例如唾液、眼泪、汗液等）。钠沾污在硅片加工中被严格控制。

金属杂质导致了半导体制造中器件成品率的减少，引起氧化物-多晶硅栅结构中的结构性缺陷、pn结上泄漏电流的增加以及少数载流子寿命的减少。MIC沾污能迁移到栅结构中的氧化硅界面，改变开启晶体管所需的阈值电压。由于它们的性质活泼，金属离子可以在电学测试和运输很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期间失效。 三. 有机物沾污

有机物沾污是指那些包含碳的物质，几乎总是同碳自身及氢结合在一起，有时也和其他元素结合在一起。有机物沾污的一些来源包括细菌、润滑剂、蒸气、清洁剂、溶剂和潮气等。在特定工艺条件下，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性。工艺过程中有机材料给半导体表面带来的另一个问题是表面的清洗不彻底，这种情况使得诸如金属杂质之类的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面。

四. 自然氧化层

如果曝露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将会被氧化。这一薄氧化层称为自然氧化层。

自然氧化层将妨碍其它工艺步骤，如硅片上单晶薄膜的生长和超薄栅氧化层的生长。自然氧化层也包含了某些金属杂质，它们可以向硅中转移并形成电学缺陷。在金属导体的接触区如果有自然氧化层存在，将增加接触电阻，减少甚至可能阻止电流流过。 五. 静电释放

静电释放（ESD）也是一种形式的污染，因为它是静电和从一个物体向另

一个物体未经控制的转移，可能损坏芯片。ESD产生于两种不同静电势的材料接触或摩擦。带过剩负电荷的原子被相邻的带正电荷的原子吸引，这种由吸引产生的电流泄放电压可以高达几万伏。

半导体制造中特别容易产生静电释放，因为硅片加工保持在较低的湿度中，典型条件为40%±10%相对湿度，这种条件容易使静电荷生成。尽管ESD发生时转移的静电总量通常很小（纳库仑级别），然而放电的能量积累在硅片上很小的一个区域内。发生在几个纳秒内的ESD能产生超过1A的峰值电流，简直可以蒸发金属导体连线和穿透氧化层。放电也可以成为栅氧化层击穿的诱因。ESD带来的另一个重大问题是，一旦硅片表面有了电荷积累，它产生的电场就能吸引带电颗粒或极化并吸引中性颗粒到硅片表面。随着器件关键尺寸的缩小，ESD对更小颗粒的吸引变得重要起来，能产生致命缺陷。

4.2 沾污的源与控制

半导体器件制造厂房存在7种沾污源：空气、人、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体和生产设备。 一． 空气

净化间最基本的概念是硅片工厂空气中的颗粒控制。我们通常所呼吸的空气是不能用于半导体制造的，因为它包含了太多的漂浮沾污。这些微小的浮质在空气中漂浮并停留很长时间，淀积在硅片表面引起沾污并带来致命缺陷。

净化级别标定了净化间的空气质量级别，它是由净化室空气中的颗粒尺寸和密度表征的。这一数字描绘了要怎样控制颗粒以减少颗粒沾污。表4.2展示了不同净化间净化级别每立方英尺可以接受的颗粒数和颗粒尺寸。

近来已经开始使用0.1级，这时颗粒尺寸缩小到0.02~0.03μm。最新的净化空气标准对每立方米空气中的超细颗粒数也做了规定，称为“U”描述符。U描述符把直径小于0.1μm的颗粒规定为超细颗粒。在没有特别说明具体颗粒尺寸的情况下，U描述符把洁净度定义为U（x），其中x是每立方米空气中可容许的超细颗粒的最大数。 二． 人

人是颗粒的产生者。人员持续不断地进出净化间，是净化间沾污的最大来源。颗粒来自于头发和头发用品、衣物纤维屑、皮屑等。一个人平均每分钟释放一千万个尺寸等于或大于0.3μm的颗粒。通常的人类活动，如谈话、咳嗽、打喷嚏，对半导体都是有害的。

为实现净化间内的超净环境，人员必须穿上超净服。超净服由兜帽、连衣裤工作服、靴子和手套组成，完全包裹住了身体。超净服的作用有：1）对身体产生的颗粒和浮质的总体抑制；2）超净服系统颗粒零释放；3）对ESD的零静电积累；4）无化学和生物残余物的释放。

对于要进入净化间的人员必须遵循净化间操作规程。主要有：经过风淋和鞋清洁器才能进入净化间；只把必需物品带入净化间；缓慢移动；始终确保所有的头部和面部头发被包裹起来；始终都保持超净服闭合。 三．厂房

为使半导体制造在一个超洁净的环境中进行，有必要采用系统方法来控制净化间区域的输入和输出。在净化间布局、气流流动模式、空气过滤系统、温度和湿度的设定、静电释放等方面都要进行完美的设计，同时尽可能减少通过设备、器具、人员、净化间供给引入的颗粒和持续监控净化间的颗粒，定期反馈信息及维护清洁。 四．水

为了制造半导体，需要大量的高质量、超纯去离子水（DJ）。我们平时使用的来自于自来水厂的生活用水含有大量的沾污而不能用于硅片生产。经过处理之后，DJ中不允许有的沾污是：溶解离子、有机材料、颗粒、细菌、硅土和溶解氧。同时在25℃下，DJ的电阻率要达到18MΩ-cm。一个水净化系统见图4.1。

五． 工艺用化学品

无论是液态化学品还是气体化学品，都必须不含沾污。然而，处理和传送系统有可能引入杂质，所以在靠近使用现场安置过滤器。一个优秀的过滤器应该不对所需的流量产生显著的压力衰减，不引入二次沾污并与化学品相容。过滤效率是指停留在过滤器中特定尺寸以上的颗粒的百分比。对于ULSI工艺中使用的液体过滤器，对于0.2微米以上颗粒的典型效率为99.9999999%。 六． 生产设备

用来制造半导体硅片的生产设备是硅片工厂中最大的颗粒来源。在硅片制造过程中，硅片从片架重复地转入设备中，经过多台装置的操作，卸下返回到片架中，又被送交下一工作台。为了制造一个硅片，这一序列重复达450次或更多的次数，把硅片曝露在不同设备的许许多多机械和化学加工过程中。这就需要特殊的设计考虑以避免沾污。有用输送带系统和升降机来传送硅片、用封闭洁净的片架装硅片、建立一个微环境来加工硅片等等。

4.3 硅片湿法清洗

硅片表面在经受工艺之前必须是洁净的。一旦硅片表面被沾污,沾污物必须通过清洗而排除。硅片清洗的目标是去除所有表面沾污:颗粒、有机物、金属和自然氧化层。每一工步骤都是硅片上器件潜在的沾污源。对于整个ULSI制造工艺,单个硅片表面要湿法清洗大约上百次。

占统治地位的硅片表面清洗方法是湿化学法,工业标准湿法清洗工艺称为RCA清洗工艺。用在湿法清洗中的典型化学品以及它们去除的沾污列于表4.3。

从表中可以看到,颗粒和有机物通过SC-1去除,金属通过SC-2去除,而自然氧化层通过DHF去除。在湿法清洗时还可加入一些辅助方法以增强清洗效果,例如兆声清洗,喷雾清洗,刷洗器等等。

现在已经研究出几种可以取代RCA清洗的清洗技术,像等离子体干法清洗、使用螯合剂、臭氧、低温喷雾清洗等,但在工业生产上还未大量应用。

第五章 测量学和缺陷检查

（放在工艺结束后讲）

测量学是关于确定尺寸、数量和容积的测量的科学。测量学指的是在工艺流程中为了确定硅片的物理和电学特性的技术与过程。用于制造中的测量学使用测试设备和传感器来收集并分析关于硅片参数和缺陷的数据。对硅片性能的精确评估必须贯穿于制造工艺，以验证产品满足规范要求。要达到这一点，在硅片制造的每一工艺步骤都有严格的质量测量，为使芯片通过电学测试并满足使用中的可靠性规范，质量测量定义了每一步需要的要求。

5.1 集成电路测量学

集成电路测量学是测量制造工艺的性能以确保达到质量规范标准的一种必要的方法。为了完成这种测量，需要样片、测量设备和分析数据的方法。

数据是在监控片(又称样片)上收集，为表征工艺的特性，样片包含在工艺流程中。而使用实际生产硅片模拟更接近在工艺流程中发生的情况，可以提供更好的信息。

用于性能测量的测量设备有不同的类型，分为与工艺分离的独立测试设备和与工艺设备集成在一起的测量设备。 独立的测试设备进行测量学测试时，不依附于工艺，但通常对硅片有破坏性或沾污。集成的测量仪器具有传感器，这些传感器允许测试工具作为工艺的一部分起作用并发送实时数据。

成品率是一个硅片工厂生产高质量管芯能力的重要标志。为了查出不同缺陷怎样影响硅片的成品率，缺陷分析应该能区分出随机因素和非随机因素，并能与

电学和其他测试数据相联系。在很大程度上，缺陷分析需要软件系统支持。大的软件测试程序与主要的测试工具相联，并能建立取样计划，分析缺陷数据以及探测其趋势。

5.2 质量测量

在整个硅片生产工艺中有许多质量测量。为使产品在工艺的每一步都符合精确的要求，半导体质量测量定义了硅片制造的规范要求，以确保满足器件的性能和可靠性。表5.1展示了每一步工艺后主要的质量测量。

一． 膜厚

由于硅片工艺是成膜工艺，在整个制造工艺中硅片表面有多种类型不同的膜。这些不同类型的膜有金属、绝缘体、光刻胶和多晶硅。它们或是不透明薄膜或是透明薄膜。膜的关键质量参数是它们的厚度，其他质量参数有表面粗糙度、反射率、密度以及针孔数量等。

不透明导电膜的厚度可用四探针法来测量。（图5.1）

t (膜厚) = ρ（膜电阻率）/ RS（方块电阻） （Ω/□） 透明薄膜的厚度一般用椭偏仪来测量。（图5.2）。椭偏仪测试具有小的测试点、图形识别软件和高精度的硅片定位特色，这些使得直接在生产用的硅片上做

的许多透明膜的工艺控制成为可能。

另外利用反射光谱学、X射线荧光技术、光声技术也可测量薄膜厚度。 二． 膜应力

在通常的制造工艺中，薄膜上可能引入强的局部应力。这些应力会造成衬底形变，并产生可靠性问题。用薄层应力测量工具可以测量这种形变。在薄膜淀积前后，利用扫描激光束技术或分束激光技术测量硅片半径，绘制硅片应力的剖面图（见图5.3）。通过分析由于薄膜淀积造成的衬底曲率半径变化来进行应力测量，并应用于包括金属、介质和聚合物在内的标准薄膜。

三． 折射率

折射是透明物质的特性，它表明光通过透明物质的弯曲程度。折射率的改变表明薄层中有沾污，并造成厚度测量不正确。对于纯的二氧化硅折射率是1.46。对于薄层的折射率可以通过干涉和椭圆偏振技术来测量，与用于确定薄膜厚度的椭偏仪相同。 四． 掺杂浓度

在硅的一些区域（如pn结、外延层、掺杂多晶硅）中杂质原子的分布情况直接影响到半导体器件的性能。现在的工艺使用杂质浓度界于1010个原子每平方厘米到大约1018个原子每平方厘米之间。有几种技术用于测量硅中杂质浓度的剂量。常用的在线方法是四探针法（用于高掺杂浓度）、热波系统（用于低掺杂浓度），在生产线外的测量方面，有二次离子质谱仪、扩展电阻探针、电容—电压特性测试等几种方法。 五． 无图形的表面缺陷

无图形的硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。后者用做测试片，在工艺进行时使用以提供工艺条件的特征信息。用于工艺监控的无图形硅片上典型的缺陷包括颗粒、划伤、裂纹和其他材料缺陷。对硅片表面的缺陷检测分为两种类型：暗场和亮场的光学探测。亮场探测是用显微镜传统光源，它直接用反射的可见光

测量硅片表面的缺陷。暗场探测检查位于硅片表面的缺陷散射出的光，对检查微小缺陷非常有用。这两种系统通常根据收到来自硅片表面的光信号，通过一些信号或图像处理来确定缺陷的位置。可以给出硅片上颗粒分布图，显示出颗粒的位置和颗粒直径的分布。目前能检查到的颗粒缺陷尺寸大约在0.1μm。 六． 有图形的表面缺陷

工艺过程中对有图形硅片的监控越来越普遍。在生产硅片上最主要的缺陷是颗粒、划伤和图形缺陷。随着器件几何尺寸的减小以及工艺复杂程度的提高，图形缺陷发生得越来越频繁。

使用光散射技术在有图形的硅片上进行缺陷检测与无图形的硅片类似。然而，测量设备必须能够区分出是颗粒散射光还是图形边缘散射光。 七． 关键尺寸（CD）

关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。在CMOS技术中，晶体管的栅结构非常关键。栅宽决定了沟道的长度，而沟道的长度影响了速度。关键尺寸的变化通常显示半导体制造工艺中一些关键部分的不稳定。由于关键尺寸越来越小，能获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜（SEM）。

八． 台阶覆盖

硅片制造中形成表面形貌，因此取得好的台阶覆盖能力是材料的必要特征。良好的台阶覆盖要求有厚度均匀的材料覆盖于台阶的全部区域，包括侧墙和拐角。图5.4。

一种高分辨带触针的非破坏性形貌仪常用来测量台阶覆盖和硅片表面的其他特征。这种自动化表面测量仪器使用一根触针加以低至0.05mg的力接触硅片表面，轻轻地绘出硅膜形貌图而不损伤硅片表面。 九． 套准精度

套准精度使用在光刻工艺之后，测量光刻机和光刻胶图形与硅片前面刻蚀图形的套刻的能力。随着特征尺寸的缩小，套刻标记的容差减小，掩膜版上的图形的标记与硅片上的对准成为挑战。化学机械平坦化（CMP）的使用在硅片上产生了对比度很小的图像，这些图像难以分辨。这种情况使得硅片与掩膜版的对准更加复杂。测量套准精度的主要方法是相干探测显微镜（CPM）。

十． 电容—电压（C-V）测试

MOS器件的可靠性高度依赖于栅结构高质量的氧化薄层。栅氧化层区域的沾污可能导致正常的阈值电压的漂移，导致器件失效。可动离子沾污（MIC）和其他不希望的电荷状况可以在氧化工艺步骤后用电容-电压测试进行检测。通常做C-V特性以检测氧化步骤后的离子污染。另外，C-V特性测试提供了栅氧化层完整性的信息（GOI），包括介质厚度、介电常数（k）、电极之间硅的电阻率（表征多数载流子的浓度）以及平带电压（在氧化层结构中没有电势差的电压）。

C-V分析法被用于监控硅片，以确保清洁的工艺去除离子沾污。无论在测试片上还是具有专用测试结构的生产硅片上，都可以进行这种分析。这种分析不能告诉你沾污来自哪里，例如硅片表面、清洗步骤、设备维护或高温工艺。 十一． 接触角度

接触角度仪用于测量液体与硅片表面的粘附性，并计算表面能或粘附性力。这种测量表征了硅片表面的参数，比如疏水性、清洁度、光洁度和粘附性（见图5.5）。在液滴与支撑表面之间形成的接触（正切）角度与固/液或液/液界面的相互作用力相关，并能用于硅片测试规范或做硅片质量特性。

5.3 分析设备

本节简单介绍一些用于支持硅片生产的主要分析设备。这些分析仪提供高度精确的硅片测量，它们通常位于线外的实验室，以解决生产问题。

● 扫描电子显微镜（SEM）：SEM是通过产生高度聚焦电子束扫描目标，同时用探测器测量最终散射电子。它是非破坏和非接触测量仪器。SEM能放大10万到30万倍，明显高于光学显微镜。SEM的图像分辨率（可检测的最小特征）是40?到50?的数量级。用SEM观测硅片的横截面部分能提供缺陷的信息。

● 二次离子质谱仪（SIMS）: SIMS是在磁场中用加速离子侵蚀硅片表面以分析材料表面组成的一种方法。这些离子轰击硅片表面并撞出或溅射其他离子（称二次离子），二次离子包含硅片材料和掺杂的杂质。在真空腔中，用质谱仪将它们收集并分析，鉴别出掺杂类型及其在硅中杂质的浓度。SIMS基本上是破坏性的测试技术，并需要超高真空的环境（大约10-10到10-12托）。

● 原子力显微镜（AFM）: AFM是一个表面形貌仪，它用一个较小的平衡探针头扫描硅片表面产生三维的表面图形，探针和表面分开的距离非常小（在2?的数量级）以致原子力影响表面和针尖之间的探针。

● 俄歇电子能谱仪（AES）：AES测量入射电子束照射样品时由样品表面发射的俄歇电子的能量。它被用于样品元素的识别。由于俄歇电子易于被样品吸收，只有那些在表面外部单层的俄歇电子逃逸并在AES中被检测。这使得俄歇技术特别适合于分析通常是约2nm厚的材料的表面。金属氧化物、硅化物和硅片表面可很容易被AES探测到。

● X射线光电能谱仪（XPS）: XPS主要用来识别样品表面的化学成分（与AES相同）分析大约2nm样品厚度。除了H和He以外所有的元素都可探测。

在XPS中，X射线的光子直接照射到硅片表面，与被称为XPS电子的特定核级电子相互作用。如果X射线的能量超出XPS电子的束缚能，那么电子就从样品中发射，从而被探测仪测到并分析。

● 透射电子显微镜（TEM）: TEM与SEM的工作原理类似，其主要差别是电子束穿过超薄的样片（10到100nm数量级）。根据电子波长、加速电压和样品厚度的因素，形成图像并放大到具有大约2?分辨率的屏幕上。TEM是唯一能定量测量硅片上一些非常小特征尺寸的测量工具，但是样品的准备比较困难。

● 能量弥散谱仪（EDX）和波长弥散谱仪（WDX）: 由SEM入射电子束产生的有用信号是由样品材料发射具有原始电子能量特性的X射线。这些X射线携带与样品中出现的原子种类相关的信息，X射线能鉴别在半导体制造中产生的不同薄膜、颗粒和缺陷。EDX可测X射线的能量。WDX可测X射线的波长。

● 聚焦离子束（FIB）: FIB铣能在硅片上任何区域刻出10到100nm厚的横截面，可精确控制形状和深度。它能割开金属、多晶硅和氮化物的层，并不会造成附近结构很小的损伤。所以用它来制备分析样品。

第六章 工艺腔内的气体控制

6.1

真空

硅片处理工艺通常是在工艺腔里发生化学反应。所谓工艺腔是指一个受控的真空环境，使得化学反应能够在受控条件下进行。因此工艺腔也被称为反应室。工艺腔有众多功能：1）控制气态化学品的流入，并在尽量靠近硅片的地方发生反应；2）在真空环境中保持预定的压强；3）去处不需要的水汽、空气和附加反应；4)创建一个能够使化学反应发生的环境；5）控制硅片的加热和冷却。

硅片制造中的许多化学反应都是在真空条件下进行的。采用真空的益处参见表6.1。

一.

真空范围

真空可分为低级真空（759~100托）、中级真空（100~10-3托）、高级真空-3-6-6-9

（10~10托）以及超高级真空（10~10托）。低级真空有两个重要的特征：气流主要是由分子间碰撞产生的；压强高得足以用机械型压力测量仪测量。低级真空通常用于包含以下条件的制造工艺：依靠气相化学反应、分子间的动能传输以及气体与界面间的快速相互作用。中级真空是低级和高级真空之间的过渡阶段。高级真空的定义是气体分子之间很少有碰撞。这种条件导致非常洁净的硅片表面。超高级真空是高级真空的延伸，通过对真空腔的设计和材料的严格控制尽量减少不需要的气体成分。

二.

平均自由程

一个运动的气体分子在撞上另一个分子之前运动的平均距离叫做平均自由程。当真空里的压强降低时，气体分子间的空间加大了，这成为气体流过系统及在工艺腔内产生等离子体的重要因素。空气在不同压强范围和标准温度下的平均自由程参见表6.2。

三. 真空泵

在半导体制造业中有很多种不同的真空泵。分为初级和高级真空泵。初级泵有几种用途：在腔内创造近似中级真空；清空多腔集成设备中接收硅片的区域；为高级真空泵抽气。常见的初级泵有干性机械泵和增压/调压泵。高级真空泵用来获得高级和超高级真空。常见的高级泵有加速分子泵和冷凝泵。

6.2

工艺腔内的气流

进入工艺腔的气流对于实现预期的化学反应非常关键。对工艺腔控制气流最基本的要求有：1）具备控制各种通用和特种气体的能力，包括很多腐蚀性或有毒的气体；2）对进入工艺腔的气流的控制要精确且可重复；3）在工艺进行过程中应当可以控制混合气体的比例；4）腔体中的材料既不能受工艺气体的影响，也不能在气流中产生沾污。 一. 质量流量计（MFC）

化学反应中包含了以分子数目作为重要控制参数的物理过程。根据理想气体定律可知给定容积内气体分子的数目与压力和温度成正比。因此，仅通过容积控制进入腔体的气流无法做到每次都得到相同数目的分子，这是不利于控制化学反应的。

为了解决这个问题，进入腔体的气流通过质量流量计来控制，如图6.1所示。

MFC利用气体的热传输特性，直接测量进入腔体的质量流量比率。它使用

一个温度传感器来探测气体质量流量中的变化。集成设备中通常包含许多MFC来控制各种不同的气体进入工艺腔。在使用MFC之前先用一个压力调节器来确保传给MFC的气体具备指定不变的压力。 二. 残气分析器（RGA）

RGA是工艺腔设备的重要部分，用来检验残留在已清空系统中的气体分子的类型。基于此理，它可以用来探测泄漏、分析工艺腔内的沾污以及作为故障查询工具来解决腔内本底真空的问题。它最常见的用途是检漏和工艺中的故障查询。RGA的原理就是隔离、鉴别和测量腔中所有的气体分子。RGA可以测量真空系统中每种气体成分的局部压力分布，以及所有气体分子的总压力。将RGA作为在线实时工艺监控，从而更快速地进行工艺问题诊断，以确保工艺正常进行。

6.3 等离子体

等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、带电

离子和自由电子。当从中性原子中去除一个价电子时，形成正离子和自由电子。在一个有限的工艺腔内，利用强直流或交流电磁场或是用某些电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。等离子体可以提供发生在硅片表面的气体反应所需的大部分能量，因此被广泛应用于硅片制造的各个步骤。等离子体的另一个应用是通过等离子刻蚀选择性地去除金属、多晶硅、氮化硅和其他薄膜。在工艺腔内存在等离子体的最常见的迹象是被称为辉光放电的特有的可视光。在辉光放电中，高能电子与中性原子或离子相撞并激发它们。这些受激发的原子或离子存在时间很短，大约十亿分之一秒。当一个受激发的原子或离子返回其最低的能级时，能量以放射光子（或声子）的形式将能量释放。这种释放导致了辉光放电中独有的发光，不同气体对应不同颜色。维持辉光放电的典型因素包括射频（RF）能量和频率、压力、混合气体和发光率、真空泵泵速以及表面温度。

6.4 工艺腔的沾污

在带有真空的工艺腔内，痕量水是最显著的沾污源。由于水在化学反应和真空中会被分解成离子或H2、O2等气体分子，所以它成为真空系统的一个问题所在，它顽强地粘在表面上，清除起来很缓慢而且是反应器中的毒素。在抽真空的过程中由于水颗粒的形成，产生了颗粒沾污。

为了尽量降低工艺腔内吸附的水产生的沾污，需要减少已清洗为目的的开启或拆开的工艺反应室。通过在线清洁技术（在工艺进行过程中清洗）可以实现这一点。尽管如此，工艺设备仍然需要迫使设备停机和修理的维护。提出如下建议可以在维修中减少沾污：1）保持放置设备的净化间环境中适合的温度和湿度；2）在处理硅片时控制设备的泵和排风循环系统，尽量减少紊乱，阻止颗粒的产生；3）避免使用研磨性的清洁材料；4）使用原装的备用部件和材料以避免产生敏感的设备沾污和裂缝；5）使用产生颗粒少的气体控制部件。

第七章 集成电路制造工艺概况

7.1

器件技术

用于芯片的电子器件是在衬底上构建的。通用的芯片器件包括电阻、电容、熔丝、二极管和晶体管。他们在衬底上的集成是集成电路硅片制造技术的基础。由电子器件组成的电路可以分成两种基本类型：数字电路和模拟电路。模拟电路

是指其电参数在一定电压、电流、功耗值范围内变化的一种电路。数字电路在高电平和低点平下工作。电阻、电容被称为无源元件，即无论这些元件怎样和电源相连，它们都能传输电流。二极管和晶体管被称为有源元件，也即它们可用于控制电流方向，能放大小的信号。 一．集成电路电阻结构

集成电路电阻可以通过金属膜、掺杂的多晶硅、或者通过杂质扩散到衬底的特定区域中产生（见图7.1）。这些电阻是微结构，因此他们只占用衬底很小的区域。电阻和芯片的连接是通过与导电金属形成接触实现的。但是在芯片结构中会产生寄生电阻（见图7.2），这是因为器件的尺寸、形状、材料类型、掺杂种类以及掺杂数量而存在的。寄生电阻并不是我们需要的，因为它会降低集成电路器件的性能。

二．集成电路电容器结构

芯片制造中介质材料通常是二氧化硅（也称氧化层）。平面型电容器可由金属薄层、掺杂的多晶硅、或者衬底的扩散区形成。图7.3是电容器的几种结构。在器件结构中也会产生寄生电容（图7.4）。这些寄生电容将影响电路的速度，引起电路的不稳定性，产生寄生振荡，甚至产生交流信号短路。

三. pn结二极管

pn结二极管总是由n型半导体和邻近的p型半导体相连形成的。pn结可以有意地设计为一块集成电路的某一功能部件，也可以在其他集成电路中作为非功能二极管存在。pn结二极管由单晶半导体材料构成，如图7.5所示，衬底上的一块区域是施主杂质的重掺杂，以形成n型硅区。相反，受主杂质掺杂用于形成p型硅区。

四. 肖特基二极管

肖特基二极管是由金属与轻掺杂的n型半导体材料接触形成的。这种形式器件的工作原理与普通的pn结二极管相似。硅肖特基二极管的正向结压降（0.3~0.5V）几乎是硅pn结二极管（0.6~0.8V）的一半。肖特基二极管的最大优势是其电导完全取决于电子，这使其从开到关的时间更快。图7.6指出了示意符和肖特基二极管的剖面结构。

五. 晶体管

晶体管有三个电极和两个pn结。整个晶体管从一个单一的半导体衬底开始构成，有pnp、npn两种晶体管。图7.7是npn晶体管的剖面图。

六. 双极集成电路技术

二极管、晶体管连同支撑元件电阻、电容、绝缘体和导体，用于一种称为双极技术的集成电路开发。双极器件以其高速、耐久性以及功率控制能力一直备受关注。然而，它的最大缺陷是功耗高。 七.CMOS集成电路技术

当电路中或者说电子设备中能源消耗问题越来越突出时，场效应晶体管（FET）问世了。与双极晶体管的电流放大不同，场效应晶体管是一种电压放大器件。场效应晶体管的最大优势是它的低电压和低功耗。场效应晶体管分为结型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物型场效应晶体管（MOSFET）。在硅集成电路中主要是MOSFET。MOSFET结构上有两类：nMOS ( n沟道) 和pMOS（p沟道）。图7.8表示了这两种MOSFET的示意图。

将pMOS和nMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化物半导体技术，也就是CMOS技术。最基本的CMOS反相器电路图、顶视图、剖面图分别示于图7.9、图7.10、图7.11。

八.BiCMOS技术

BiCMOS技术就是将CMOS和双极技术的优良性能集中在同一块集成电路器件中。BiCMOS综合了CMOS结构的低功耗、高集成度和双极器件结构的高电流驱动能力。图7.12给出了BiCMOS反相器的电路。双极晶体管（Q3,Q4）提供了比CMOS反相器（Q1,Q2）更高的电流驱动能力。

九.CMOS器件的闩锁效应

与不想要的寄生电阻和电容存在于半导体器件中一样，有时CMOS器件中的pn结能产生寄生晶体管，它能在CMOS集成电路中产生闩锁效应以致引起晶体管无意识的开启。图7.13说明了CMOS反相器中的寄生晶体管。互补晶体管是在CMOS结构中MOSFET正常制作的结果。给定某一工作条件可能开启寄生晶体管，并且产生一个低电阻电流路径流过CMOS结构。晶体管被锁定，因而阻止了CMOS器件中对MOSFET的控制。

7.2CMOS工艺流程

集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作、刻印、刻蚀和掺杂。图7.14展示了工艺的复杂性，即使制造单个MOS管也不例外。由于CMOS技术在工艺家族中最有代表性，我们就以它为例介绍硅片制造流程。在学习本章的过程中必须时刻牢记，在制造过程当中要进行一系列有着特定目的的操作。注意每一步操作的目的、所采用设备及材料的种类以及随后的质量测量手段，这些决定了每一步工艺的集成。

集成电路是在硅片制造厂中制造完成的。如图7.15所示的硅片制造厂可以分成6个独立的生产区：扩散（包括氧化、膜淀积和掺杂工艺）、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。这6个主要的生产区和相关步骤以及测量工具都在硅片厂的超净间中。测试/拣选区不与上述6个区在同一超净环境当中。

一．扩散

扩散区是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散区的主要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。高温扩散炉（见图7.16）可以在近1200℃的高温下工作，并能完成多种工艺流程，包括氧化、扩散、淀积、退火以及合金。这些工艺将在后续章节中具体描述。湿法清洗设备是扩散区中的辅助工具。硅片在放入高温炉之前必须进行彻底的清洗，以去除硅片表面的沾污以及自然氧化层。

二．光刻

使用黄色荧光管照明使得光刻区与芯片厂中的其他各个区明显不同。光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一种光敏的化学物质，它通过深紫外线曝光来印制掩膜版的图像。光刻胶只对特定波长的光线敏感，例如深紫外线和白光，而对黄光不敏感。光刻区中的涂胶/显影设备是用来完成光刻的一系列工具的组合。这一工具首先对硅片进行预处理、涂胶、甩胶、烘干，然后用机械臂将涂胶的硅片送入对准及曝光设备。步进光刻机用来将硅片与管芯图形阵列对准。这一阵列由镀铬石英版刻蚀而成。在恰当的对准和聚焦后，步进光刻机先曝光硅片上的以小片面积，随后步进到硅片的下一块区域并重复上述过程，直到硅片表面全部曝光了管芯图形为止。完成后，硅片回到涂胶/显影设备对光刻胶进行显影，随后清洗硅片并再次烘干。

从图7.15中看到，光刻区位于硅片长的中心。之所以这样是基于如下事实：硅片从所有其它区流入光刻区。由于在光刻过程中缺陷和颗粒可能植入光刻胶层，沾污的控制显得格外重要。光刻掩膜版上的缺陷以及步进光刻机上的颗粒能够复印到所有用这些设备处理的硅片上。

为了减少沾污，敞口盛放的化学试剂在光刻区中是禁止使用的。因此，清洗装置以及光刻胶剥离机通常安排在硅片厂的其他区域，而不是光刻区。经过光刻处理的硅片只流入两个区：刻蚀区和离子注入区（参见图7.15）。因此只有三个区会处理涂胶的硅片。 三．刻蚀

刻蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀区最常见的工具是等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。目前，虽然仍采用一些湿法刻蚀工艺，但大多数步骤采用的是干法等离子体刻蚀（见图7.17）。等离子体刻蚀机是一种采用射频（RF）能量在真空腔中离化气体分子的一种工具。等离子体与硅片顶层的物质发生化学反应。刻蚀结束后利用另一种称为去胶机的等离子体装置，用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。紧接着用一种化学溶剂

彻底清洗硅片。

四.离子注入

离子注入机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体带着要掺的杂质，例如砷（As）、磷（P）、硼（B）在注入机中离化（见图7.18）。采用高电压和磁场来控制并加速离子。高能杂质离子穿透了涂胶硅片的表面。离子注入完成后，要进行去胶和彻底清洗硅片。

五.薄膜生长

薄膜区主要负责生产各个步骤当中的介质层与金属层的淀积。薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。薄膜生长区中有很多不同的设备。所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作（见图7.19），包括化学气相淀积（CVD）和金属溅射工具（物理气相淀积，PVD）。该区中用到的其他设备可能会有SOG(spin-on-glass)系统、快速退火装置（RTP）系统和湿法清洗设备。SOG用来填充硅片上的低凹区域以实现硅片表面的平坦化。快速退火装置用于修复离

子注入引入的衬底损伤，也用于金属的合金化步骤。

六.抛光

化学机械平坦化（CMP）工艺的目的是使硅片表面平坦化，这是通过将硅片表面突出的部分减薄到下凹部分的高度实现的。硅片表面凹凸不平给后续加工带来了困难，而CMP使这种硅片表面的不平整度降到最小。抛光机是CMP区的主要设备，这一步工艺也可以叫抛光。CMP用化学腐蚀与机械研磨相结合，以除去硅片顶部希望的厚度。抛光后需彻底清洗硅片。

7.3CMOS制作步骤

我们讨论一个硅片在典型CMOS流程当中的主要制作步骤。虽然流程中有些步骤可以一次处理一批硅片，下面只描述单片的制作步骤。为了进一步简化描述，下面只介绍一个CMOS反相器，有两个晶体管构成——一个nMOS和一个pMOS，它仅占微小的面积。

CMOS制作步骤如下所示： 1. 双阱工艺；

2. 浅槽隔离工艺； 3. 多晶硅栅结构工艺；

4. 轻掺杂漏（LDD）注入工艺； 5. 侧墙的形成；

6. 源/漏（S/D）注入工艺； 7. 接触孔的形成； 8. 局部互连工艺；

9. 通孔1和金属塞1的形成； 10. 金属1互连的形成；

11. 通孔2和金属塞2的形成； 12. 金属2互连的形成；

13. 制作金属3直到制作压点及合金； 14. 参数测试。 一．双阱工艺

在一般的CMOS流程中，第一步往往是定义MOSFET的有源区。现在的

亚0.25μm的工艺通常是采用双阱工艺（也称双管）来定义nMOS和pMOS晶体管的有源区。双阱包括一个n阱和一个p阱，每个阱都至少包括三到五步主要步骤来完成制作。通常采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性。这一技术采用高能量、大剂量的注入，深入外延层大概一微米左右。随后的阱注入在相同区域进行，只是注入能量、结深以及掺杂剂量都有大幅度的减小。阱注入决定了晶体管的阈值工作电压同时避免CMOS电路常见的一些问题，如闩锁效应和其他一些可靠性方面的问题。

1．n阱的形成 形成n阱的5个主要步骤在下表以及图7.20中描述。

2．p阱的形成 形成p阱的3个主要步骤在下表以及图7.21中描述。

二．浅槽隔离工艺

浅槽隔离（STI）是在衬底上制作的晶体管有源区之间隔离区的一种可选工艺。这一方法在制作亚0.25μm器件时尤其有效。先前的隔离工艺是硅的局部氧化工艺（LOCOS），这一工艺于20世纪70年代早期研发成功，直到上世纪90年代末还在使用。尽管更为复杂，浅槽隔离在ULSI芯片制造中仍得到了广泛的应用。下面将浅槽隔离分为三个主要步骤来介绍：

1．STI槽刻蚀 STI槽刻蚀的4个主要步骤在下表及图7.22种描述。

2．STI氧化物填充 STI氧化物填充的基本步骤在下表及图7.23种描述。

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