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硅集成电路基本工艺流程简介

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硅集成电路基本工艺流程简介

近年来，日新月异的硅集成电路工艺技术迅猛发展，一些新技术、新工艺也在不断地产生，然而，无论怎样，硅集成电路制造的基本工艺还是不变的。以下是关于这些基本工艺的简单介绍。

IC制造工艺的基本原理和过程
IC基本制造工艺包括：基片外延生长、掩模制造、曝光、氧化、刻蚀、扩散、离子注入及金属层形成。

一、硅片制备（切、磨、抛）
1、晶体的生长（单晶硅材料的制备）：
1) 粗硅制备: SiO2+2H2=Si+2H2O　　　99％
经过提纯:　 >99.999999%
2) 提拉法
基本原理是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体.
2、晶体切片：切成厚度约几百微米的薄片

二、晶圆处理制程
主要工作为在硅晶圆上制作电路与电子元件，是整个集成电路制造过程中所需技术最复杂、资金投入最多的过程。
功能设计à模块设计à电路设计à版图设计à制作光罩
其工艺流程如下：
1、表面清洗
晶圆表面附着一层大约2um的Al2O3和甘油混合液保护之,在制作前必须进行化学刻蚀和表面清洗。
2、初次氧化
有热氧化法生成SiO2 缓冲层，用来减小后续中Si3N4对晶圆的应力
氧化技术
干法氧化 Si(固) + O2 à SiO2(固)
湿法氧化 Si(固) +2H2O à SiO2(固) + 2H2
3、CVD法沉积一层Si3N4。
CVD法通常分为常压CVD、低压CVD 、热CVD、电浆增强 CVD及外延生长法（LPE）。
着重介绍外延生长法（LPE）：该法可以在平面或非平面衬底上生长出十分完善的和单晶衬底的原子排列同样的单晶薄膜的结构。在外延工艺中，可根据需要控制外延层的导电类型、电阻率、厚度，而且这些参数不依赖于衬底情况。
4、 图形转换（光刻与刻蚀）
光刻是将设计在掩模版上的图形转移到半导体晶片上，是整个集成电路制造流程中的关键工序，着重介绍如下：
1）目的：按照平面晶体管和集成电路的设计要求，在SiO2或金属蒸发层上面刻蚀出与掩模板完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属膜布线。
2）原理：光刻是一种复印图像与化学腐蚀相结合的综合性技术，它先采用照相复印的方法，将光刻掩模板上的图形精确地复印在涂有光致抗蚀剂的SiO2层或金属蒸发层上，在适当波长光的照射下，光致抗蚀剂发生变化，从而提高了强度，不溶于某些有机溶剂中，未受光照的部分光致抗蚀剂不发生变化，很容易被某些有机溶剂融解。然后利用光致抗蚀剂的保护作用，对SiO2层或金属蒸发层进行选择性化学腐蚀，然后在SiO2层或金属蒸发层得到与掩模板(用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层600~800nm厚的Cr层，使其表面光洁度更高)相对应的图形。
3）现主要采有紫外线(包括远紫外线)为光源的光刻技术，步骤如下：涂胶、前烘、曝光、显影、坚模、腐蚀、去胶。
4）光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺，但因为这两个工艺只有连续进行，才能完成真正意义上的图形转移。在工艺线上，这两个工艺是放在同一工序，因此，有时也将这两个工艺步骤统称为光刻。
湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。
干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。

5) 掺杂工艺（扩散、离子注入与退火）
掺杂是根据设计的需要，将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻欧姆接触，通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成各种器件结构。掺杂工艺的基本思想就是通过某种技术措施，将一定浓度的三价元素，如硼，或五价元素，如磷、砷等掺入半导体衬底，掺杂方法有两种：
1）扩散法。将掺杂气体导入放有硅片的高温炉，将杂质扩散到硅片内一种方法，分为替位式扩散和间隙式扩散。其优点是批量生产，获得高浓度掺杂，共有两道工序：预扩散和主扩散。
2）离子注入法。利用电场加速杂质离子，将其注入硅衬底中的方法，该法可以精密地控制扩散法难以得到的低浓度杂质分布，也可分为两个步骤：离子注入和退火再分布。其优点有：掺杂的均匀性好、温度低、可以精确控制杂质分布、可以注入各种各样的元素、横向扩展比扩散要小得多、可以对化合物半导体进行掺杂。
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。根据注入的杂质数量不同，退火温度一般在450~950℃之间。退火作用有 激活杂质、消除损伤，退火方式主要包括炉退火、快速退火。
6、制膜
氧化，制备SiO2层，制作各种材料的薄膜。氧化工艺是一种热处理工艺。在集成电路制造技术中，热处理工艺除了氧化工艺外，还包括前面介绍的退火工艺、再分布工艺，以及回流工艺等。SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应。SiO2的制备方法有：热氧化法（干氧氧化、水蒸汽氧化、湿氧氧化、干湿干氧化法、氢氧合成氧化）、化学气相淀积法、热分解淀积法、溅射法。
二氧化硅层的主要作用有：
①在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，是MOS器件的组成部分
②扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层
③作为集成电路的隔离介质材料
④作为电容器的绝缘介质材料
⑤作为多层金属互连层之间的介质材料
⑥作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料

三、后部封装 （在另外厂房）
分别经过以下流程以完成后期的封装工作（具体不做赘述）:
背面减薄、划片、掰片、粘片、压焊、切筋、整形、封装、沾锡、老化、成测、打字、包装

至此，整个集成电路基本工艺流程介绍完毕，具体部件应具体分析，因为不同的元器件掺杂过程会有不同的掺法。在其中晶圆制作过程中，某些工序如离子注入、光刻氧化需重复二三十次，而光刻及刻蚀是整个制造过程中最为关键的工序，在制作过程中应格外小心。
此外，整个制造过程的环境都应保持高度清洁，这是因为整个工艺都是在纳米数量级上进行的，操作员都应有专有的操作服以达到这一目的。
微电子器件制造是一个稍显复杂的过程，需要先进的技术及设备支持。随着经济不断地飞速发展，相信我们的制造工艺会越来越好，最终取得长足的进步！
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