表面损伤小。
缺点:成本高,设备复杂。 ? 干法刻蚀方式： 等离子刻蚀：
利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差 溅射与离子束铣蚀：
通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差 反应离子刻蚀(RIE)：
通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。 干法刻蚀设备
? 化学刻蚀：桶式和下游式 ? 物理刻蚀：离子束刻蚀
? 物理和化学结合的刻蚀：反应离子刻蚀和高密度等离子刻蚀 圆桶式刻蚀系统
? 属于化学各向同性刻蚀，高选择比，等离子诱导损伤小 ? 桶式系统用于硅片表面去胶，氧是去胶的主要刻蚀剂。 下游式刻蚀系统
? 下游刻蚀，减少硅片曝露在等离子体中的时间，从而减少或消除等离子体带来的损伤。 ? 属于化学各向同性刻蚀。
? 下游式系统用于去胶或去除非关键层。 离子束刻蚀系统
? 具有强方向性等离子体的一种物理刻蚀机理
? 能实现小尺寸图形的各向异性，低选择比，低产能 ? 离子束刻蚀系统通常用于金，铂和铜等难刻蚀的材料 反应离子刻蚀系统
? 采用化学反应和物理离子轰击去除硅片表面材料的技术 ? 具有较好的各向异性侧壁图形
? 反应离子刻蚀系统通常用于单晶硅槽的刻蚀 高密度等离子体刻蚀系统
? 先进的IC技术中刻蚀关键层最主要的刻蚀方法是采用单片处理的高密度等离子体刻蚀技术 ? 高密度等离子体刻蚀技术，可以在高深宽比图形中获得各向异性刻蚀。
? 标准等离子体刻蚀，对于0.25μm以下尺寸，刻蚀基难以进入高深宽比图形，刻蚀生成物难以从高深宽比图形出来。
? 解决：低压，以增加气体分子和离子的平均自由程。但同时由于压力减少而减少了离子密度，从而降低了刻蚀速率，所以采用高密度等离子体技术，以产生足够的离子，从而获得可接受的刻蚀速率。
? 传统等离子体，离化度是在0.01%～0.1%。而高密度等离子体能产生较大的刻蚀基分解，获得高达10%的离化率。
? 高密度的等离子体刻蚀机中等离子体通常处于磁场中。由于：⑴产生的等离子体能更有效的获得进入高深宽比窗口。⑵可减少硅片上得直流偏压，从而减少粒子轰击，产生较低的硅片损伤。⑶等离子密度大，有更多的反应基，可增大刻蚀速率。 终点检测
? 干法刻蚀对下层材料没有好的选择比，需要终点检测来监测刻蚀工艺并停止刻蚀以减少对下层材料的过度刻蚀
? 终点检测系统测量一些不同的参数，如刻蚀速率的变化，产物的类型等
§6-3材料刻蚀
? 需刻蚀的材料有：金属，介质和硅，光刻胶 ? 介质刻蚀：（如SiO2）接触孔和通孔制作
? 硅刻蚀： 如：刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容 ? 金属刻蚀： 如：金属层上去除铝合金，制作互连线 ? 光刻胶剥离 一、介质刻蚀
? 对于200mm以上的硅片，铜互连采用双层大马士革技术，层间介质的沟槽刻蚀和低K介质刻蚀是技术难题。
? 介质刻蚀通常是制作接触孔和通孔，要求刻蚀出高深宽比的窗口。
? 氧化物的刻蚀困难之一在于难以获得对下层材料（通常是硅、氮化硅或一层抗反射涂层）的高选择比 。
? 为了防止形成倾斜的侧墙，获得高的氧化硅/光刻胶的选择比很重要 二、硅的刻蚀
? 主要是制作MOS栅结构的多晶硅栅和制作器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅槽。
? 多晶硅栅的刻蚀工艺必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常好的均匀性和可重复性，同时要求高度的各向异性。
? 单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如器件隔离沟槽或DRAM中高密度的垂直电容的制作。在高密度IC中要求数百万个沟槽具有一致的光洁度，接近的垂直侧壁，正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角。 三、金属刻蚀
? 金属刻蚀主要的应用就是作为金属互连线的铝合金刻蚀。通常采用多步刻蚀工艺刻蚀金属复合膜。 ? 钨，阻挡层金属，接触金属也是硅片制造中要被刻蚀的金属。钨通常采用反刻法制作钨塞。 ? 铜不能采用干法刻蚀，因为无法形成挥发性的生成物，使等离子体刻蚀难以进行。 ? 金属刻蚀要求：
高刻蚀速率（大于1000nm/min）；对下层的高选择比，对掩膜层（＞4：1）和层间介质（＞20：1）；高的均匀性，CD控制很好，没有微负载效应 ；没有等离子体诱导充电带来的器件损伤；残留物污染少；不会腐蚀金属； 四、光刻胶去除 ? 湿法去除：
湿法去除是剥离光刻胶的一种基本方法，但由于化学药品需要管理和处理，使用湿法去除不合算。通常干法刻蚀前，光刻胶表面都经过加固处理，使得光刻胶在大部分湿法去胶液中不溶解，需要干法等离子体去胶去掉至少上面的一层光刻胶 ? 等离子体去胶法：
用氧气来干法去胶，是批量去胶的一种主要工艺，主要使用下游等离子体反应器。使用O2/N2 ，O2与光刻胶（碳氢聚合物）反应生成挥发性的气体，这些生成物被真空系统抽走去除。 第七章掺杂
§7-1掺杂的概念
? 什么是掺杂：把杂质引入半导体材料的晶体结构中，以改变其电学特性（如电阻率）的一种方法。 ? 掺入的杂质：有ⅢA族和ⅤA族元素，如B、P、As、Sb等 ? 掺杂的用途：
掺入B、P等，可以形成硅器件中的多数载流子，形成硅片中的导电层，如：在多晶硅栅电极中掺杂提高其电导率。也可以改变材料的性能，如：SiO2中掺杂形成BPSG。 ? 掺杂的方法：热扩散和离子注入
热扩散：利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，这种方法受时间和温度的影响，是早期使用的掺杂手段。
离子注入：通过高压离子轰击把杂质引入，杂质通过与硅片发生原子级的高能碰撞，才能被注入。现
代芯片制造几乎所有的掺杂工艺都是离子注入实现的，是唯一能够精确控制掺杂的手段。 ? 掺杂区：
硅锭生长时，掺入杂质，形成P型或N型硅；硅片制造时，通过掩膜窗口，掺入杂质，形成掺杂区 ? 掺杂的掩膜：
对离子注入，通常是光刻胶，因低温，也可使用其它掩膜；对扩散，因高温，需要氧化物或氮化物。 ? 掺杂形式：
可以与衬底相同，但杂质浓度不同，如P型硅中的P+重掺杂区；可以与衬底相反，形成pN结
? 掺杂的工艺问题：硅片在一套工艺过程中有多次高温过程，每次高温都会造成杂质在硅中的扩散，杂质的扩散会改变原始掺杂区的参数，并影响器件性能。 §7-2扩散
一、热扩散运动
? 热扩散运动：由浓度梯度或温度梯度所产生的使温度趋于平衡、浓度趋于均匀的定向运动。 ? 扩散的发生需要两个必要的条件：浓度差；必须的能量 ? 扩散分为三种： 气态 液态 固态 二、扩散模型 1.杂质移动：
? 每一种杂质在硅中都有一定的扩散率，扩散率表示杂质在硅片中的移动速度，扩散率越高，杂质移动越快。
? 杂质的存在形式：替位杂质和填隙杂质
替位杂质：占据正常的晶格，是硅晶格结构的一部分，具有改变电特性的作用。 填隙杂质：占据间隙位置，未被激活，不会起到杂质掺杂的作用。 ? 激活：
加热能使杂质移动到正确的晶格上，称为晶格激活。激活发生在高温下，对于扩散，激活发生在扩散过程中，是其中的一部分；对离子注入，激活在退火阶段完成。
注意：硅中的杂质只有一部分被真正激活，并提供用于导电的电子或空穴（大约3%～5%）。大多数杂质仍然处于间隙位置，没有被电学激活。 2.固溶度
? 在一定温度下，硅能够吸收的杂质数量是一定的，被称为固溶度极限。 三、扩散工艺
? 扩散工艺是将具有电活性的杂质，在一定温度下，以一定速率扩散到衬底硅的特定位置，得到所需的掺杂浓度及掺杂类型。 ? 两种不同的源扩散形式：
恒定表面源扩散（扩散过程中，硅片表面杂质浓度始终不变）
有限表面源扩散（扩散过程中，作为扩散源的杂质总量不变，不再有新源补充） ? 两步扩散工艺：预淀积、推进、（激活） 预淀积
? 设备：高温扩散炉 工艺环境：800℃～1000℃,10min～30min ? 杂质原子从源转移到扩散炉内，杂质仅入了硅片的表面很薄的一层，表面浓度是恒定（恒定表面源扩散）。 ? 温度低，时间短，扩散深度浅，如同淀积在表面上一样，称为预淀积。 ? 目的是为了控制杂质总量。
? 预淀积为整个扩散过程建立了浓度梯度，表面的杂质浓度最高，并随着深度的加大而减小，从而形成梯度。 推进
? 工艺环境：1000℃～1250℃
? 在高温过程中，使淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成期望的结深。在这个过程中以预淀积引入的杂质源作为扩散源，不再向硅片中增加杂质（有限表面源扩散）。
? 温度高，时间长。
? 目的是控制表面浓度和扩散深度。 激活
? 工艺环境：温度稍微升高。
? 使杂质原子与晶格中的硅原子键合，这个过程激活了杂质原子，改变了硅的电导率。 ? 杂质源
早期使用纯杂质元素作为杂质源，现在并不适用亚微米IC制造，如，B和P在室温，低蒸气压下是固态的，很难融化或蒸发，用固态杂质源也很难控制杂质浓度，杂质源通常由化合物的气态或液态源提供。 携带气体（如氮气）通过液态源，使其以蒸汽的形式传输到炉子中，氧气用于杂质源能够反应形成氧化物，例如，氧化硼与硅发生二次反应，在硅片表面形成富硼二氧化硅层，作为预淀积的硼源。 ? 离子注入是将含有掺杂杂质的化合物分子（如BCl3或BF3等）电离为杂质离子后，聚集成束并用强电场加速，使其成为高能电子束，直接轰击半导体材料。在掺杂窗口处，杂质离子被注入衬底材料，以实现选择掺杂的过程。
? 离子注入具有精确的对剂量和深度的控制能力和整体工艺的灵活性。
优点：精确控制杂质含量；很好的杂质均匀性；对杂质穿透深度有很好的控制；产生单一离子束；低温工
艺；注入的离子能穿过薄膜；无固溶度极限
缺点：高能杂质原子轰击硅原子将对硅晶体结构产生损伤，大多数甚至所有的晶体损伤都能用高温退火进
行修复； 注入设备复杂性。
一、 离子注入工艺理论：离子碰撞和能量损失、离子射程、离子注入剂量 1.离子碰撞和能量损失
? 注入离子在穿行硅片过程中与硅原子发生碰撞，导致能量损失，并最终停在某一深度。 ? 两种主要能量损失机制：电子阻碍和核阻碍
? 晶格损伤：杂质在硅原子间穿过，会在晶格中产生一条受损害的路径，损伤的情况决定于杂质离子的轻重。会使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。 2.射程
? 射程：离子注入过程中，离子穿入硅片的总距离。 ? 能量：当离子由于电势差加速时，就获得了能量。
公式：E=nU E为能量，单位：电子伏特（eV）、n为离子所带的电荷数 、U为电势差，单位：伏特（V）
入射能量越高，意味着杂质原子能穿入硅片越深，射程越大，控制结深就是控制射程。 ? 投影射程RP：
注入离子在硅片中穿行的距离，决定于离子质量和能量、靶的质量和离子束相对于硅片晶体结构的方向。
并非所有的离子都恰好停在投影射程上。
由于离子的各种运动状态，产生了注入硅片的杂质原子穿行的距离分布，即偏差△RP。
RP表示可以形成多深的结，而△RP表示入射离子在RP周围的分布。随着杂质原子的注入能量增加，投影射程将增加，但杂质浓度的峰值将会因偏差的增加而降低。 3.剂量
? 剂量（Q）:单位面积硅片表面注入的离子数。 ? 公式：Q=It/enA
2
Q为剂量，单位：个/cm I为束流，单位：A t为注入时间，单位：s
192
e为电子电荷，等于1.6*10库仑 n为离子电荷数量 A为注入面积，单位：cm
? 离子束电流的量级是定义剂量的一个关键变量。 二、离子注入工艺设备 离子注入机的组成部件：
离子源、引出电极（吸极）、离子分析器、加速管、扫描系统、工艺室
