第3章 半导体制造

3.1 半导体制造工艺

3.1.1 半导体硅制备

半导体材料通常采用硅材料，半导体制造的第一个阶段是从石英砂（指含二氧化硅较多的河砂、海砂、风化砂等）中提纯半导体的原料。石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2，含量高达99%。

半导体硅的制备过程如下所述。

（1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅，其化学反应为：

SiO2 +C—→Si+CO2↑

（2）为了满足高纯度的需要，必须进一步提纯。把工业硅粉碎并在一个流化床反应器中用无水氯化氢（HCl）与之反应，生成拟溶解的三氯氢硅（SiHCl3）。其化学反应为：

Si+HC—→l SiHCl3 +H2↑

此反应温度为300℃，该反应是放热的，同时形成气态混合物（H2，HCl，SiHCl3，SiCl4，Si）。

（3）在步骤（2）中产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要过滤硅粉，冷凝SiHCl3和SiCl4，而气态H2、HCl返回到反应中或排放到大气中，然后分解冷凝物SiHCl3 和SiCl4，最后净化SiHCl3（多级精馏）。

（4）净化后的SiHCl3采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3 在H2 气氛中还原沉积而生成多晶硅。其化学反应为：

SiHCl3 +H2 —→Si+HCl

这样的硅纯度可达99.9999999%。

3.1.2 晶体生长

半导体硅片是从大块的半导体材料中切割出来的，这种半导体材料叫做晶棒或晶锭。晶体生长是把半导体级多晶硅块按一定的晶向转换成一块大的单晶硅锭，如图3-1所示。

通常使用三种方法进行晶体生长，分别为直拉法、液体掩盖直拉法和水平区熔法。

1.直拉法

绝大多数晶体的主流生产技术是直拉生长法。设备结构如图3-2所示，硅在石英坩埚中熔化，将籽晶浸入熔融体。籽晶是具有和所需晶体相同晶相的小晶体，在实际使用中，籽晶是一片片以前生长的单晶，并且可以重复使用，如图3-3所示为设备实物图。

如图3-4所示，籽晶按照一定的速度上拉，籽晶和坩埚分别按相反的方向旋转。籽晶和熔融体之间的表面张力使一层熔融体附着在籽晶上，然后冷却，在冷却过程中，熔化的半导体材料就形成籽晶一样的晶体结构。拉单晶时，环境气氛通常为氩气。

直拉法是应用最多的晶体生长法，既可以满足半导体生产企业对大晶圆的要求，又可以满足低价格的要求。

2.液体掩盖直拉法

液体掩盖直拉法主要用来生长砷化镓晶体。实质上它和标准的直拉法一样，由于熔融物里砷化镓易分解以及砷易挥发，因此进行了改进。

液体掩盖直拉法是在高压炉内，类似硅单晶炉，但耐高压，将化合物材料放于坩埚中，上面覆盖一层透明的惰性熔体，如B2 O3，将整个化合物熔体密封起来。再在惰性熔体上充以一定压力的惰性气体，用此来抑制化合物材料的分解和挥发。

3.水平区熔法

水平区熔法实验装置示意图如图3-5所示。熔区被限制在加热器加热的狭小范围内，绝大部分的原料处于固态。加热器从一端向另一端缓慢移动，熔区也缓慢移动，晶体逐渐生长。水平区熔法的主要用途在于材料的物理提纯。加热器不断地重复移动，杂质被逐渐赶到一边，原料从而得到提纯。硅单晶生长初期的提纯即采用此法。

晶体生长形成晶棒，单晶直径经历了2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸阶段，目前单晶直径已经达到18英寸（400 mm），制好的晶棒如图3-6所示。

3.1.3 硅片制造

1.截断

截断是指用切割机截掉头尾，如图3-7所示。

截断的目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度。

2.直径滚磨

由于晶圆制造过程有各种各样的晶圆固定器和自动设备，需要严格的直径控制以减少晶圆翘曲和破碎，而单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，因此需要通过外径滚磨获得较为精确的直径。

直径滚磨是在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作。滚磨机上装有金刚砂轮，经过滚动摩擦处理，就可以把直径不均匀的单晶硅变得均匀一致了。

3.晶体定向

由于单晶具有各向异性的特点，必须按特定晶向进行切割，才能达到生产的要求，减少碎片，因此切割前要进行晶体定向。

晶体定向是由X射线反射或平行反射来确定的。由于单晶体端面晶向的不同，其反射的图形也不同，根据图形就可以确定晶体的晶向。

4.制作硅片定位边

制作硅片定位边的主要用途如下所述。

（1）在自动化的硅片制造过程中起定位作用。

（2）标明硅片的晶向和导电类型，如P型或N型。一旦晶体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出一个参考面，如图3-8所示。这个参考面将会在每个晶圆上出现，叫做主参考面。

在许多晶体中，在边缘有第二个较小的参考面，称为次参考面，用来区别导电类型。主、次定位边的角度标示了硅片的类型，如图3-9所示。

5.切片

对于较小尺寸比如直径200 mm的晶棒，可采用带有金刚石切割边缘的内圆切割机进行切片。较大尺寸比如直径300 mm的晶棒，一般使用线锯切割，这样可以保证相对平整的表面和较少量的刀口损失。切片要求是：厚度达到要求；平整度好；无弯曲、缺损、裂缝等。

6.硅表面抛光

单晶硅经过切片和磨片之后，还需要抛光，形成光洁如镜面的硅片表面。化学机械抛光是必须经过的一道工序。化学机械抛光的原理是：在机械研磨硅片的同时发生化学腐蚀作用，将切片或磨片时形成的表面损伤层除去，使硅片表面光洁如镜。

化学机械抛光的方法主要有三种：铬离子抛光、铜离子抛光以及二氧化硅胶体抛光。

（1）铬离子化学机械抛光。铬离子抛光的原理是：三氧化二铬（Cr2 O3）颗粒小、硬度大、棱角锋利，用它做机械研磨的微粒。研磨后产生的机械损伤层随时被氧化剂重铬酸氨电离出来的重铬酸根离子腐蚀掉。既能达到抛光效果，又使硅片表面的晶格较为完整。化学腐蚀作用和研磨作用同时连续进行。

铬离子抛光既有机械抛光的平整度好、无橘皮状腐蚀坑等优点，又有化学抛光结构损伤较小的优点，而且速度快，成本低，是一种多快好省的抛光方法。

（2）铜离子化学机械抛光。铜离子Cu2+遇到硅原子就立即被还原为铜原子，而硅原子则氧化成硅离子Si4+，同时，硅离子和抛光液中氟离子生成溶于水的络合物（六氟硅酸铵），在硅片上生成的铜不断地由抛光布擦去。抛光液的pH值为5.8，即在酸性条件下抛光，pH值大于7时反应停止。

抛光液和硅片的反应速度很快，只要稍一停留，立刻便会腐蚀，因此取片时，不能在表面上留下抛光液，必须紧接着水抛，直至抛光液被全部冲去，再将片子取下。卸下硅片之后最好再用稀硝酸漂洗一次，可以防止硅片受到残余铜的污染。铜离子抛光的优点为：速度快，表面质量好。缺点是：工艺条件难控制，铜离子易在缺陷处沉积，影响器件质量的稳定性。

（3）二氧化硅胶体化学机械抛光。二氧化硅微粒分散在氢氧化钠的水溶液中，形成二氧化硅胶体。二氧化硅胶体中的氢氧化钠对硅有腐蚀作用，可以与硅生成硅酸钠溶于水中。二氧化硅胶粒对硅片产生机械摩擦，可除去硅片表面的突起物或损伤层。

二氧化硅胶体抛光的优点包括：

●胶体的颗粒直径比磨料的颗粒直径小一个数量级，且硬度与硅相当，因此它比用磨料的机械抛光表面损伤更小，抛光出的硅片表面具有高度的镜面光洁。

●不受材料导电类型和电阻率的影响。

缺点是：抛光速度慢，碱液对设备有腐蚀作用。

改进办法：硅片先经铬离子抛光去除研磨损伤层，再用二氧化硅胶体抛光去掉铬离子抛光的损伤层，最后用水抛直至碱性抛光液全部冲去。采取这些措施后，既提高了抛光速度，又提高了质量，从而可以使器件制作的成品率及优品率有明显的提高。

3.1.4 氧化

常温下，硅暴露在空气中表面就会生长出一层二氧化硅膜。硅是一种半导体材料，但二氧化硅却是一种绝缘材料。二氧化硅可以用来处理硅表面，做掺杂阻挡层、表面绝缘层及器件的绝缘部分，这些使得二氧化硅成为硅器件制造中最广泛应用的一种膜层。

用于半导体中的二氧化硅是高纯度的，必须经过特定的方法制成。在氧化剂并且逐步升温的条件下经过特定的方法，在光洁的硅片表面生成高纯度的二氧化硅，这种工艺过程叫热氧化工艺。

由于硅表面非常平整，生长在硅片的氧化物主要为层状结构，称为薄膜。硅片上生成薄膜，利用遮蔽工艺对薄膜修改，可以获得元件设计所需要的三维形状。

1.氧化膜

由于热生长的二氧化硅具有优良的介质特性，对于硅基半导体工艺很重要，是最普遍应用的膜材料。氧化层主要有以下几个方面的应用。

（1）器件的保护与隔离。硅片表面生长的二氧化硅可以作为阻挡层，用来隔离和保护灵敏器件。二氧化硅是一种坚硬致密的材料，可以保护硅片在制造工艺中免受划伤和损害。

（2）表面钝化。二氧化硅可以通过束缚硅的“悬挂键”从而降低它的表面态密度，这种效果叫表面钝化。表面钝化可以防止电性能退化，减小由潮湿、离子或其他外部污染物造成的漏电流。

（3）栅氧电介质。MOS技术中常用的栅氧结构，用极薄的氧化层作为介质材料。

（4）掺杂阻挡。掺杂是基本的半导体工艺。二氧化硅可以作为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层。硅表面形成二氧化硅，通过刻蚀形成窗口，掺杂材料可以通过此窗口进入硅片，在没有窗口的位置，二氧化硅起到保护的作用，避免杂质扩散，从而实现选择性杂质注入。

（5）表面绝缘。二氧化硅属于绝缘体，能够防止上下两层金属间的短路。

2.热氧化法

热氧化法是指硅与氧或水汽在高温下经过化学反应生成二氧化硅。热氧化的基本过程是硅与氧化剂之间经过化学反应生成二氧化硅。

根据氧化剂的不同，热氧化可分为干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化。

（1）干氧氧化。干氧氧化是指在高温下，氧气与硅反应生成二氧化硅。化学反应为：

Si+O2 =SiO2

氧化温度为9001200℃。

干氧氧化生成的二氧化硅，具有结构致密、干燥、均匀性和重复性好、掩蔽能力强以及光刻胶黏附性好等优点，因而也是一种很理想的钝化膜。目前制备高质量的二氧化硅薄膜，例如MOS管的栅氧化层等，基本上都采用这种方法。干氧氧化法的生长速率较慢，所以经常同湿氧氧化法相结合来生长二氧化硅。

（2）水汽氧化。水汽氧化指的是在高温下硅与高纯水产生的蒸汽反应生成二氧化硅。化学反应为：

Si+2H2 O（气）=SiO2 +2H2↑

在1200°C下，水分子的扩散速度比干氧氧化时氧气的扩散速度快几十倍，正因为这样，水汽氧化生成的二氧化硅质量较差，稳定性不太理想，对磷扩散的掩蔽能力不强。

（3）湿氧氧化。湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水的氧化。高纯水一般被加热到75°C左右，通过高纯水的氧气携带一定量的水蒸气，所以湿氧氧化的氧化剂既含有氧，又含有水汽。因此，二氧化硅的生长速率介于干氧氧化和水汽氧化之间。如果水汽含量很少，二氧化硅的生长速率和质量就越接近于干氧氧化的情况；反之，就越接近水汽氧化的情况。

在实际生产中，根据具体要求选择干氧氧化、水汽氧化或湿氧氧化。实际中大多采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式。这种氧化方式既保证了二氧化硅表面和硅-二氧化硅界面的质量，又解决了生长率的问题。

3.1.5 化学气相沉积

化学气相沉积CVD（Chemical Vapor Deposition）是指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸汽及反应所需其他气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备的。

化学气相淀积的特点为：淀积温度低，薄膜成分易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性、重复性好，台阶覆盖性优良。

化学气相淀积是把含有构成薄膜元素的气态反应剂引入反应室，在晶圆表面发生化学反应，从而生成所需的固态薄膜并淀积在其表面。

目前，在芯片制造过程中，大部分所需的薄膜材料，不论是导体、半导体，或是介电材料，都可以用化学气相淀积来制备，如二氧化硅膜、氮化硅膜、多晶硅膜等。它具有淀积温度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度与淀积时间成正比，均匀性与重复性好，台阶覆盖好，操作方便等优点。其中，淀积温度低和台阶覆盖好对超大规模集成电路的制造十分有利。因此是目前集成电路生产过程中最重要的薄膜淀积方法。目前常用的有常压化学气相淀积、低压化学气相淀积以及等离子体增强化学气相淀积等。

3.1.6 金属化

芯片金属化是应用化学或物理处理方法在芯片上沉积导电金属的过程。金属化对于不同的连接有不同的作用。

（1）互连（Interconnect）。是指由导电材料，如铝、铜制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分。

（2）接触（Contact）。是指硅芯片内的器件与第一金属层之间在硅表面的连接。

（3）通孔（Via）。是指穿过各种介质从某一金属层到相邻另一金属层形成电路通路的开口。

金属化对于金属材料有下面的要求：

（1）良好的电导率：必须具有高的电导率，良好的电流负载能力。

（2）良好的黏附性：能够黏附下层衬底，通常是二氧化硅。

（3）易于沉积：能够沉积出均匀的薄膜。

（4）易于光刻：可以被精致刻蚀出高分辨率的图形。

（5）可靠性好：可以经受住温度的变化，具有较好的延展性、抗机械应力及抗腐蚀性的特性。

3.1.7 光刻

1.光刻概述

光刻（Photo Etching）是指通过一系列的生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去而留下带有微图形结构薄膜的工艺。随着半导体技术的发展，光刻技术已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术，光刻技术成为一种精密的微细加工技术。

2.光刻胶

光刻胶（Photo Resist）又称光致抗蚀剂，是一种光照后能改变抗蚀能力的高分子化合物。一般光刻胶以液态涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固态。

光刻胶的作用是将光刻版上的图形转移到硅片表面的氧化层中，在后续工序中，保护下面的材料。

（1）光刻胶的物理特性参数包括：

●分辨率（Resolution）。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。

●对比度（Contrast）。指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。

●敏感度（Sensitivity）。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值（或最小曝光量）。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光（DUV）、极深紫外光（EUV）等尤为重要。

●黏度（Viscosity）。衡量光刻胶流动特性的参数。黏度随着光刻胶中的溶剂的减少而增加；高的黏度会产生厚的光刻胶；越小的黏度，就有越均匀的光刻胶厚度。

●黏附性（Adherence）。表征光刻胶黏着于衬底的强度。光刻胶的黏附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的黏附性必须经受住后续工艺（刻蚀、离子注入等）。

●抗蚀性（Anti-etching）。光刻胶必须保持它的黏附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面，具有耐热、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。

●表面张力（SurfaceTension）。液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖能力。

●存储和传送（Storage and Transmission）。能量（光和热）可以激活光刻胶，应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时，必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境，一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正胶会发生感光延迟。

（2）光刻胶的分类。曝光时，光刻胶的化学结构发生变化，根据变化不同分为正光刻胶和负光刻胶，如图3-10所示。

●正光刻胶。受光照部分发生降解反应，而且能为显影液所溶解，留下的非曝光部分的图形与掩模版一致。正光刻胶具有分辨率高、对驻波效应不敏感、曝光容限大、针孔密度低和无毒性等优点，适用于高集成度器件的生产。

●负光刻胶。受光照部分产生反应而成为不溶物，而非曝光部分被显影液溶解，获得的图形与掩模版图形互补。负光刻胶的附着力强、灵敏度高、显影条件要求不严，适用于低集成度器件的生产。

3.光刻工艺

一般的光刻工艺要经历旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影、坚膜等工序，如图3-11所示。

（1）旋转涂胶。首先硅片转速从0提高到2000 r/min；加上胶后再提高到（30007000）r/min，整个工序持续时间为40秒到1分钟。胶膜厚度除与光刻胶液本身的黏度有关外，还与旋转速度密切相关：它与转速的平方根成反比，转速大，胶膜薄，厚度均匀，性能理想。

有时为了使光刻胶和表面黏附好，对硅表面进行处理。将硅片先置于加热环境中数分钟，使硅片表面水分蒸发，即去水烘烤；随后再涂上一层使胶和硅片增加附着能力的化合物六甲基乙硅醚。

（2）前烘。前烘就是在一定的温度下，使胶膜里面的溶剂缓慢充分地逸出来，使胶膜干燥，增加它的黏附性和耐磨性。

前烘是在涂胶结束后进行的，它的作用有以下几个方面：

●驱赶胶中的溶剂。

●提高胶对衬底的黏附性。

●提高胶的抗腐蚀能力。

●优化胶的光学吸收特性。

●提高涂胶的均匀性。

●提高条宽控制能力。

前烘的时间、温度随胶的种类及膜厚的不同而有所不同，必须选择合适。温度过高会引起抗蚀剂的热交联，在显影时留下底膜，或者增感剂升华挥发使灵敏度下降；前烘温度过低或时间过短，抗蚀剂中的有机溶剂不能充分逸出，残留溶剂分子会妨碍光交联反应，造成针孔密度增加、浮胶或图形变形等现象。同时也不能骤热，以免引起表面发泡，产生针孔或图形缺乏均匀性，甚至在显影和腐蚀时脱落。所以，前烘时用红外灯烘焙，使胶的干燥从里到外，以获得良好的前烘效果。

（3）曝光。曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性的光化学反应，改变曝光部分的光刻胶在显影液中的溶解性，经显影后在光刻胶膜上得到和掩模相对应的图形。

常用的曝光方式有接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光。其区别在于曝光时掩模与晶片间是贴紧的还是分开的。

●接触式曝光。接触式光刻技术中，涂有光刻胶的硅片与掩模版直接接触。由于光刻胶和掩模版之间紧密接触，因此可以得到比较高的分辨率。接触式曝光的主要问题是容易损伤掩模版和光刻胶。当掩模版与硅片接触和对准时，硅片上很小的灰尘就可能在掩模版上造成损伤，这样在今后所有利用这块掩模版进行曝光的硅片上都会出现这个缺陷，影响成品率和掩模版寿命，对准精度的提高也受到较多的限制。一般认为，接触式曝光只适用于分立元件和中、小规模集成电路的生产。

●接近式曝光。接近式曝光与接触式曝光相似，只是在曝光时硅片和掩模版之间保留有很小的间隙，这个间隙一般在10～25μm之间，此间隙可以大大减小对掩模版的损伤。接近式曝光的分辨率较低，一般在2～4 μm之间，因此接近式光刻机只能装配在特征尺寸较大的集成电路生产线中。接触或接近式光刻机的主要优点是生产效率较高。

●投影式曝光。投影式曝光是利用透镜或反射镜将掩模版上的图形投影到衬底上的曝光方法。在这种曝光方法中，由于掩模版与硅片之间的距离较远，可以完全避免对掩模版的损伤。为了提高分辨率，在投影式曝光中，每次只曝光硅片的一小部分，然后利用扫描和分步重复的方法完成整个硅片的曝光。在现代集成电路工艺中，使用最多的光刻系统是分步投影光刻机。

（4）显影。显影是在硅片表面光刻胶中形成图形的工艺。光刻胶中可溶解的区域被化学显影机溶解，将可见的图形留在硅片表面。通常的显影过程为：显影液喷洒（使显影液覆盖整个硅片表面）、静置显影和冲水清洗。

影响显影速率的主要因素有：显影液的温度、硅片的温度、显影液的当量浓度和显影方式。

（5）坚膜。坚膜是指显影后的热烘。坚膜的作用包括：

●完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免污染后续的离子注入的环境）。

●提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力。

●进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性。

坚膜的过程中如果烘烤不足，则会减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力），降低针孔填充能力，降低与基底的黏附能力。如果烘烤过度，则会引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。

3.1.8 掺杂

所谓掺杂就是将可控数量的所需杂质掺入晶圆中的特定区域内，从而改变半导体的电学性能。利用掺杂工艺，可以制作PN结、晶体管的源漏区、电阻、欧姆接触等，这些是制造大规模集成电路的基础。

扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要工艺。两者都被用来制作分立器件与集成电路，互补不足，相得益彰。扩散是较早时期采用的掺杂工艺，并沿用至今，而离子注入是20世纪60年代发展起来的一种在很多方面都优于扩散的掺杂工艺。离子注入工艺大大推动了集成电路的发展，使集成电路的生产进入超大规模时代，是应用最广泛的主流掺杂工艺。

1.扩散

扩散是利用掺杂剂的气相淀积，将掺杂物的原子置于半导体表面或表面附近，在高温下使其向硅体内运动。从物理机理上讲，它是微观离子、原子、分子等极为普遍的热运动形式。

扩散工艺的目的是使待扩散的杂质与硅片接触，在一定的温度和时间下保证扩散的发生。扩散是在高温扩散炉中发生的，高温扩散炉的主要用途是对半导体进行掺杂，即在高温条件下将掺杂材料扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。

2.离子注入

离子注入的方法就是在真空中、低温下，把杂质离子加速，获得很大动能的杂质离子即可以直接进入半导体中；入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。同时也会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷。

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。退火可使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用，消除晶格缺陷。

离子注入的杂质浓度分布一般呈现为高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处，如图3-12所示。

与热扩散掺杂相比，离子注入掺杂的优点是：掺杂温度较低；掺杂浓度可控；掺杂区清晰；能实现大面积均匀掺杂；可在半导体内形成各种复杂的结构。离子注入掺杂正在替代热扩散掺杂，成为大规模和超大规模集成电路中的一项重要掺杂技术。

离子注入是在一种叫做离子注入机的设备上进行的，一般都由以下几个主要部分组成，如图3-13所示。

（1）离子源。用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头。

（2）加速器。对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量。

（3）离子束的质量分析（离子种类的选择）。

（4）离子束的约束与控制。

（5）靶室。

（6）真空系统。

3.1.9 化学清洗

在半导体器件生产中，化学清洗是利用各种化学试剂和有机溶剂清除附着在物体表面上的杂质的方法。在半导体行业，化学清洗是指清除吸附在半导体、金属材料以及用具表面上的各种有害杂质或油污的工艺过程。

化学清洗是十分重要的，在整个半导体器件生产过程中，几乎每道工序都有化学清洗，它将直接关系到器件的质量。化学清洗主要包括：硅片表面的清洗、生成过程中使用的金属材料的清洗以及工具和器皿的清洗。

在超大型集成电路制程中，晶圆清洗技术及洁净度是影响晶圆制程优良率、品质及可靠度最重要的因素之一。据统计，在标准的集成电路制造工艺中，仅涉及晶圆清洗和表面预处理的工艺步骤就有100步之多，可以说晶圆清洗的好坏直接制约了集成电路加工的水平。随着生产的发展，对半导体器件的性能、可靠性和稳定性的要求越来越高，如何使半导体表面的沾污减小到最小程度，一直是半导体器件生产中的一个重要课题。因此，搞清楚化学清洗的作用和原理，对从事半导体器件生产的人有着重要的意义。

制造器件的单晶硅片一般都必须经过切割、磨片、抛光三个步骤。单晶硅片制成半导体器件，需经过氧化、扩散、光刻、封装等工艺过程，有些工艺要反复多次，有时需要60多道工艺过程，这些工艺过程都会引入一些杂质。几乎所有工作环境和工艺操作都可能造成硅片表面的沾污，所以现代半导体器件生产普遍采用超净车间或超净工作台，并采用超纯或高纯化学试剂、高纯水，对硅片、生产用具、金属材料等进行严格的化学清洗。

1.沾污在硅片表面的杂质类型

硅片表面沾污的杂质是多种多样的，归纳起来可分为分子、离子和原子三种类型。

以分子形式吸附在硅片表面上的杂质包括：在切、磨、抛中引入的油脂和黏合剂，操作者手上的油脂，光刻胶以及有机溶剂的残渣等。

（1）分子型杂质吸附。分子型杂质大多是不溶于水的有机物，当它们吸附在硅片表面时，硅片表面呈现疏水性，从而妨碍了去离子水或酸、碱溶液与硅片表面接触，因此无法进行有效的化学清洗。

（2）离子型杂质吸附。以离子形式吸附在硅片表面的杂质有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、H+、OH-、F-、Cl-、S2-等。这类杂质的来源很广，像磨料（SiC、Al2 O3 等）和抛光料（如MgO、SiO2、Cr2 O3等）中的金属氧化物、空气、生产用品和生产设备、化学药品、纯度不高的去离子水、自来水以及操作者呼出的气体、汗液等都是离子型杂质的来源。离子型杂质吸附多属于化学吸附，由于化学吸附力较强，所以对离子型杂质的清除较分子型杂质难得多。

（3）原子型杂质吸附。原子型杂质主要是指铜、银、金等重金属。这些金属原子一般是来自于酸性的腐蚀液，通过置换反应将这些重金属离子（如Cu2+、Ag+、Au2+等）还原成原子吸附在硅片表面上。原子型杂质吸附和离子型杂质吸附一样，同属于化学吸附范畴，其吸附力最强，难以清除。如金、铂等重金属原子不易和一般酸、碱溶液起化学反应，因此必须用王水之类的化学反应性试剂，使之形成络合物并溶于溶剂水中，然后用高纯水冲洗除去。

2.硅片清洗的一般步骤

清洗硅片时，首先应去除覆盖在表面上的一层疏水性的有机物，因为它对清除离子型和原子型杂质有阻碍作用。清洗这些有机杂质可用四氯化碳、三氯乙烯、甲苯、丙酮、无水乙醇等有机溶剂，也可采用浓硫酸碳化、硝酸或碱性过氧化氢洗液氧化等方法去除。

离子型和原子型吸附的杂质都属于化学吸附，其吸附力都较强，因此一般都采用反应性试剂去除，如先用盐酸、硫酸、硝酸或碱性过氧化氢洗液以清洗掉离子型吸附杂质，然后再用王水或酸性过氧化氢清洗掉残存的离子型杂质及原子型杂质，最后用高纯水将硅片冲洗干净。选用清洗液应遵守的一般原则是：在保证质量的前提下，选用无毒、经济、操作方便的化学试剂。综上所述，清洗硅片的一般步骤为：去油→去离子→去原子→高纯水清洗。

3.清洗工艺的安全操作

清洗用的化学试剂，有的易燃、易爆，有的有毒性，有的对人体有很强的腐蚀性，因此必须注意安全操作。

选用有机溶剂有三点要求：第一，闪点较高；第二，爆炸极限范围小；第三，毒性小。

易燃液体的蒸气和空气混合后，与火焰接触时发生闪光的最低温度称为闪点。闪点越低，越易燃。有机物和水分子在结构上有很大差异，所以它们在水中很难溶解。

4.影响硅片清洗质量的因素

硅片清洁质量高的标准是：硅片表面平整光亮，晶体无损坏，硅片表面无有害杂质的沾污。

影响硅片清洗质量的因素较多，如化学试剂的纯度、水的质量、生产用具表面清洁度、空气是否净化、清洗方法和物理措施是否得当、硅片保护等。

5.纯水制备

在天然水、自来水和蒸馏水中都含有大量的杂质离子，还含有各种可溶性气体和不溶性的细菌、藻类、原生物、泥沙等物质以及胶体物质和有机物质。若用自来水清洗硅片等半导体材料，这些有害杂质将吸附在硅片表面上，使硅片沾污。当对硅片进行外延、扩散等处理时，它们也随之进入硅片内部，严重影响器件的性能。因此，半导体工艺中的清洗用水必须先去掉各种杂质。

纯水又称去离子水，即去掉阴、阳离子和有机物等杂质的水。

一般的纯水因存在着较大的颗粒和悬浮生物而不能满足大规模集成电路工艺需要，提出了制备超纯水的要求。将纯水在惰性气体保护下经化学处理、蒸馏、膜滤及紫外光照射杀菌等方法处理后，便可获得超纯水。