摘要
集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，使一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件在结构上组成一个整体，因而电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。集成电路的制造离不开半导体工业，当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。30余年来，集成电路的制造技术获得了飞速的发展，其工艺技术不断进步，形成了当代高科技研究的一个重要领域。 关键词 集成电路；半导体；硅
ABSTRACT
Integrated circuits is a miniature electronic devices or components. By a certain technology, make a circuit of the transistor, diodes, the resistance, capacitance and inductance components on the structure of a whole, so that electronic components to micro miniaturization, low power consumption and high reliability take a big step. Integrated circuit
manufacturing cannot leave the semiconductor industry, the semiconductor industry is based on the most applications silicon integrated circuits. More than 30 years, and integrated circuit manufacturing technology has experienced rapid development, its technology advances, high-tech research formed one of the important fields.
Key words integrated circuit; semiconductor;silicon
引言
集成电路的出现，一定程度上预示着半导体工业走向成熟并走向产业化；预示着半导体技术开始向微电子技术方面演变。集成电路的设计与制造技术的发展使世人刮目相看，著名的摩尔定律就成功地预测了集成电路的集成度将以每一年半翻一翻的增长率变化，而表征功能的综合指标也会相应地提高一倍。当今，已经进入电子仪器发展的第四代：即大规模集成电路和超大规模集成电路的发展阶段。集成电路的制造离不开半导体工业，而半导体硅单晶一直被视为半导体工业最重要的材料。本文将对集成电路的制造工艺的发展、现状、前景及各工艺技术做简单的论述。
1、集成电路制造工艺的发展历史及现状
电子器件的发展，经历了电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路四个阶段。集成电路以极快的速度经历了小规模集成电路（简称为SSI-Small Scale Integrate）、大规模集成电路(简称为LSI-Large Scale Integrate)、超大规模集成电路(简称为VLSI-Very Large Scale Integrate)、特大规模集成电路(简称为ULSI-Ultra Large Scale Integrate)等若干发展阶段。同时集成电路的制造工艺也在迅速的发展。随着结型晶体管的诞生，R Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺。之后1年，场效应晶体管诞生。随后，C S Fuller发明了扩散工艺，H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺。到1971年，Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现。又过7年，64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临。之后从1989年到2009年集成电路就制造工艺水准上讲，不断的成长和进步，从开始的1μm工艺发展到如今的32纳米工艺，且下一代清水植物黑发22纳米工艺正在研发。其特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.13μm工艺， Intel目前将大部分芯片生产转换到0.09 μm。
综观其发展历程，由四十年代末的合金工艺原理到五十年代初的合金扩散工艺原理，又由于硅平面工艺的出现而发展为硅平面工艺原理、继而发展为硅外延平面工艺原理，硅外延
平面工艺是集成电路制造的基础工艺；在制造分离器件和集成电路时，为提高器件和集成电路的可靠性、稳定性，引入了若干有实效的保护器件表面的工艺，则加入了表面钝化工艺原理的内容；在制造集成电路时，为实现集成电路中各元器件间的电性隔离，引入了隔离墙的制造，则又加入了隔离工艺原理的内容。 2、集成电路制造工艺技术简述
集成电路工艺技术主要包括衬底制备工艺、薄膜制备工艺、掺杂工艺、微细图形加工工艺、隔离及表面钝化工艺。
（1）衬底制备工艺
任何集成电路的制造都离不开衬底材料单晶硅。制备单晶硅有两种方法：悬浮区熔法和直拉法。单晶硅的加工又包括切片、磨片和抛光三个工艺。硅单晶体的切割决定了所切出的硅单晶片的晶向、晶片厚度、晶片平行度和晶片翘度；硅单晶片的研磨可去除切片造成的刀痕、调节硅单晶片的厚度、提高硅单晶片的平行度和改善硅单晶片的平整度；硅单晶片的抛光主要是去除磨片造成的与磨料粒度相当的损伤层，以获得高洁净的、无损伤的、平整光滑的硅单晶片的镜面表面。
（2） 薄膜制备工艺
薄膜制备工艺技术主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发) 等。
外延是指在单晶衬底上、按衬底晶向生长单晶薄膜；外延工艺是在20世纪60年代初发展起来的一种极其重要的技术。外延工艺的主要优势在于可以精确控制外延层中的掺杂，且器件和电路制作在外延层上，可根据需要控制外延层的材料组分、厚度、导电类型、电阻率（即掺杂浓度）等，不依赖于衬底。
氧化是指在衬底（硅片）表面制备一层二氧化硅膜的过程；氧化工艺是制备二氧化硅膜的工艺；从工艺看，有热生长氧化工艺、低温淀积氧化工艺以及其它氧化工艺；不同的氧化工艺方法所制备的二氧化硅膜的质量不同，而二氧化硅膜的质量将影响其掩蔽扩散的能力、将影响器件的可靠性和稳定性、将影响器件的电性能、将对器件的制造工艺有影响。其常见的方法有热生长氧化（热氧化）法和热分解淀积氧化（低温淀积、低温氧化）法。
化学气相淀积(CVD)是一种常用的化学淀积工艺，是一个从气相向衬底沉积薄膜的过程。
该工艺通过化学反应的方式，在反应室内将反应的固态生成物淀积到硅片表面，形成所需要的薄膜。CVD具有非常好的台阶覆盖能力，并且对衬底的损伤很小，因此在集成电路制造中的地位越来越重要。工艺上常用的化学气相淀积方法有常压介质CVD、低压CVD升降式晾衣架、等离子体增强CVD、金属CVD。
物理气相淀积主要是一种物理制造过程而非化学制造过程。此技术一般使用氩等钝气体，在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后，可将靶材原子一个个得溅击出来，并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）如雪片般沉积在晶圆表面。 PVD以真空、溅射、离子化或离子束等方法使纯金属挥发，与碳化氢、氮气等气体作用，加热至防水牛津布400彩钢板屋顶～600℃（约1～3小时）后，蒸镀碳化物、氮化物、氧化物及硼化物等1苦茶粉～10μm厚之微细粒状薄膜。
（3）掺杂工艺
掺杂是指将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中的规定区域，以达到改变材料导电类型或电学性质的过程。在半导体制造中主要的掺杂方法热扩散掺杂和离子注入掺杂。 热扩散掺杂是指利用分子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高的杂质源向体硅中扩散并形成一定的分布。
热扩散通常分两个步骤进行：预淀积和再分布。预淀积是指在高温下，利用杂质源，如硼源、磷源等，对硅片上的掺杂窗口进行扩散，在窗口处形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层。这是一种恒定表面源的扩散过程。再分布是限定表面源的扩散过程，是利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源，在高温下将这层杂质向体硅内扩散的过程，通常再分布的时间较长，通过再分布，可以在硅衬底上形成一定的杂质分布和结深。
但是热扩散掺杂工艺具有一个很明显的缺点就是不能精确控制杂质的浓度，从而所生产出来的电路会与所设计的电路有一定的差别。
随着半导体尺寸的缩小，精度的控制要求越来越严格，大多数工艺已经采用全离子注入工艺来替代热扩散掺杂以获得精确的浓度。
离子注入是通过高能量的离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被注入到体硅内，而在其它不需掺杂的区域，杂质离子被硅表面的保护层屏蔽，从而完成选择性掺杂。
在离子注入过程中，电离的杂质离子经静电场加速打到硅片表面，通过测量离子电流可严格控制注入剂量。注入工艺所用的剂量范围很大，且通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度，典型的离子能量范围为5~200keV。
通常离子注入的深度较浅且浓度较大，必须进行退火和再分布工艺。由于离子进入硅晶体后，会给晶格带来大范围的损伤，为了恢复这些晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理，根据注入的杂质数量不同，退火温度一般在450~950℃之间。在退火的同时，杂质在硅体内进行再分布，如果需要还可以进行后续的高温处理以获得所需的结深。
（4）微细图形加工工艺
图形加工工艺即图形转换，包括光刻与刻蚀工艺。
光刻是集成电路制造过程中最复杂和关键的工艺之一。光刻工艺利用光敏的抗蚀涂层（光刻胶）发生光化学反应，结合刻蚀的方法把掩模版图形复制到圆硅片上，为后序的掺杂、薄膜等工艺做好准备。在芯片的制造过程中，会多次反复使用光刻工艺。现在，为了制造电子器件要采用多达24次光刻和多于250次的单独工艺步骤，使得芯片生产时间长达一个月之久。目前光刻已占到总的制造成本的1/3以上，并且还在继续提高。
光刻的主要工艺步骤包括气相成底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜烘焙、腐蚀、去胶。第一步为光刻前的准备工作，该工艺步骤要求达到的目的是使衬底片表面具有干燥、疏水特性，第二步为涂胶工艺，该工艺步骤要求达到的目的是在衬底片表面涂敷一层粘附性良好的、厚度均匀的、致密的连续性胶膜，第三步为前烘工艺，该工艺步骤要求达到的目的是使胶膜中的溶剂全部挥发、胶膜保持干燥、以利于光化反应时反应充分。第四步为曝光工艺，该工艺步骤要求达到的目的是使感光区的胶膜发生光化反应、在显影时发生溶变，第五步为显影工艺，该工艺步骤要求达到的目的是在显影液中、溶除要求去掉的胶膜部分。第六步为坚膜工艺，该工艺步骤要求达到的目的是去除在显影过程中进入胶膜中的水分（显影液）、 使 二维液相谱保留的胶膜与衬底表面牢固的粘附，第七步为腐蚀工艺，该工艺步骤要求达到的目的是去除衬底表面无胶膜保护的薄膜层，第八步为去胶工艺， 该工艺步骤要求达到的目的是去除腐蚀时起保护作用的胶膜。
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