常见的加工工艺有四种类型,分别是图形化技术(光刻)、掺杂技术、镀膜技术和刻蚀技术。具体工艺包括光刻(lithography)、离子注入(ion implantation)、快速退火(rapid thermal process,RTP),等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、溅射(sputtering)、干法刻蚀和湿法腐蚀等。
二、掺杂技术
掺杂技术在半导体技术里也是不可或缺的,它可以根据需要改变半导体材料的电学特性。常见的掺杂方式一般有两种,分别是热扩散和离子注入。
行业中常采用了离子注入的掺杂方式,涉及离子注入和RTP两种工艺。
1. 离子注入
离子注入是利用高能离子直接轰击半导体基片实现掺杂的。与热扩散相比,离子注入有着诸多优点。待注入的离子是利用质量分析器筛选的,确保了高掺杂纯度。在整个注入过程,基片一般保持室温或稍高一点的温度,可选用的掩蔽膜有很多,如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)和光刻胶等,这使自对准掩蔽技术具有很高的灵活性。
离子注入的剂量可精确控制,注入后杂质离子在同一平面内的分布十分均匀,注入结果的重复性也很高。
离子注入的深度由注入离子的能量决定,通过控制离子的能量和剂量,可操控注入后杂质离子在基片中的分布,还可以连续多次地实施不同方案的注入,借此获得各种形态的杂质分布。值得注意的是,在基片是单晶的情况下,若离子注入的方向与基片的晶向平行,将出现沟道效应,即一部分离子会顺着沟道运动,注入深度会变得难以控制,为避免沟道效应的出现,通常使单晶基片的主轴方向偏离注入方向7°左右,或在基片表面覆盖一层无定形介质层。
虽然离子注入有许多优点,但也不可避免地存在缺点,比如对基片的晶体结构损伤较为严重。高能量的离子注入到基片内部后,通过碰撞将能量传递给基片原子核及其电子,使其脱离晶格束缚进入间隙,从而形成间隙一空位缺陷对。损伤严重时,基片晶体中某些区域的结构可能遭到彻底的破坏而变成无序的非晶区。晶格损伤对半导体材料的电学性质影响极大,如降低载流子迁移率,减少非平衡载流子的寿命等。最重要的是,注入的杂质绝大多数都处在不规则的间隙位置,无法形成有效掺杂。因此,离子注入后必须修复晶格损伤与电激活杂质。
2. 快速退火(RTP)
热退火是最有效的修复离子注入带来的晶格损伤和电激活杂质的方法。在高温下,基片晶体里的间隙——空位缺陷对会因复合而消失;非晶区也会从与单晶区的交界面开始,以固相外延的方式重结晶。为防止基片材料在高温下被氧化,热退火过程需要在真空或惰性气体环境下进行。
传统热退火所需时间较长,会导致杂质扩散严重而形成再分布。RTP工艺的出现解决了这一问题,它可在缩短退火时间的前提下很大程度地完成晶格损伤的修复与杂质的电激活。
根据热源的不同,RTP分为以下几种类型:扫描电子束、脉冲电子東与离子束、脉冲激光、连续波激光与宽带非相干光源(卤灯、石墨加热器、电弧灯)等,其中宽带非相干光源的应用最为广泛。它们都可以在刹那间将基片加热到所需温度,在短时间内完成退火,有效地降低了杂质的扩散程度。