晶圆蚀刻扩散工艺流程

晶圆蚀刻与扩散是半导体制造中两个关键工艺步骤，分别用于图形化蚀刻和杂质掺杂。以下是两者的工艺流程、原理及技术要点的详细介绍：

一、晶圆蚀刻工艺流程

1. 蚀刻的目的

• 图形化转移：将光刻胶图案转移到晶圆表面，形成所需的电路或结构（如金属线、介质层、硅槽等）。
• 材料去除：通过化学或物理方法选择性去除暴露的薄膜或衬底。

2. 蚀刻分类

• 干法蚀刻：依赖等离子体或离子束（如ICP、RIE）。
• 湿法蚀刻：使用化学腐蚀液（如HF、KOH）。

3. 典型干法蚀刻流程（以ICP为例）

步骤1：装片与预处理

• 将晶圆装载至蚀刻机腔室，抽真空至高真空状态（<10 mTorr）。
• 预热：通过低温等离子体（如O₂）清洁表面有机物或氧化层。

步骤2：气体通入与等离子体生成

• 蚀刻气体：根据目标材料选择气体组合：
  • SiO₂：CF₄/CHF₃（氟基气体）。
  • Si：Cl₂/HBr（氯基或溴基气体）。
  • 金属（如Al、Cu）：Cl₂/BCl₃。
• 辅助气体：Ar（物理轰击）、O₂（促进氧化）。
• 等离子体激发：通过射频（RF）电场产生高密度等离子体。

步骤3：偏压控制与蚀刻

• 偏压功率：施加高频（如13.56 MHz）偏压，加速离子垂直轰击晶圆表面，实现各向异性蚀刻。
• 温度控制：通过He冷却或加热（10-50℃）维持反应稳定性。

步骤4：终点检测（Endpoint Detection）

• 光学发射光谱（OES）：监测特征谱线强度变化（如Si的特征峰消失）。
• 射频信号监测：检测等离子体阻抗变化。

步骤5：清洗与卸片

• 原位清洗：通入O₂等离子体去除残留聚合物。
• 卸片：恢复常压后取出晶圆，进行后续清洗。

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二、晶圆扩散工艺流程

1. 扩散的目的

• 掺杂引入：通过高温扩散工艺将杂质（如硼、磷）引入硅片特定区域，形成PN结或电阻层。
• 浓度梯度控制：精确控制杂质分布，实现器件电学性能设计。

2. 扩散类型

• 预沉积（Pre-diffusion）：通过薄膜沉积（如LPCVD）在晶圆表面形成掺杂源。
• 驱动扩散（Drive-in）：高温下推动杂质从表面向内部扩散，形成深度梯度。

3. 典型扩散流程（以硼扩散为例）

步骤1：表面准备

• 清洗：使用RCA标准清洗（SC-1、SC-2液）去除有机物和氧化层。
• 氧化层生长：通过湿法氧化（H₂O₂ + H₂SO₄）生长薄层SiO₂（作为扩散掩模）。

步骤2：掺杂源沉积

• 涂覆掺杂剂：
  • 液态源：涂覆硼酸（H₃BO₃）溶液，烘干后形成固体薄膜。
  • 气态源：通过CVD（化学气相沉积）通入BCl₃气体，分解生成硼原子。

步骤3：预沉积扩散

• 低温扩散：在N₂环境中，700-900℃下使硼原子进入硅片表面（深度约100 nm）。
• 掩模作用：SiO₂层阻止硼扩散，未被掩蔽区域形成高浓度掺杂区。

步骤4：驱动扩散（可选）

• 高温推进：在惰性气体（Ar）中升温至1100-1200℃，推动硼原子向硅片内部扩散，形成更深结深（如1-2 μm）。
• 浓度梯度控制：通过时间调控实现杂质分布均匀化。

步骤5：退火与检测

• 退火处理：N₂环境下快速退火（RTP），修复晶格损伤。
• 检测：四探针测试方块电阻，椭偏仪测量结深。