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第2章 半导体芯片制造工艺与设备 1
2.1 概述 1
2.2薄膜生成工艺 5
2.2.1薄膜生成方法 5
2.2.2氧化工艺 6
2.2.3淀积工艺 7
2.3图形转移工艺 10
2.3.1 图形化工艺方法 10
2.3.2光刻工艺 11
2.3.3 刻蚀工艺 16
2.4参杂工艺 17
2.4.1扩散 17
2.4.2离子注入 18
2.5其他辅助工艺 19
2.5.1热处理工艺 19
2.5.2清洗工艺 21
2.5.3 CMP 22
2.6 半导体芯片制造工艺设备 23
2.6.1半导体芯片制造工艺设备分类 23
2.6.2 半导体制造的关键设备 错误！未定义书签。

第2章 半导体芯片制造工艺与设备
2.1 概述
1. 固态半导体芯片的制造过程
半导体芯片的种类及结构形式有多种多样, 可是制造过程基本相同。以固态半导体芯片的制造过程为例, 固态半导体器件制造大致经历5个阶段: 材料准备、 晶体生长和晶圆准备、 晶圆制造和分选、 封装、 终测。
这五个阶段是独立的, 分别作为半导体芯片制造的工艺过程, 一般由不同的企业独立完成。
( 1) 材料准备
材料准备是指半导体材料的开采并根据半导体标准进行提纯。硅以沙子为原料, 沙子经过转化可成为具有多晶硅结构的纯净硅。
( 2) 晶体生长和晶圆准备
在固态半导体器件制造的第二个阶段, 材料首先形成带有特殊的电子和结构参数的晶体。之后, 在晶体生长和晶圆准备工艺中, 晶体被切割成被称为硅片( 一般也被称为晶圆) 的薄片, 并进行表面处理。如图2.1所示, 第二阶段工艺过程分为十个步骤: 单晶生长、 生成单晶硅锭、 单晶硅锭去头和径向研磨、 定位边研磨、 硅片切割、 倒角、 粘片、 硅片刻蚀、 抛光、 硅片检查。

图2.1 晶体生长和晶圆准备
晶体生长和晶圆准备设备包括单晶硅制造设备、 圆片整形加工研磨设备、 切片设备、 取片设备、 磨片倒角设备、 刻蚀设备、 抛光设备、 清洗和各种检验设备等, 最后是包装设备。
( 3) 晶圆制造
第三个阶段是晶圆制造, 也叫集成电路的制造或芯片制造, 也就是在硅片表面上形成器件或集成电路。在每个晶圆上能够形成数以千计的同样器件。在晶圆上由分立器件或集成电路占据的区域称为芯片。在封装之前还需要对晶圆上的每个芯片做测试, 对失效芯片做出标记。
( 4) 封装、 测试
后面两个阶段是封装和测试。封装是经过一系列的过程把晶圆上的芯片分割开, 然后将它们封装起来。最后对每个封装好的芯片做测试, 并剔除不良品, 或分成等级。
从载有集成电路的晶圆到封装好的芯片, 这一过程一般称为集成电路的后道制造, 需要经过的工序大致包括: 晶圆测试, 晶圆减薄和划片, 贴片与键合, 芯片封装, 成品芯片测试等工艺过程。半导体芯片的封装、 测试工艺过程及设备使用将在本书第3章做详细介绍。
2.晶圆制造工艺过程
半导体芯片制造即晶圆制造是一个非常复杂的过程。在半导体制造工艺中COMS技术具有代表性, 我们以COMS工艺为例说明半导体制造的基本流程。图2.2为COMS工艺流程中的主要制造步骤, 基本工艺过程包括硅片氧化工艺、 在氧化硅表面涂敷光刻胶、 使用紫外光曝光、 曝光后显影露出氧化硅表面、 刻蚀氧化硅表面、 去除未曝光的光刻胶、 形成栅氧化硅、 多晶硅淀积、 多晶硅光刻及刻蚀、 离子注入、 形成有源区、 氮化硅淀积、 接触刻蚀、 金属淀积与刻蚀。

图2.2 COMS工艺流程中的主要制造步骤
大批量的芯片生产一般是在晶圆制造厂中集中加工制造的。如图2.3所示, 硅片的制造分为6个独立的生产区域: 扩散( 包括氧化、 淀积和掺杂工艺) 、 光刻、 刻蚀、 薄膜、 离子注入和抛光。

图2.3 亚微米COMS IC制造厂典型的硅片流程模型
从图2.3我们能够看出半导体制造的主要工艺是在多次重复进行”形成薄膜”、 ”光刻”、 ”刻蚀”、 ”扩散”、 ”注入”和”抛光”等工艺, 在重复进行的工艺之间穿插”清洗、 热处理、 工艺检测”等工艺。
( 1) 扩散 扩散一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散的主要设备是高温
扩散炉和湿法清洗设备。
( 2) 光刻 光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一种光敏的化学物质, 它经过深紫外线( 或极紫外线) 曝光来印制掩模板的图像。涂胶和显影设备是用来完成光刻的一系列工具的组合。光刻过程包括预处理、 涂胶、 甩胶、 烘干, 然后用机械臂将涂胶的硅片送入光刻机。以步进式光刻机为例, 在进行硅片和掩模板的对准、 聚焦后, 步进式光刻机先曝光硅片上的一小片面积, 随后步进到硅片的下一区域并重复这一过程。
( 3) 刻蚀 刻蚀是在没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀工艺一般使用等离子体刻蚀机、 等离子体去胶机和湿法清洗设备。现在主要使用干法等离子体刻蚀工艺。
( 4) 离子注入 离子注入是亚微米工艺中最常见的掺杂方法。将要掺入的杂质, 如砷
(As)、 磷( P) 、 硼( B) 注入离子注入机, 经过电离, 再由高电压或磁场控制并加速, 高能杂质离子穿透涂胶硅片的表面, 最后进行去胶和清洗硅片完成离子注入。
( 5) 薄膜生长 薄膜生长工艺用来加工出半导体中的介质层、 金属层。薄膜工艺包括化学气相淀积( CVD) 和金属溅射( 物理气相淀积, PVD) 。薄膜产生后需要使用快速退火装置( RPT) 修复离子注入引入的衬底损伤, 以及完成金属的合金化。最后使用湿法清洗设备进行硅片清洗。
( 6) 抛光 CMP( 化学机械平坦化) 工艺用于硅片表面的平坦化。CMP用化学腐蚀
与机械研磨相结合, 以去除硅片表面的凹凸不平。主要设备是抛光机, 辅助设备包括刷片机、 清洗装置和测量工具。
尽管半导体制造工艺非常复杂, 可是产业界一般将这些复杂的工艺过程归纳为加法工艺、 减法工艺、 图形转移工艺及辅助工艺等工艺过程。
加法工艺。包括掺杂和薄膜工艺, 使用设备主要有扩散炉、 离子注入机和退火炉。薄膜工艺包含氧化、 化学气相淀积、 溅射和外延, 使用设备包括氧化炉、 CVD反应炉、 溅射镀膜机和外延设备。掺杂工艺中有扩散和离子注入工艺。
减法工艺。是指刻蚀工艺, 包括干法刻蚀和湿法腐蚀, 使用设备包括湿法刻蚀机、 反应离子刻蚀机。
图形转移工艺。主要方法为光刻工艺。使用设备有涂胶和显影设备, 以及光刻机。
辅助工艺。主要包括抛光与清洗。抛光一般使用化学机械平坦化完成抛光工艺, 使用设备有CMP抛光机、 硅片清洗机等。
行业内也将半导体制造工艺过程分为四种基本工艺: 薄膜生成工艺、 图形转移工艺、 掺杂工艺、 其它辅助工艺( 包括热处理工艺 、 清洗工艺、 CMP) 。下面我们将分别介绍这四种工艺及其使用设备。
2.2薄膜生成工艺
2.2.1薄膜生成方法
图2.4所示薄膜生成工艺是经过生长或淀积的方法, 生成集成电路制造过程中所需的各种材料的薄膜, 如金属层、 绝缘层、 半导体层等。半导体中各个层次的制造工艺如表2.1所示。例如能够利用蒸发、 溅射、 电镀工艺生成导体层, 如铝或金为材质的导体层。二氧化硅作为绝缘层, 能够用热氧化工艺、 化学气相淀积工艺或溅射工艺来加工。使用化学气相淀积工艺方法制作出以多晶硅或者单晶硅为材质的半导体层。
薄膜工艺
生长法
氧化工艺
氮化工艺
淀积法
化学气相淀积
蒸发工艺
溅射工艺
电镀工艺

图2.4 薄膜工艺类型
表2.1 半导体中各个层次的制造工艺
层次类
热氧化工艺
化学气相淀积工艺
蒸发工艺
溅射工艺
电镀工艺
绝缘层

半导体

导体
二氧化硅
二氧化硅
氮化硅
外延单晶硅
多晶硅

铝
铝合金
镍
金
二氧化硅
一氧化硅

铝
铝合金
钨
钛
钼

金
铜

2.2.2氧化工艺
氧化(Oxidation)工艺的主要目的是在硅衬底表面形成SiO2氧化膜。SiO2在微电子和微系统中的主要应用包括: 钝化晶体表面, 形成化学和电的稳定表面, 即器件表面保护或钝化膜; 作为后续工艺步骤( 扩散或离子注入) 的掩模( 掺杂掩模、 刻蚀掩模) ; 形成介质膜用于器件间的隔离或作器件结构中的绝缘层( 非导电膜) ; 在衬底或其它材料间形成界面层( 或牺牲层) 。
热氧化是指在高温炉中反应, 形成较厚的SiO2氧化层的过程, 也称为热生长法。根据不同的作用, 氧化层的厚度从60Å-10000 Å。氧化温度一般在900℃-1200℃。
热氧化法有3种环境: 干氧氧化(O2); 水蒸气氧化(H2O); 湿氧氧化(H2O+O2)。热氧化生成二氧化硅过程如图2.5所示, 设备原理如图2.6( a) 所示, 图2.6( b) 是一种卧式热氧化炉。

图2.5 热氧化生成二氧化硅示意图
O2或H2O浸入硅衬底, 在Si与SiO2界面上形成新的SiO2, 清洁的Si-SiO2界面不断向Si中延伸。式( 2-1) 和( 2-2) 是热氧化法的2种化学反应式。
Si (固) + O2 (气) → SiO2 (固) ( 2-1)
Si (固) + 2H2O (汽) → SiO2 (固) + 2H2 (气) ( 2-2)

( a) 热氧化生成二氧化硅设备原理示意图 ( b) 卧式热氧化炉
图2.6 热氧化生成二氧化硅原理及设备
2.2.3淀积工艺
硅材料上加膜层的方法有化学气相淀积( Chemical Vapor Deposition, CVD) 、 物理气相淀积( Physical Vapor Deposition, PVD) 。当前CVD技术已成为微电子和微系统加工中最重要的工艺之一。微电子和微系统加工中可淀积的薄膜有金属薄膜和非金属薄膜。金属薄膜包括Al、 Ag、 Au、 W、 Cu、 Pt、 Sn等; 非金属薄膜包括SiO2、 Si3N4、 SiGe( 硅锗合金) 、 BPSG( 硼磷硅玻璃) 、 Al2O3、 ZnO等。
( 1) 化学气相淀积( CVD)
化学气相淀积是利用气态的先驱反应物, 以某种方式激活后, 经过原子或分子间化学反应的途径在衬底上淀积生成固态薄膜的技术。CVD膜的结构能够是单晶、 多晶或非晶态。利用CVD可获得高纯的晶态或非晶态的金属、 半导体、 化合物薄膜, 能有效控制薄膜化学成分, 且设备运转成本低, 与其它相关工艺有较好的相容性。图2.7所示为CVD法成膜示意图。

图2.7 CVD法成膜示意图 图2.8 CVD卧式反应炉
CVD工艺采用的设备为CVD反应炉, 根据反应压力可分为常压或低压CVD炉。CVD反应炉常见的有卧室反应炉和立式反应炉。图2.8所示为CVD卧式反应炉工作原理示意图。为避免高温, 能够采用其它的能量供应形式, 例如, 经过高能射频源获得的等离子体就是一种可选形式, 称为等离子增强CVD (PECVD, Plasma Enhanced CVD)。
( 2) 外延工艺与设备
外延( Epitaxy) 是在单晶衬底上、 合适的条件下沿衬底原来的结晶轴向, 生长一层晶格结构完整的新的单晶层的制膜技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长, 并称为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。常见的外延工艺分为以下几种。
气相外延( VPE, Vapor Phase Epitaxy) , 是常见方法。
液相外延( LPE, Liquid Phase Epitaxy) , 适用III和V簇金属。
固相外延( SPE, Solid Phase Epitaxy) , 熔融再结晶。
分子束外延( MBE, Molecular Beam Epitaxy) , 适用超薄工艺。
气相外延工艺和CVD方法类似, 经过包含反应物的携载气体, 在衬底表面淀积同质材料。外延工艺主要用于在硅衬底表面淀积多晶硅薄膜, 这些多晶硅是掺杂的硅晶体且晶向随机排列, 用于在硅衬底指定区域实现导电。外延工艺与CVD方法的工艺设备结构基本相同。使用时用H2作为携载气体。为安全起见, 在工艺开始之前采用N2清除反应炉中可能存在的O2。外延层的形成过程如图2.9所示, 化学反应公式见式( 2-3) 。图2.10( a) 所示为一种气相外延设备。
分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下, 由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气, 经小孔准直后形成的分子束或原子束, 直接喷射到适当温度的单晶基片上, 同时控制分子束对衬底扫描, 就可使分子或原子按晶体排列一层层地”长”在基片上形成薄膜。图10( b) 所示为一种分子束外延设备。

图 2.9 外延层的形成过程
(2-3)

( a) 气相外延设备 ( b) 分子束外延设备
图2.10 外延设备
( 3) 物理气相淀积( PVD)
物理气相淀积( PVD) 是指膜物质微粒经蒸发或溅射逸出固体后堆积在晶片表面上。使固体膜物质转移到硅材料上形成膜层, 主要有蒸发和溅射两种方法。PVD法成膜过程如图2.11所示。

图2.11 PVD法成膜示意图
溅射是等离子工艺。在溅射过程中, 惰性气体离子( 一般为氩, Ar+) 加速冲向靶( 阴极) , 从靶中移出材料粒子。这些粒子构成蒸气柱, 凝结在衬底上。在微电子学和微型机电系统中, 溅射是金属化层淀积的主要方法。溅射工艺包含四个阶段: 经过引入气体的原子( Ar)与电子碰撞创造出离子, 离子加速冲向靶; 经过离子对靶的撞击, 移出靶原子; 自由的靶原子向衬底传输; 在衬底上靶原子凝结。图2.12是具有装载反应室、 复合靶和旋转衬底托盘的水平射频磁控溅射机示意图。

图2.12 具有装载反应室、 复合靶和旋转衬底托盘的水平射频磁控溅射机示意图
2.3图形转移工艺
2.3.1 图形化工艺方法
图形化工艺是半导体工艺过程中最重要的工序之一, 它是用来在不同的器件和电路表面上建立平面图形的工艺过程。这个工艺过程的目标有两个, 首先是在晶圆表面上产生图形, 这些图形的尺寸在集成电路或器件设计阶段建立; 第二个目标是将电路图形正确地定位于晶圆表面。整个电路图形必须被正确地置于晶圆表面, 它们与晶圆衬底的相对晶向, 以及电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的。
图形化工艺是一种基本操作, 在操作结束时, 晶圆表面层上将剩下孔洞或岛区。图形化工艺也经常被称为光刻( Photolithography )。图形化工艺过程主要分为光刻工艺和刻蚀工艺。
光刻的本质是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构首先以图形形式制作在称为掩模版的石英膜版上, 然后用紫外光透过掩模版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上。芯片大批量生产工艺中的光刻以紫外光刻为主。掩模板制作也使用光刻工艺, 可是, 一般使用电子束、 离子束进行曝光。图形转移中的光刻曝光技术在本书第4章将做详细介绍。
光刻显影后图形出现在硅片上, 然后用一种化学刻蚀工艺把薄膜图形成像在下面的硅片上, 或者被送到离子注入工作区来完成硅片上图形区中可选择的掺杂。转移到硅片上的各种各样的图形确定了器件的众多特征, 例如: 通孔、 器件各层间必要的金属互连线以及硅掺杂区。从物理上说, 集成电路是由许许多多的半导体元器件组合而成的, 对应在硅晶圆片上就是半导体、 导体以及各种不同层上的隔离材料的集合。
一般来说, 互连材料淀积在硅片表面, 然后有选择性地去除它, 就形成了由光刻技术定义的电路图形。这种有选择性地去除材料的工艺过程, 叫做刻蚀, 在显影检查完后进行, 刻蚀工艺的正确进行非常关键, 否则芯片将不能工作。更重要的是, 一旦材料被刻蚀去掉, 在刻蚀过程中所犯的错误将难以纠正。刻蚀的要求取决于要制作的特征图形的类型, 如合金复合层、 多晶硅栅、 隔离硅槽或介质通孔。
图形化工艺过程如图2.13所示, 图形化工艺过程包含两个基本过程, 即光刻工艺和光刻后续工艺。

光刻工艺过程 光刻后续工艺
图2.13 图形化工艺过程
2.3.2光刻工艺
光刻包括两种基本的工艺类型: 负性光刻和正性光刻。负性光刻把与掩模版上图形相反的图形复制到硅片表面。正性光刻把与掩模版上相同的图形复制到硅片上。这两种基本工艺的主要区别在于所用光刻胶的种类不同。如图2.14所示, 光刻工艺过程包括8个基本步骤: 气相成底模、 旋转涂胶、 软烘、 对准和曝光、 曝光后烘培、 显影、 坚膜烘培、 显影检查。
如图2.15所示, 由硅片传送系统将光刻工艺的基本设备串接在一起组成自动硅片光刻工艺加工系统, 实现硅片的自动化光刻加工。在光刻的基本工艺中对准和曝光是最为关键的工艺。对准和曝光一般在曝光机( 一般也被称作光刻机) 上完成, 曝光机是光刻工艺系统的核心设备。

图2.14 光刻的基本工艺步骤简图

图2.15 自动硅片轨道系统
1.气相成底膜
包括硅片清洗、 脱水烘培、 硅片成底膜三个步骤。气相成底膜采用湿法清洗和去离子水冲洗以去除玷污物, 经过脱水烘培去除水汽, 然后马上用六甲基二硅烷( HMDS) 进行成底膜处理, 它起到提高粘附力的作用。成底膜过程一般在如图2.15所示自动化轨道系统上与其它工艺按顺序完成。
2.旋转涂胶
光刻胶最基本的组成是有机溶剂中的一种聚合物溶液。光刻胶的物理特性包括分辨率、 对比度、 敏感度、 粘滞性、 粘附性、 抗蚀性、 表面张力、 存储与传送特性、 玷污和颗粒控制等。光刻胶主要有两个作用: 将掩膜版上的图形转移到光刻胶上, 在后续工艺中保护下面的材料。光刻胶适合于旋转涂胶, 硅片会持续旋转涂胶直到硅片表面形成一层薄膜。光刻胶涂覆方法的四个基本步骤分别为滴胶、 旋转铺开、 旋转甩掉多余胶、 溶剂挥发。
硅片上光刻胶涂胶的厚度和均匀性是非常关键的质量参数。光刻胶涂覆过程中主要技术参数为: 滴胶量, 约1~3CC; 成膜厚度约1微米左右, 厚度变化20-50Å。光刻胶涂敷系统组成如图2.16所示, 硅片吸附在真空吸盘上, 真空吸盘可绕Z轴旋转, 喷嘴可沿X、 Y、 Z移动, 围绕Z旋转。喷嘴沿硅片径向分滴光刻胶, 这样光刻胶就能够均匀喷涂在硅片表面上。光刻胶涂覆后, 在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀, 不能得到很好的图形, 而且容易发生剥离( Peeling) 而影响其它部分的图形。因此需要去除。图2.16中”背面EBR”装置为边缘光刻胶的去除装置。

图2.16 光刻胶涂敷系统组成
3.软烘
软烘的目的是去掉光刻胶中的溶剂、 增强光刻胶的粘附性、 释放旋转涂胶产生的内应力、 改进线宽控制、 防止光刻胶粘附到其它器件上。软烘在真空热板上进行, 软烘设备工作原理如图2.17所示, 硅片放在真空热板上, 热量从硅片背面经过热传导方式加热光刻胶。一般软烘温度为85~120℃, 时间为30~60S。软烘后将硅片转移到轨道系统的冷板上冷却( 见图2.15) 以便下一步操作。

图2.17 在真空热板上软烘
4.对准和曝光
以光学紫外曝光为例, 首先将硅片定位在光学系统的聚焦范围内, 硅片的对准标记与掩模版上相匹配的标记对准后, 紫外光经过光学系统和掩模版图形进行投影。掩模版图形若以亮暗的特征出现在硅片上, 这样光刻胶就曝光了。
图2.18所示为紫外曝光系统曝光过程示意图。该曝光系统包括一个紫外光源、 一个光学系统、 一块由芯片图形组成的投影掩模版、 一个对准系统和涂过光刻胶的硅片。硅片放在能够实现X、 Y、 Z、 q方向运动的承片台上, 由对准激光系统实现承片台上的硅片与掩模版之间的对准, 由光源系统、 投影掩模版、 投影透镜实现硅片上光刻胶的曝光。曝光过程包括: 聚焦、 对准、 曝光、 步进和重复以上过程。
光学曝光技术经历了不同的发展阶段。按照掩模版与硅片的位置关系区分, 从最初的接触式曝光, 发展到接近式曝光, 直到现在的投影式曝光。曝光光源主要使用紫外光、 深紫外光、 极紫外光, 现今最常见的是: 汞灯和准分子聚光光源。
光刻设备的发展和使用经历了五个不同阶段, 分别是: 接触式光刻机、 接近式光刻机、 扫描投影光刻机、 分步重复光刻机、 步进扫描光刻机。

图2.18 紫外曝光系统曝光过程示意图
曝光与对准过程主要由光刻机完成。光刻机造价高昂, 是非常复杂的系统, 涉及的技术也非常多。光刻机是芯片生产的关键设备, 也是电子制造的核心技术设备。
5.曝光后烘培
曝光后的硅片从曝光系统又回到硅片轨道系统, 需要进行短时间的曝光后烘培。其目的是促进光刻胶的化学反应, 或者提高光刻胶的粘附性并减少驻波。在光刻胶的产品说明书中, 生产商会提供后烘的时间和温度。进行后烘时, 硅片放在自动轨道系统的一个热板上, 处理的温度和时间需要根据光刻胶的类型确定。典型后烘的温度90~130℃, 时间1~2分钟。
6.显影
用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶可溶解区域就是光刻胶显影, 目的是把掩模版图形准确复制到光刻胶中。显影的要求重点是产生的关键尺寸达到规格要求。
现在生产线上显影液涂覆方法主要有两种: 连续喷雾显影和旋转浸没显影。光刻胶显影过程需要控制的主要工艺技术参数包括: 显影温度、 显影时间、 显影液量、 当量浓度、 清洗、 排风。
7.坚膜烘培
显影后的热烘培称为坚膜烘培, 目的是蒸发掉硅片光刻胶中剩余溶剂, 从而使光刻胶变硬, 提高光刻胶与硅片的粘附性。坚膜过程也能够蒸发掉残余在硅片上的显影液和清洗用水。坚膜过程一般在硅片轨道系统的热板上, 或在生产线上的专用炉中完成。坚膜温度大致为: 正胶130℃, 负胶150℃。
对于DNQ酚醛树脂光刻胶则可使用深紫外线照射进行坚膜处理, 此方法使正胶树脂发生交联形成较硬的表面层, 增加了光刻胶的热稳定性, 能够承受125~200℃等离子刻蚀及离子注入工艺工作温度。
8.显影检查
显影检查是为了发现光刻胶中成像的缺陷。显影检查后合格硅片投入下道工序, 有缺陷硅片可进行返工操作, 也就是经过去胶清洗后重新进行光刻工艺过程。显影检查一般借助光学显微镜由熟练操作工完成。大批量生产时显影检查一般使用自动检查设备。
2.3.3 刻蚀工艺
刻蚀是用化学或物理的方法有选择地从硅片上去除不需要材料的过程。刻蚀是在硅片上进行图形转移的最后主要工艺步骤。半导体刻蚀工艺有两种基本方法: 干法刻蚀和湿法腐蚀。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法, 湿法腐蚀使用液体腐蚀的加工方法, 主要用于特征尺寸较大的情况。
按照被刻蚀材料来分, 干法刻蚀主要分成: 金属刻蚀、 介质刻蚀和硅刻蚀。刻蚀也能够分成有图形刻蚀和无图形刻蚀。有图形刻蚀可用来在硅片上制作不同图形, 例如栅、 金属互连线、 通孔、 接触孔和沟槽。无图形刻蚀用于剥离掩蔽层。有图形或无图形刻蚀都能够分别采用干法刻蚀或湿法腐蚀。
刻蚀的主要工艺参数有: 刻蚀速率、 刻蚀剖面、 刻蚀偏差、 选择比、 均匀性、 残留物、 聚合物、 等离子体诱导损伤、 颗粒玷污和缺陷。
1.干法刻蚀
在半导体制造中, 干法刻蚀是用来去除表面材料的最主要的刻蚀方法。干法刻蚀是把硅片表面暴露于气态中产生的等离子体, 等离子体经过光刻胶中开出的窗口与硅片发生物理或化学反应, 从而去掉暴露的材料。
一个等离子体干法刻蚀系统由发生刻蚀反应的反应腔、 一个产生等离子体的射频电源、 气体流量控制系统、 去除刻蚀生成物和气体的真空系统等组成。刻蚀反应系统包括传感器、 气体流量控制单元和终点触发探测器。一般的干法刻蚀中的控制参数包括真空度、 气体混合组分、 气流流速、 温度、 射频功率和硅片相对于等离子体的位置。常见的干法等离子体反应器类型包括圆筒式等离子体反应器、 平板式反应器、 顺流刻蚀系统、 三级平面反应器、 离子铣、 反应离子刻蚀器、 高密度等离子体刻蚀机等。
图2.19所示为由平板反应器构成的平板等离子刻蚀机系统。反应器有两个大小和位置对称的平行金属板, 硅片背面朝下放置于接地的阴极上面, RF信号加在反应器的上电极。由于等离子体电势高于地电势, 因此这是一种带能离子进行轰击的等离子体刻蚀模式。一个刻蚀系统的能力及控制方法对成功加工硅片非常关键。

图2.19 平板等离子刻蚀系统组成示意图
2.湿法腐蚀
早期湿法腐蚀主要用于硅片刻蚀, 现在湿法腐蚀的功能大部分被干法刻蚀代替。当前湿法腐蚀主要用于漂去氧化物、 去除残留物、 表层剥离, 以及较大特征尺寸的图形腐蚀。湿法腐蚀设备较为简单, 一般使用一个液体槽, 采用浸泡或喷射的方法批量处理硅片。
湿法腐蚀设备的主要控制参数包括溶液浓度、 浸泡时间、 腐蚀槽的温度、 溶液槽的搅动、 处理硅片的批次等。
2.4参杂工艺
掺杂是把杂质引入半导体材料的晶体结构中, 以改变半导体材料电学性能的一种方法。在芯片制造中常见两种方法向硅片中引入杂质元素, 即热扩散和离子注入。热扩散利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构, 这种方法受到时间和温度的影响。离子注入经过高压离子轰击把杂质引入硅片。杂质经过与硅片发生原子级的高能碰撞, 才能被注入。
2.4.1扩散
扩散分为三种, 即气态、 液态和固态。在半导体制造中, 利用高温扩散驱动杂质穿过硅晶格。硅中固态杂质的扩散需要三个步骤: 预淀积、 推进和激活。
在淀积过程中, 硅片被送入高温扩散炉, 杂质原子从材料源处转移到扩散炉内, 炉温一般设为800~1000℃, 持续时间10~30分钟, 这时杂质处于硅片的表面, 为防止杂质的流失, 在硅的表面需要生成薄层氧化层。预淀积过程为扩散过程建立了浓度梯度, 从表面深入到硅片的内部, 杂质的浓度逐渐降低。热扩散的第二步是推进, 其作用是使淀积的杂质穿过硅晶体, 在硅片中达到一定的深度。推进温度在1000~1250℃。热扩散的第三步是激活, 当温度进一步升高时, 杂质原子与硅原子键合, 从而改变硅的导电率。杂质只有在成为硅晶格的结构的一部分, 才有助于形成半导体硅。
扩散在高温扩散炉中进行, 在高温炉中完成扩散的三个步骤。高温炉设备结构见2.5.1节热处理工艺单元设备。
2.4.2离子注入
经过物理注入方式向硅衬底引入一定数量的杂质, 将改变硅片的电学性能。离子注入的主要用途是掺杂半导体材料。当前离子注入方法优于扩散工艺, 成为半导体掺杂工艺的主要方法。
1.离子注入机
离子注入工艺在离子注入机内进行。离子注入机结构如图2.20所示, 一般离子注入机设备包括5个部分。
（1） 离子源。注入离子在离子源中产生, 正离子由杂质气态源或固态源的蒸汽产生。
（2） 引出电极( 吸级) 和离子分析器。离子经过离子源上的一个窄缝被吸出组件吸引。注入机中的磁性离子分析器能将需要的杂质离子从混合的离子束中分离出来。
（3） 加速管。为了获得更高的能量( 也就是运动速度) , 正离子还需要在加速管中的电场下进行加速。
（4） 扫描系统。注入机离子束斑约1~3cm2, 需要经过扫描覆盖整个硅片。能够经过固定硅片, 移动束斑, 或者相反操作进行扫描。扫描系统有静电扫描、 机械扫描、 混合扫描和平行扫描。
（5） 工艺腔。离子束注入在工艺腔中进行。一般工艺腔包括扫描系统、 硅片装卸终端台、 硅片传输系统、 检测系统, 以及控制沟道效应的装置。

图2.20 离子注入机组成示意图
2. 离子注入参数
离子注入参数主要有剂量和射程。剂量是单位面积硅片注入的离子数, 单位是原子每平方厘米( 或离子每平方厘米) 。射程是离子注入过程中, 离子穿入硅片的总距离。注入机的能量越高, 则杂质原子穿入硅片深度越大。
2.5其它辅助工艺
2.5.1热处理工艺
半导体生产中的热处理工艺主要是退火工艺。在离子注入后, 硅片的晶格因原子撞击而损伤。另外被注入离子不占据硅的晶格, 处于晶格间隙位置。经过退火处理后杂质原子被激活, 运动到硅片晶格上。退火同时修复了晶格损伤。
1.热处理工艺
晶格修复温度大约为500℃, 激活杂质原子温度大约为950℃。硅片退火使用两种方法。
（1） 高温退火
在高温炉中将注入杂质的硅片加热至800~1000℃, 保温30分钟。在此温度下可修复晶格损伤, 而且实现硅晶格上原子的替换。这种热处理工艺会造成杂质的扩散。
（2） 快速热处理
快速升温到1000℃, 而且快速对硅片进行退火处理。一般在通入Ar或N2的快速热处理机中对硅片进行注入离子后的退火处理。退火工艺要在保证晶格的修复、 激活杂质和防止杂质扩散三者之间取得平衡, 最好的方法就是获取最佳的升温速度和保温时间。
2.热处理工艺设备
热处理工艺设备主要是高温炉设备。这类高温炉设备同样可用于热生长氧化物、 各种淀积膜生成、 玻璃体回流、 硅化膜的生成。热处理工艺设备有三种: 卧式炉、 立式炉、 快速热处理器( RTP) 。
( 1) 卧式炉
卧式炉是早期广泛使用的热处理炉。主要结构是使用水平放置的石英管, 在石英管中放置硅片, 管子外围进行加热。
( 2) 立式炉
立式炉更容易操作、 也容易控制温度和均匀性, 因此逐渐取代了卧式炉。如图2.21所示, 立式高温炉主要由五部分组成: 石英工艺腔、 硅片传输系统、 气体分配系统、 尾气系统和温控系统。

图2.21 立式热处理炉系统组成示意图
工艺腔: 工艺腔由垂直的石英罩、 多区加热丝和加热管套组成。工艺腔体内经过热电偶实现精确的温度控制, 加热单元是缠绕在炉管外部的金属电阻丝。
硅片传输系统: 使用自动机械系统装卸工艺腔中的硅片。
气体分配系统: 控制炉管内的气体成分, 满足不同工艺需要。
控制系统: 控制工艺参数, 如工艺时间、 温度、 工艺步骤顺序、 气体种类、 气流速度、 升降速率和装卸硅片。
立式炉的一种形式是快速升温立式炉。典型的快速升温立式炉的温升速率达到80℃/分, 冷却速度为60℃/分。能同时处理100片以上硅片。硅片的温升及冷却都能精确控制。
( 3) 快速热处理器
快速热处理( RTP) 是在几分之一秒内, 将硅片加热至400~1300℃的一种工艺方法。快速热处理器组成原理如图2.22所示。热源为组装在一起的多盏卤钨灯, 热源灯分成多个区域能够降低加热的不均匀性。卤钨灯产生的短波长辐射加热硅片。RTP系统的温度检测方法一般使用热电偶或者光学高温计。
RTP工艺最广泛用途是离子注入后的退火, 主要优点是缩短加热时间, 节约加热费用。另外, RTP工艺还能够用于淀积膜的处理、 硼磷硅玻璃回流、 阻挡层退火、 硅化物形成等。

图2.22 快速热处理( RTP) 系统结构示意图
2.5.2清洗工艺
硅片清洗的目的是去除所有表面沾污, 如颗粒、 有机物、 金属和自然氧化物等。硅片清洗工艺贯穿于硅片加工的各个阶段, 前后有上百次。清洗工艺主要采用湿化学法。为了减少化学溶剂的使用, 一般也使用超声清洗器、 喷雾清洗器、 刷洗器等以增加清洗效果。
（1） 超声清洗器。在清洗槽中增加能产生1MHz超声能的兆声发生器, 利用超声能量产生的气泡去除污物, 从而降低清洗温度, 减少清洗剂溶液浓度。
（2） 喷雾清洗器。喷嘴高速喷出雾状清洗液与旋转运动的硅片之间产生物理作用力, 增加清洗效果。
（3） 刷洗器。硅片刷洗能大量去除硅片表面的颗粒物, 这种方法主要用于化学机械抛光后的清洗。喷嘴喷射出清洗液或者去离子水, 转动刷涮洗做旋转运动的硅片, 从而增加清洗效率。
（4） 水清洗设备。水清洗设备有溢流清洗器、 排空清洗器、 喷射清洗器和加热去离子水清洗机。
（5） 硅片甩干。硅片清洗结束后需要甩干, 一般使用旋转式甩干和异丙醇蒸汽干燥法两种方法。
2.5.3 CMP
CMP一般称为化学机械抛光( chemical mechanical planarization, CMP) 或抛光。化学机械平坦化是实现多层金属技术的主要平坦化技术, 它经过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面, 在硅片表面和抛光头之间有磨料, 而且施加一定压力。CMP设备工作原理如图2.23所示, 图2.23( a) 为平坦化加工原理图, 图2.23( b) 为带有多个磨头的CMP设备示意图。在抛光时一个磨头上装有一个硅片, 在传送和抛光过程中, 磨头依靠真空来吸附硅片。抛光时磨料由磨料喷嘴喷涂到抛光垫上, 磨头和转盘的旋转运动实现了硅片的抛光。磨料与硅片的化学反应促进了抛光效果。

( a) 化学机械平坦化加工原理图 (b) 多个磨头加工示意图
图2.23 化学机械平坦化设备工作原理示意图
CMP的主要工艺参数有: 抛光时间、 磨头向下压力、 转盘速度、 磨头速度、 磨料化学成分、 磨料流速、 抛光垫修整、 硅片/磨料温度、 硅片背压。
CMP工作过程的一个重要工艺步骤是终点检测, 一般使用两种方法, 一是电机电流终点检测, 在抛光时硅片上不同材料的摩擦特性不一致, 那么磨头电机感受到的阻力会有不同变化, 电机电流也会相应发生变化。经过检测电机电流变化判断抛光过程是否进入不同材料层, 从而判断是否到达抛光终点。二是光学终点检测, 该技术是基于光的反射系数, 在反射光谱学中, 光从膜层上反射的不同角度与膜层材料和厚度有关。当膜层从一种材料的界面变化到另一种材料的界面时, 光学终点检测测量到从抛光膜层反射过来的紫外光或可见光之间的干涉, 从而判断是否到达抛光的终点。
2.6 半导体芯片制造工艺与设备
2.6.1半导体芯片制造工艺及设备
半导体芯片的制造能够分为制造准备、 制造过程两个阶段。制造准备阶段需要做的工作包括集成电路设计、 掩模板设计制造、 硅片的制备、 制造环境的创立。芯片制造过程包括的主要工艺有薄膜生成工艺( 氧化、 淀积) 、 图形转移工艺( 光刻、 刻蚀) 、 掺杂工艺( 扩散、 离子注入) 以及其它辅助工艺( 热处理、 清洗、 CMP) 等。芯片制造工艺设备按照工艺过程组成相应的生产线。
1. 半导体芯片制造工艺
以64GbCOMS器件制造为例, 整个工艺过程大约需要180个主要步骤、 52个清洗/剥离步骤以及多达28块掩模板。这些工艺步骤基本上都属于上述四种基本工艺。如果集成电路的特征值进一步减少时, 需要的工艺步骤数将会增加到500或更多。表2.2所列为COMS器件制造时使用的工艺类型及实际可选工艺方法。

表2.2 COMS器件制造工艺类型及实际可选工艺方法( 摘要)
基本工艺
工 艺
可选择工艺方法
薄膜工艺

氧化
常压
高压
快速热氧化( RTO)
化学气相淀积( CVD)
常压、 低压( LPCVD)
等离子增强( PECVD)
气相外延( VPE)
有机金属气相淀积( MOCVD)
分子束外延( MBE)
分子束外延( MBE)
物料气相淀积( PVD)
真空蒸发
溅射
图形化工艺

光刻胶
正性光刻胶
负性光刻胶
曝光系统
接触式、 接近式、 扫描投影式、 步进式
曝光源
高压汞灯、 准分子激光、 X射线