02-微电子制造装备概述

Prof.ShiyuanLiuPage1电子工业专用设备主讲教师：刘世元教授吴懿平教授办公电话：87548116移动电话：[phone]电子邮件：[e-mail]机械学院先进制造大楼B310武汉光电国家实验室B102Prof.ShiyuanLiuPage2讲授内容第一讲：微电子制造工艺流程（回顾）第二讲：微电子制造装备概述光刻工艺及基本原理第三讲：光刻机结构及工作原理(1)第四讲：光刻机结构及工作原理(2)Prof.ShiyuanLiuPage3上讲内容：CMOS工艺流程录像：IC制造工艺CMOS工作原理CMOS工艺流程IC工艺及其分类IC制造厂的工艺分区Prof.ShiyuanLiuPage4上讲内容：IC制造厂的工艺分区IC制造厂分为6个基本的工艺区（前端工艺）薄膜光刻注入刻蚀扩散抛光测试捡选及封装无图形硅片晶体生长及切片Prof.ShiyuanLiuPage5本讲内容：微电子制造装备概述加法工艺减法工艺图形转移工艺辅助工艺掺杂扩散离子注入薄膜氧化化学气相淀积溅射外延刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀抛光及清洗化学机械平坦化清洗图形转移光刻测试及封装测试封装后道工艺扩散炉离子注入机退火炉氧化炉CVD反应炉溅射镀膜机外延设备湿法刻蚀机反应离子刻蚀机光刻机涂胶显影设备CMP抛光机硅片清洗机测试设备划片机键合机Prof.ShiyuanLiuPage6扩散工艺扩散(Difusion)是一种常用的衬底掺杂(Doping)工艺，使可控量的掺杂物(Dopant)进入衬底的选定区域。扩散与离子注入（另一种掺杂工艺）不同，是一个缓慢注入的过程，且发生在高温下。扩散的掺杂区域形状与离子注入所形成的不同。Prof.ShiyuanLiuPage7扩散炉在所有半导体专用设备中，扩散炉是集成电路生产线前工序的重要工艺设备之一。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。虽然某些工艺可以使用离子注入的方法进行掺杂，但是热扩散仍是最主要、最普遍的掺杂方法。硅的热氧化作用是使硅片表面在高温下与氧化剂发生反应，生长一层二氧化硅膜。氧化方法有干氧氧化和水汽氧化（含氢氧合成）两种，扩散炉是用这两种氧化方法制备氧化层的必备设备。扩散炉是半导体集成电路工艺的基础设备，它与半导体工艺互相依存、互相促进、共同发展。Prof.ShiyuanLiuPage8卧式扩散炉Prof.ShiyuanLiuPage9立式扩散炉立式炉的优点：在扩散炉口径变大以后，恒温区的横截面温度差卧式炉比立式大得多，立式炉更能满足工艺要求；立式扩散/氧化炉能够控制氧气浓度达20~30ppm，为达到特殊工艺要求甚至更低，使之满足薄膜工艺要求；有利于满足自动化水平，实现自动装卸片；工艺过程中硅片在高温状态易变形,水平放置硅片变形小；高温扩散及硅片破碎时，立式炉不需要清洗反应管和石英舟，反应部位的粘附物、颗粒少。Prof.ShiyuanLiuPage10离子注入工艺离子注入(IonImplantation)是一种物理掺杂工艺，用于向衬底中掺杂。将具有很高能量的杂质离子(B,P,As)射入衬底晶片（俗称靶）之中，并通过逐点扫描完成对整块晶片的注入。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。杂质是通过质量分析器单一地分选出来，整个掺杂过程都在高真空(10-4Pa)环境中进行，注入物特别纯净，掺杂均匀性好，几乎无玷污。是一种低温工艺（小于600℃）。注入一般在室温（对硅靶）或温度不高（砷化镓靶温不超过400℃）下进行，拓宽了注入掩模的选择，如光刻胶、铝都可作注入掩模。Prof.ShiyuanLiuPage11离子注入机离子注入现已成为优选的IC掺杂工艺，其工艺设备为离子注入机。离子注入机配有精密的电子仪器和机械装置，晶片掺杂完全处于受控状态，可以精确控制杂质分布。Prof.ShiyuanLiuPage12离子注入机工作原理调节加速电压可以将结深控制到亚微米数量级；通过测量注入时离子电荷的积累量，可在很宽范围内(5e10~1e17/cm2)精确（正负1%）控制掺杂总量，获得高浓度杂质，不受固溶度限制。可以注入各种各样的元素。横向扩展比扩散要小得多。可以对化合物半导体进行掺杂。Prof.ShiyuanLiuPage13退火工艺离子注入特别适合高浓度、浅结和低浓度及具有特殊浓度分布截面掺杂层的制备。离子注入会引起晶格损伤，即注入离子并不正好处于格点上，没有电活性。如果注入物质是作为掺杂剂，则必须占据晶格位置。注入损伤需要后续工艺来消除退火(Annealing)或快速热处理(RTP,RapidThermalProcessing)杂质激活（将大部分注入杂质移到晶格位置的过程）注入前注入后退火后Prof.ShiyuanLiuPage14快速退火炉快速加热退火RTA(RapidThermalAnnealing)以W灯照射使硅表面瞬间加热从而实现退火，退火时间是以分秒计。快闪灯照退火FLA(FlashLampAnnealing)利用Xe闪光灯快速加热，退火时间以毫秒计。激光脉冲退火LSA(LaserSpikeAnnealing)利用激光器瞬间加热，退火时间以毫秒计。Prof.ShiyuanLiuPage15氧化工艺氧化(Oxidation)工艺的主要目的是在硅衬底表面形成氧化膜SiO2。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）的掩膜（掺杂掩膜、刻蚀掩膜）。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）。在衬底或其他材料间形成界面层（或牺牲层）。Prof.ShiyuanLiuPage16热氧化在硅衬底表面形成SiO2氧化膜的方法：化学气相淀积(CVD)氧化•自然氧化–在常温下，硅表面可生长出SiO2氧化层，厚约2nm。•热氧化(ThermalOxidation)–在高温炉中反应，形成较厚的SiO2氧化层。–也称为热生长法。Prof.ShiyuanLiuPage17热氧化反应热氧化法的3种环境干氧氧化(O2)水蒸气氧化(H2O)湿氧氧化(H2O+O2)热氧化法的2种化学反应Si(固)+O2(气)→SiO2(固)Si(固)+H2O(汽)→SiO2(固)+2H2(气)Prof.ShiyuanLiuPage18热氧化原理Prof.ShiyuanLiuPage19氧化炉高温湿式氧化炉高温干式氧化炉Prof.ShiyuanLiuPage20化学气相淀积工艺化学气相淀积(CVD,ChemicalVaporDeposition)是利用气态的先驱反应物，以某种方式激活后，通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。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，与其他相关工艺有较好的相容性。CVD技术已有100多年历史，应用领域很广，如轴承的耐磨涂层、核反应堆里的耐高温涂层。上世纪50年代起，CVD材料开始用于电子领域；上世纪60年代前后，CVD工艺开始取得突破；目前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：Metal:Al,Ag,Au,W,Cu,Pt,Sn；Non-Metal:SiO2,PolySi,Si3N4,SiGe,BPSG,Al2O3,ZnO,SMATiNi。CVD膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态。Prof.ShiyuanLiuPage21CVD工作原理CVD工作原理将携带扩散反应物的气体流过衬底（或其他介质）表面。当气体流过衬底表面时，电阻加热提供的能量引起气体中反应物的化学反应，在反应中和反应后形成薄膜，同时排出化学反应的副产品。携带扩散反应物的气体称为携载气体(CarrierGas)。Prof.ShiyuanLiuPage22CVD反应炉CVD工艺采用的设备为CVD反应炉卧式反应炉立式反应炉卧式CVD反应炉立式CVD反应炉Prof.ShiyuanLiuPage23PECVD等离子增强CVD常压CVD和低压CVD都是在高温下进行的（以便进行充分的扩散和化学反应），其结果是容易对硅衬底造成损伤。为避免高温，可以采用其他的能量供应形式。通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,PlasmaEnhancedCVD)。Prof.ShiyuanLiuPage24常压CVD(APCVD)Prof.ShiyuanLiuPage25低压CVD(LPCVD)Prof.ShiyuanLiuPage26等离子体增强CVD(PECVD)Prof.ShiyuanLiuPage27各种CVD反应炉金属有机CVD(MOCVD)PECVDProf.ShiyuanLiuPage28溅射工艺在IC工艺中，金属化是在绝缘介质薄膜上淀积淀积金属薄膜，以及随后刻印图形以便形成互连金属线和填充接触孔的过程。互连指由导电材料（如铝、铜、多晶硅等）制成的连线，将电信号传输到芯片的不同部分。接触是指芯片内的器件与第一层金属层之间在硅表面的连接。填充薄膜是指用金属薄膜填充通孔，以便在两层金属之间形成电连接。SiliconSubstrateP+SiliconEpiLayerP-P-WellN-WellN+SourceN+DrainP+SourceP+DrainBPSGWContactPlugMetal1互连接触填充薄膜Prof.ShiyuanLiuPage29金属化方法金属化方法包括：金属CVD蒸发溅射电镀物理气相淀积(PVD,PhysicalVaporDeposition)Prof.ShiyuanLiuPage30溅射原理溅射(Sputtering)是一种物理气相淀积(PVD)工艺。用于在衬底表面淀积一层金属薄膜，厚约100A。溅射工艺采用在低压（真空度达5×10-7torr）和室温环境下的等离子实现。溅射工艺中不发生任何化学反应。Prof.ShiyuanLiuPage31溅射镀膜机JS700-型磁控溅射镀膜机是在真空条件下，用溅射方式沉积各种薄膜的设备。配置分子泵抽气系统，能快速获得高真空环境。设备的靶、烘烤置于顶盖下方，由上往下溅射，并可随盖升降，装卸基片更换靶材方便。Prof.ShiyuanLiuPage32外延工艺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。外延分类：气相外延(VPE,VaporPhaseEpitary)－－常用液相外延(LPE,LiquidPhaseEpitary)－－III和V簇固相外延(SPE,SolidPhaseEpitary)－－熔融再结晶分子束外延(MBE,MolecularBeamEpitary)－－超薄Prof.ShiyuanLiuPage33外延工艺的特点CVD和PVD工艺用于在硅衬底表面淀积异质材料。气相外延工艺和CVD类似，通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。外延工艺也可以用于在GaAs衬底表面淀积GaAs。4种外延工艺中，气相外延(VPE,VaporPhaseEpitaxy)是最常用的工艺。Prof.ShiyuanLiuPage34外延反应炉外延工艺与CVD很相似，不同的是用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。Prof.Shiy