02 微电子制造装备概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,Prof. Shiyuan Liu,Page,80,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：,13986163191,电子邮件：,shyliu,机械学院先进制造大楼,B310,武汉光电国家实验室,B102,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),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,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）,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,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。,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。,卧式扩散炉,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,2030ppm,，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。,离子注入工艺,离子注入,(Ion Implantation),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,-4,Pa),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。,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。,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,(5e,10,1e,17,/cm,2,),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。,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, Rapid Thermal Processing),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,快速退火炉,快速加热退火,RTA (Rapid Thermal Annealing),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 (Flash Lamp Annealing),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 (Laser Spike Annealing),利用激光器瞬间加热，退火时间以毫秒计。,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,SiO,2,。,SiO,2,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）。,热氧化,在硅衬底表面形成,SiO,2,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,SiO,2,氧化层，厚约,2nm,。,热氧化,(Thermal Oxidation),在高温炉中反应，形成较厚的,SiO,2,氧化层。,也称为热生长法。,热氧化反应,热氧化法的,3,种环境,干氧氧化,(O,2,),水蒸气氧化,(H,2,O),湿氧氧化,(H,2,O+O,2,),热氧化法的,2,种化学反应,Si,(,固,) +,O,2,(,气,) ,SiO,2,(,固,),Si,(,固,) +,H,2,O,(,汽,) ,SiO,2,(,固,) +,2H,2,(,气,),热氧化原理,氧化炉,高温湿式氧化炉,高温干式氧化炉,化学气相淀积工艺,化学气相淀积,(CVD,Chemical Vapor Deposition),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: SiO,2, Poly Si, Si,3,N,4, SiGe, BPSG, Al,2,O,3, ZnO, SMA TiNi,。,CVD,膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态。,CVD,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,(Carrier Gas),。,CVD,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,PECVD,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, Plasma Enhanced CVD),。,常压,CVD (APCVD),低压,CVD (LPCVD),等离子体增强,CVD (PECVD),各种,CVD,反应炉,金属有机,CVD (MOCVD),PECVD,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。,Silicon Substrate P,+,Silicon Epi Layer P,-,P,-,Well,N,-,Well,N,+,Source,N,+,Drain,P,+,Source,P,+,Drain,BPSG,W Contact Plug,Metal1,互连,接触,填充薄膜,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, Physical Vapor Deposition),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,-7,torr,）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,。,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。,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, Vapor Phase Epitary),常用,液相外延,(LPE, Liquid Phase Epitary),III,和,V,簇,固相外延,(SPE, Solid Phase Epitary),熔融再结晶,分子束外延,(MBE, M,olecular Beam,Epitary),超薄,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, Vapor Phase Epitaxy),是最常用的工艺。,外延反应炉,外延工艺与,CVD,很相似，不同的是用,H,2,作为携载气体。,为安全起见，在工艺开始之前采用,N,2,清除反应炉中可能存在的,O,2,。,外延设备,气相外延设备,分子束外延设备,刻蚀工艺,刻蚀,(Etch),是用化学或物理方法,有选择地,从硅片表面去除不需要的材料的过程。,刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模版图形。,IC,和,MEMS,中包括两种基本的刻蚀工艺,湿法刻蚀,采用液态化学试剂,干法刻蚀,采用等离子体,刻蚀参数,刻蚀的几个重要参数,刻蚀速率,(Etch rate),：是指在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。,刻蚀剖面,(Etch Profile),：是指被刻蚀图形的侧壁形状，由各向同性还是各向异性决定。,刻蚀偏差,(Etch Bias),：是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化。,选择比,(Selectivity Ratio),：是指在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少，决定掩模材料的选取。,刻蚀技术要求,IC,加工对刻蚀质量的要求,获得满意的剖面（倾斜或垂直）,刻蚀偏差最小（钻蚀最小）,选择比大,刻蚀均匀性好，重复性高,对表面和电路的损伤最小,清洁、经济、安全,MEMS,加工的其他要求,高的深宽比,刻蚀速率快,湿法刻蚀,湿法刻蚀,(Wet Etch),是利用溶液与被刻蚀材料之间的化学反应，来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分，从而达到刻蚀目的。,化学溶液称为刻蚀剂,(Etchant),。,湿法刻蚀特点,湿法刻蚀的优点,选择性好,重复性好,生产效率高,设备简单、成本低,湿法刻蚀的缺点,各向同性的、钻蚀严重、对图形的控制性较差,安全性、洁净性差（存在,气体鼓泡和光刻胶浮渣等问题）,湿法刻蚀机,干法刻蚀,干法刻蚀,(Dry Etch),是,利用低压放电产生的等离子体,(Plasma),中的,离子,或,游离基,(,处于激发态的分子、原子及各种原子基团等,),，与材料发生,化学反应,或通过轰击等,物理作用,或,两者相结合,，从而达到刻蚀的目的。,干法刻蚀采用的是,气体刻蚀剂,，而不是液态化学试剂和清洗法来去除基底材料。,优点：,刻蚀剖面是各向异性的，具有好的侧壁剖面控制。,好的关键尺寸,(CD),控制和重复性。,无化学废液，无污染，洁净度高。,缺点：,刻蚀选择比一般较差。,等离子体带来的器件损伤。,成本高，设备复杂。,干法刻蚀种类,干法刻蚀的三种主要形式：,纯化学过程（屏蔽式、下游式、桶式）：,等离子体刻蚀,(Plasma Etching),：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差。,纯物理过程：,溅射,(Sputter Etching),和离子束铣蚀,(IBE, Ion Beam Etching),：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀。各向异性性好，但选择性较差。,物理化学过程：,反应离子刻蚀,(RIE, Reactive Ion Etching),：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。,RIE,目前已成为,VLSI,工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。,DRIE,刻蚀,深层反应离子刻蚀,(DRIE),DRIE,在刻蚀过程中可以在侧壁生成几毫米厚的保护掩模。,利用高浓度的等离子源，使基底材料的等离子刻蚀过程与在侧壁上形成刻蚀保护材料的淀积过程交替进行。,刻蚀保护材料：,SiO,2,或聚合物,用,DRIE,工艺加工的微结构：,深宽比可达,100,深度,300,m,侧壁广角,photoresist is removed at develop,.,Long-chained molecules in resist are broken down to smaller chains by the UV light, which are easily dissolved by the developer solution.,Capable of,smaller features,better resolution, but has poor adhesion and costs much more.,Photo Mask,Resist,Silicon Substrate,Oxide,Resist,Resist,Oxide,光刻,(14),负性抗蚀胶（负胶）,负胶,(Negative Resist),是指曝光前对某些溶剂是可溶的，曝光后硬化成不可溶解的一类光刻胶。,有,2,种主要的负胶,两种组成部分的芳基氮化物橡胶光刻胶,Kodak KTFR ,敏感氮化聚异戌二烯橡胶,负胶对光线和,X,射线不敏感，但对电子射线很敏感。,负胶最常用的显影溶剂是二甲苯,(Xylene),。,光刻,(15),Negative Resist,Dark areas,on the mask =,photoresist is removed at develop,.,Short-chain molecules in the resist are “cross-linked” by the UV light. Resultant longer chains are resistant to developer solution.,Better adhesion, but,incapable of producing submicron features,.,Only used (anymore) for certain special applications.,Resist,Photo Mask,Silicon Substrate,Oxide,Resist,Oxide,光刻,(16),两种光刻胶的比较,一般来说，正胶比负胶能使图形的边界更清晰。,正胶更适应于刻印高分辨率图形。,光刻,(17),光刻工艺的,8,个基本步骤,气相成底膜,旋转涂胶,软烘,对准和曝光,曝光后烘焙,显影,坚膜烘焙,显影检查,光刻,(18),气相成底膜,包括清洗、脱水和硅片表面成底膜处理。,脱水烘焙后硅片立即用六甲基二硅胺烷,(HMDS),进行成膜处理。,目的是增强硅片和光刻胶之间的粘附性,(Adhesion Promotion),。,光刻,(19),旋转涂胶,涂胶,(Resist Coating),是先将一定数量的液滴光刻胶滴在硅片上；然后将硅片旋转得到一层均匀的光刻胶涂层。,胶厚和胶厚的均匀性是光刻工艺中的关键参数！,光刻,(20),软烘（前烘）,软烘,(Softbake),的作用是去除胶中的大部分溶剂，提高胶的粘附性，并使胶的曝光特性固定,前烘时间越短或温度越低，感光度增加，溶解度增加。但对比度降低。,典型的前烘温度是,90-100,C,10-30min,。,光刻,(21),对准和曝光,对准,(Alignment),是指与前面工艺形成的图形进行套准。,曝光,(Exposure),的目的是要用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后获得尽可能高的留膜率，近似垂直的光刻胶侧壁和可控的线宽。,对准和曝光是光刻工艺中最关键的工艺。,对准和曝光在光刻机,(Lithography Tool),内进行，其它工艺在涂胶显影机,(Track),上进行。,光刻,(22),曝光后烘焙,曝光后烘焙,(PEB, Post-Exposure Bake),是指对深紫外,(DUV, Deep Ultra Violet),光刻胶在,100-110,C,的热板上进行曝光后的烘焙。,目的是促进光刻胶的化学反应。,在光刻胶的产品使用说明书中，生产商会提供后烘的温度和时间等具体参数。,光刻,(23),显影,显影,(Development),是指用化学显影溶解液溶解由曝光造成的光刻胶的课溶解区域。,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关键尺寸,(CD, Critical Dimension),达到的规格要求。,显影可能存在的三个问题,显影不足,-,引起线条变宽且侧面有斜坡,不完全显影,-,底部留下应该去除的剩余光刻胶,过显影,-,引起线条变窄且外形拙劣,光刻,(24),坚膜烘焙,坚膜烘焙,(Hard Bake),是指显影后的热烘。,目的是去除显影后胶层内残留的溶剂，使胶膜坚固，同时提高粘附力和抗蚀性。,典型的坚膜烘焙温度约为,120-140,C,10-30min,。,光刻,(25),显影后检查,显影后检查,(Measurement and Inspection),是在显影后对形成的图形进行检查，以确定光刻胶图形的质量。,检查的目的,找出光刻胶有质量问题的硅片,描述光刻胶工艺性能以满足规范要求,如果确定光刻胶有缺陷，通过去胶可以把它们除去，硅片可以返工。,光刻,(26),对准和曝光在光刻机,(Lithography Tool),内进行。,其它工艺在涂胶显影机,(Track),上进行。,