02 微电子制造装备概述

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@http://www.77cn.com.cn机械学院先进制造大楼B310 武汉光电国家实验室B102

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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)

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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

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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)晶体生长 及切片

薄膜

抛光

无图形硅片

扩散

光刻

刻蚀

测试捡选 及封装Prof. Shiyuan Liu

注入

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本讲内容：微电子制造装备概述 掺杂 扩散 离子注入 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 CMP抛光机 硅片清洗机 光刻机 涂胶显影设备 测试设备 划片机 键合机 Page 5

加法工艺

薄膜 氧化 化学气相淀积 溅射 外延

减法工艺 辅助工艺 图形转移工艺 后道工艺Prof. Shiyuan Liu

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

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。

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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. Shiyuan Liu Page 7

卧式扩散炉

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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。

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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(10-4Pa)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。

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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。

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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。

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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

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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。

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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)。

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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(Thermal Oxidation)– 在高温炉中反应，形成较厚的SiO2氧化层。 – 也称为热生长法。

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