基于半導體的工藝線設備配置及選型技術

胡 偉，蔡穎嵐，鄧學文，賴忠良，唐代飛

（重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

0 引言

根據產品的用途，半導體工藝有基材、設計、流程和工藝條件的差別。針對不同的專業方向，不同的產品，半導體工藝線有不同的選擇，其中設備的配置和選型最關鍵。一種設備實現一種工藝，完整的工藝需要相應的設備構建工藝線。由于半導體行業投入較大，科研院所通常采用建設一條小規模的工藝線來實現某一類產品的開發，并逐步小規模量產的方法。工藝線要滿足未來若干年的生產和研制需要。以6英寸硅工藝線大尺寸器件為例，研究工藝線設備配置及設備選型技術。

1 工藝路線

硅作為半導體材料的—個重要原因是其具有表面自然生長氧化硅SiO2的能力，SiO2是—種高質量、穩定的電絕緣材料。而且能充當優質的化學阻擋層以保護硅不受外部沾污[1]。半導體工藝就是在晶片上執行一系列復雜的化學或者物理操作，制作能實現各種需要的器件，如二極管、三極管、集成電路及CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補金屬氧化物半導體）器件等。這些工藝基本可以分為四大基本類[2]：薄膜工藝、刻印工藝、刻蝕工藝和摻雜工藝。在幾大類工藝上進行技術及工藝參數的增減和變換，并在有限的工藝流程中重復循環，并最終形成產品。

1.1 光刻

光刻是工藝線核心，也是衡量工藝線的標準。隨著大規模集成電路需求的不斷增加，促進了微細加工的發展，滿足特殊需要的大面陣器件大規模集成化已有了顯著的突破。如果產品器件綜合各項要求的情況下，最細線條設計為（0.7～1）μm，考慮一定的冗余度，光刻應選取最小分辨率0.5μm，既0.5μm生產線。大尺寸器件還受到光刻曝光視場的限制。受制于物鏡尺寸，一般光刻機的視場通常為（22×22）mm 或（22×27）mm，如果大于這個數，就可以稱為大視場光刻機，目前光刻機最大的視場為（50×50）mm，但仍不能滿足尺寸達到（100×100）mm左右的大尺寸器件的科研和生產要求。大視場會犧牲分辨率指標，不符合高度集成化的要求。解決光刻視場小于器件尺寸的辦法只能采用拼接技術[3]。假設研制的器件結構由4個區組成，在制作掩模版時分成4個獨立的區域，然后采用4次曝光的方式逐次選擇區域曝光，一次顯影形成所需要的圖形。圖1為光刻拼接過程示意圖。

光刻拼接方案工藝試驗驗證，用4英寸2μm分辨率光刻機進行拼接試驗,如圖2所示。拼接技術是光刻套刻技術的延伸。采用拼接技術，需要掩模版設計人員做更多的考慮，為了滿足大尺寸器件的工藝制作，必須采用較高的拼接工藝技術，并要求光刻機的套準精度≤100nm。

圖1 光刻拼接示意

圖2 光刻拼接試驗圖片

1.2 金屬化

金屬化工藝的選擇直接關系到諸多設備的配置。根據先進的IC（IntegratedCircuit，集成電路）制造工藝，選用金屬銅作為引線，可大幅度提高器件的性能。銅布線與鋁布線，在工藝路線和工藝設備的選擇上，存在較大差異。盡管銅的電導率優于鋁，但腐蝕銅一直是個工藝難點。圖3為金屬工藝后的切面照片及多種材料的電導率。

圖3 金屬切面照片及材料電導率

金屬鎢常用作接觸孔或通孔材料。由于鎢薄膜較難刻蝕平坦，會產生介質覆蓋問題，需要增加淀積工藝設備和等離子刻蝕工藝設備。工藝接觸孔的大小決定工藝設備的配置，設計孔的尺寸＞0.7μm，鋁可以滿足工藝要求。如果購進鎢工藝相關設備，又可以不選用鎢工藝，將造成巨大的設備和固定資產浪費。

除刻印工藝和薄膜工藝，復雜的半導體器件制作方案涉及上百個工藝過程，每一個工藝過程都需要事先規劃工藝路線。另外，還要考慮保障工藝線完整及可靠運行的在線測試及封裝工藝。將這些工藝路線集成后形成一種半導體器件的工藝線建設方案。

2 設備配置

工藝流程不同，設備的配置情況也不同。設備的配置除保障工藝線的基本需要，還要根據情況適當兼顧未來數年能滿足科研及生產的需要。圖4為硅工藝線大尺寸器件工藝流程。

按生產流程和設備工藝情況，可以分為熱工序、薄膜工序、光刻工序、刻蝕工序、離子注入工序、在線檢測工序、中測工序和封裝工序。以關鍵工序光刻和離子注入為例，說明設備配置情況。

2.1 光刻設備

光刻工序主要包括涂膠工藝、曝光和顯影，根據工藝路線可以確定主要設備及基本性能參數（表1）。光刻工序根據需要配備烘箱和堅膜機，并做相應的參數設置。光刻工藝需要嚴格的質量控制，用顯微鏡就能發現各種缺陷，諸如曝光量、顯影時間和套刻精度等情況。如果要求更高，還可以配置掃描電鏡、顆粒度測試儀、線寬測試儀和缺陷測試儀。

表1 光刻工序主要設備技術參數

2.2 離子注入設備

離子注入工序是通過高壓離子轟擊將雜質引人硅片晶體結構中。在晶片制造中，有兩種方法可以向硅片中引入雜質元素，即熱擴散和離于注入。隨著特征尺寸的不斷減小和相應的器件縮小，現代半導體制造中幾乎所有摻雜工藝都采用離子注入方式實現。根據工藝路線可以確定主要設備及基本性能參數（表2）。完成注入工序還需要配備快速退火爐，并做相應的參數設置。注入工藝需要嚴格的質量控制，需要配置顆粒度測試儀、四探針、C—V測試儀和Hall測試儀。

表2 離子注入工序主要設備技術參數

3 設備選型

設備的選型是通過技術性與經濟性的分析、評價及比較后，從可以滿足相同需求的多種型號設備中選擇最佳的決策。依據設備選型理論的指導，在半導體設備選型過程中應遵循3個基本原則：生產適用性原則、技術先進性原則和經濟合理性原則。在半導體設備選型時，要將上述三大原則統一權衡，根據具體情況賦予各原則不同的權重以獲得最合適的設備。

光刻機的選型

掃描步進投影光刻機是6英寸工藝線主流，應該首先從技術上進行論證。光刻最關鍵的兩項技術指標是光刻分辨力和套刻精度。一般用分辨率R和焦深DOF描述，若投影光刻物鏡的曝光波長為λ，數值孔徑為NA，則這2個量可用公式（1）和公式（2）表示[4]。

式中λ為投影光源波長，K為工藝系數因子，NA為投影光刻物鏡數值孔徑。從式（1）可以看出，提高光刻分辨力可以通過縮短激光波長、降低工藝系數因子K1和提高投影光刻物鏡數值孔徑NA實現。但提高分辨率是以犧牲焦深為代價，而焦深也是制約光刻工藝的重要因素。從光刻線寬與焦深的關系曲線（圖5）可以看出0.5μm工藝線寬對應焦深1.1μm左右，焦深＞0.95μm的器件工藝臺階高度，滿足設備選型要求。

對科研院所而言，建立半導體工藝線主要用于研發和小規模生產，力求穩打穩扎地逐步升級，只要工藝線能滿足產品要求，并不追求一步到位的采用最新的12英寸線。6英寸線二手翻新光刻機是很好的選擇，6英寸線步進光刻機的主要生產廠家有Nikon，Canon和ASML家。由于ASML光刻機能夠原廠翻新，后續維護可以得到保證，只需要在價格合適的情況下選擇具體的型號。不同型號采用不同的技術，性能和價格也不同，在資金預算內選擇能滿足產品工藝要求的型號，同時還要兼顧未來發展的需要。

其他設備的選型還要考察設備廠家的實力，后續維護能力以及設備在世界范圍的銷售情況和用戶使用情況。

4 結束語

半導體行業中有部分企業有些設備本身沒有問題，因不能滿足產品研發和生產的需要而閑置，是工藝線設備配置和選型工作做得不夠造成的。半導體設備有其特殊之處，只有把握好每一個細節，才能使設備配置和選型獲得成功。無論工藝線規模大小，無論是哪種工藝，都需要針對產品和設備做深入的研究。

圖5 光刻線寬與焦深關系曲線

［1］F.SeitzandN.Einspruch,ElectronicGenie∶TheTangledHistoryOf Silicon，Urbana,（UniversityOfIllinoisPress，1998），P.175.

［2］MichaelQuirk，韓鄭生，等譯.半導體制造技術［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［3］李佳，高健威，袁安波，等.大陣列CCD光刻圖形拼接技術研究［J］.半導體光電，2015（6）：936-938.

［4］姚漢民，胡松，邢廷文.光學投影曝光微納加工技術［M］.北京：北京工業大學出版社，2006.