基于半導(dǎo)體的工藝線設(shè)備配置及選型技術(shù)

胡 偉，蔡穎嵐，鄧學(xué)文，賴忠良，唐代飛

（重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

0 引言

根據(jù)產(chǎn)品的用途，半導(dǎo)體工藝有基材、設(shè)計、流程和工藝條件的差別。針對不同的專業(yè)方向，不同的產(chǎn)品，半導(dǎo)體工藝線有不同的選擇，其中設(shè)備的配置和選型最關(guān)鍵。一種設(shè)備實現(xiàn)一種工藝，完整的工藝需要相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)建工藝線。由于半導(dǎo)體行業(yè)投入較大，科研院所通常采用建設(shè)一條小規(guī)模的工藝線來實現(xiàn)某一類產(chǎn)品的開發(fā)，并逐步小規(guī)模量產(chǎn)的方法。工藝線要滿足未來若干年的生產(chǎn)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(shè)備配置及設(shè)備選型技術(shù)。

1 工藝路線

硅作為半導(dǎo)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(zhì)量、穩(wěn)定的電絕緣材料。而且能充當(dāng)優(yōu)質(zhì)的化學(xué)阻擋層以保護硅不受外部沾污[1]。半導(dǎo)體工藝就是在晶片上執(zhí)行一系列復(fù)雜的化學(xué)或者物理操作，制作能實現(xiàn)各種需要的器件，如二極管、三極管、集成電路及CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)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(shù)及工藝參數(shù)的增減和變換，并在有限的工藝流程中重復(fù)循環(huán)，并最終形成產(chǎn)品。

1.1 光刻

光刻是工藝線核心，也是衡量工藝線的標(biāo)準(zhǔn)。隨著大規(guī)模集成電路需求的不斷增加，促進了微細(xì)加工的發(fā)展，滿足特殊需要的大面陣器件大規(guī)模集成化已有了顯著的突破。如果產(chǎn)品器件綜合各項要求的情況下，最細(xì)線條設(shè)計為（0.7～1）μm，考慮一定的冗余度，光刻應(yīng)選取最小分辨率0.5 μm，既0.5 μm生產(chǎn)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(shù)，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(chǎn)要求。大視場會犧牲分辨率指標(biāo)，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(shù)[3]。假設(shè)研制的器件結(jié)構(gòu)由4個區(qū)組成，在制作掩模版時分成4個獨立的區(qū)域，然后采用4次曝光的方式逐次選擇區(qū)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2 μm分辨率光刻機進行拼接試驗,如圖2所示。拼接技術(shù)是光刻套刻技術(shù)的延伸。采用拼接技術(shù)，需要掩模版設(shè)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(shù)，并要求光刻機的套準(zhǔn)精度≤100 nm。

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(guān)系到諸多設(shè)備的配置。根據(jù)先進的IC（Integrated Circuit，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(shè)備的選擇上，存在較大差異。盡管銅的電導(dǎo)率優(yōu)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(dǎo)率。

圖3 金屬切面照片及材料電導(dǎo)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(chǎn)生介質(zhì)覆蓋問題，需要增加淀積工藝設(shè)備和等離子刻蝕工藝設(shè)備。工藝接觸孔的大小決定工藝設(shè)備的配置，設(shè)計孔的尺寸＞0.7 μm，鋁可以滿足工藝要求。如果購進鎢工藝相關(guān)設(shè)備，又可以不選用鎢工藝，將造成巨大的設(shè)備和固定資產(chǎn)浪費。

除刻印工藝和薄膜工藝，復(fù)雜的半導(dǎo)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(guī)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(dǎo)體器件的工藝線建設(shè)方案。

2 設(shè)備配置

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

圖4 大尺寸器件工藝流程

按生產(chǎn)流程和設(shè)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(guān)鍵工序光刻和離子注入為例，說明設(shè)備配置情況。

2.1 光刻設(shè)備

光刻工序主要包括涂膠工藝、曝光和顯影，根據(jù)工藝路線可以確定主要設(shè)備及基本性能參數(shù)（表1）。光刻工序根據(jù)需要配備烘箱和堅膜機，并做相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。光刻工藝需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制，用顯微鏡就能發(fā)現(xiàn)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(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.2 離子注入設(shè)備

離子注入工序是通過高壓離子轟擊將雜質(zhì)引人硅片晶體結(jié)構(gòu)中。在晶片制造中，有兩種方法可以向硅片中引入雜質(zhì)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(yīng)的器件縮小，現(xiàn)代半導(dǎo)體制造中幾乎所有摻雜工藝都采用離子注入方式實現(xiàn)。根據(jù)工藝路線可以確定主要設(shè)備及基本性能參數(shù)（表2）。完成注入工序還需要配備快速退火爐，并做相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。注入工藝需要嚴(yán)格的質(zhì)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(shè)備技術(shù)參數(shù)

3 設(shè)備選型

設(shè)備的選型是通過技術(shù)性與經(jīng)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(shè)備中選擇最佳的決策。依據(jù)設(shè)備選型理論的指導(dǎo)，在半導(dǎo)體設(shè)備選型過程中應(yīng)遵循3個基本原則：生產(chǎn)適用性原則、技術(shù)先進性原則和經(jīng)濟合理性原則。在半導(dǎo)體設(shè)備選型時，要將上述三大原則統(tǒng)一權(quán)衡，根據(jù)具體情況賦予各原則不同的權(quán)重以獲得最合適的設(shè)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(yīng)該首先從技術(shù)上進行論證。光刻最關(guān)鍵的兩項技術(shù)指標(biāo)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(shù)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(shù)因子，NA為投影光刻物鏡數(shù)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(shù)因子K1和提高投影光刻物鏡數(shù)值孔徑NA實現(xiàn)。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(guān)系曲線（圖5）可以看出0.5 μm工藝線寬對應(yīng)焦深1.1 μm左右，焦深＞0.95 μm的器件工藝臺階高度，滿足設(shè)備選型要求。

對科研院所而言，建立半導(dǎo)體工藝線主要用于研發(fā)和小規(guī)模生產(chǎn)，力求穩(wěn)打穩(wěn)扎地逐步升級，只要工藝線能滿足產(chǎn)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(chǎn)廠家有Nikon，Canon和ASML家。由于ASML光刻機能夠原廠翻新，后續(xù)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(shù)，性能和價格也不同，在資金預(yù)算內(nèi)選擇能滿足產(chǎn)品工藝要求的型號，同時還要兼顧未來發(fā)展的需要。

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

4 結(jié)束語

圖5 光刻線寬與焦深關(guān)系曲線

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