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1目录第2章半导体芯片制造工艺与设备...........................................................................................12.1概述....................................................................................................................................12.2薄膜生成工艺.....................................................................................................................52.2.1薄膜生成方法..........................................................................................................52.2.2氧化工艺..................................................................................................................62.2.3淀积工艺..................................................................................................................72.3图形转移工艺...................................................................................................................102.3.1图形化工艺方法...................................................................................................102.3.2光刻工艺................................................................................................................112.3.3刻蚀工艺...............................................................................................................162.4参杂工艺...........................................................................................................................172.4.1扩散........................................................................................................................172.4.2离子注入................................................................................................................182.5其他辅助工艺...................................................................................................................192.5.1热处理工艺............................................................................................................192.5.2清洗工艺................................................................................................................212.5.3CMP.......................................................................................................................222.6半导体芯片制造工艺设备..............................................................................................232.6.1半导体芯片制造工艺设备分类............................................................................232.6.2半导体制造的关键设备.........................................................错误!未定义书签。第2章半导体芯片制造工艺与设备2.1概述1.固态半导体芯片的制造过程半导体芯片的种类及结构形式有多种多样，但是制造过程基本相同。以固态半导体芯片的制造过程为例，固态半导体器件制造大致经历5个阶段：材料准备、晶体生长和晶圆准备、晶圆制造和分选、封装、终测。这五个阶段是独立的，分别作为半导体芯片制造的工艺过程，一般由不同的企业独立完成。（1）材料准备材料准备是指半导体材料的开采并根据半导体标准进行提纯。硅以沙子为原料，沙子通2过转化可成为具有多晶硅结构的纯净硅。（2）晶体生长和晶圆准备在固态半导体器件制造的第二个阶段，材料首先形成带有特殊的电子和结构参数的晶体。之后，在晶体生长和晶圆准备工艺中，晶体被切割成被称为硅片（通常也被称为晶圆）的薄片，并进行表面处理。如图2.1所示，第二阶段工艺过程分为十个步骤：单晶生长、生成单晶硅锭、单晶硅锭去头和径向研磨、定位边研磨、硅片切割、倒角、粘片、硅片刻蚀、抛光、硅片检查。图2.1晶体生长和晶圆准备晶体生长和晶圆准备设备包括单晶硅制造设备、圆片整形加工研磨设备、切片设备、取片设备、磨片倒角设备、刻蚀设备、抛光设备、清洗和各种检验设备等，最后是包装设备。（3）晶圆制造第三个阶段是晶圆制造，也叫集成电路的制造或芯片制造，也就是在硅片表面上形成器件或集成电路。在每个晶圆上可以形成数以千计的同样器件。在晶圆上由分立器件或集成电路占据的区域称为芯片。在封装之前还需要对晶圆上的每个芯片做测试，对失效芯片做出标记。（4）封装、测试后面两个阶段是封装和测试。封装是通过一系列的过程把晶圆上的芯片分割开，然后将它们封装起来。最后对每个封装好的芯片做测试，并剔除不良品，或分成等级。从载有集成电路的晶圆到封装好的芯片，这一过程通常称为集成电路的后道制造，需要经过的工序大致包括：晶圆测试，晶圆减薄和划片，贴片与键合，芯片封装，成品芯片测3试等工艺过程。半导体芯片的封装、测试工艺过程及设备使用将在本书第3章做详细介绍。2.晶圆制造工艺过程半导体芯片制造即晶圆制造是一个非常复杂的过程。在半导体制造工艺中COMS技术具有代表性，我们以COMS工艺为例说明半导体制造的基本流程。图2.2为COMS工艺流程中的主要制造步骤，基本工艺过程包括硅片氧化工艺、在氧化硅表面涂敷光刻胶、使用紫外光曝光、曝光后显影露出氧化硅表面、刻蚀氧化硅表面、去除未曝光的光刻胶、形成栅氧化硅、多晶硅淀积、多晶硅光刻及刻蚀、离子注入、形成有源区、氮化硅淀积、接触刻蚀、金属淀积与刻蚀。氧化(场氧)硅衬底二氧化硅氧光刻胶显影氧化硅光刻胶涂胶光刻胶掩模板-硅片对准与曝光掩模板UV光曝光过的光刻胶曝光过的光刻胶GSD有源区氮化硅顶部SDG氮化硅氮化硅淀积接触孔SDG接触刻蚀离子注入oxDG扫描离子束S金属淀积与刻蚀drainSDG金属接触多晶硅淀积多晶硅硅烷气体掺杂气体氧化(栅氧化硅)栅氧化硅氧光刻胶去除氧化硅离子化的氧气氧化硅刻蚀光刻胶氧化硅离子化CF4气体多晶硅光刻与刻蚀离子化CCl4气体图2.2COMS工艺流程中的主要制造步骤大批量的芯片生产一般是在晶圆制造厂中集中加工制造的。如图2.3所示，硅片的制造分为6个独立的生产区域：扩散（包括氧化、淀积和掺杂工艺）、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。4图2.3亚微米COMSIC制造厂典型的硅片流程模型从图2.3我们可以看出半导体制造的主要工艺是在多次重复进行“形成薄膜”、“光刻”、“刻蚀”、“扩散”、“注入”和“抛光”等工艺，在重复进行的工艺之间穿插“清洗、热处理、工艺检测”等工艺。（1）扩散扩散一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散的主要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。（2）光刻光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一种光敏的化学物质，它通过深紫外线（或极紫外线）曝光来印制掩模板的图像。涂胶和显影设备是用来完成光刻的一系列工具的组合。光刻过程包括预处理、涂胶、甩胶、烘干，然后用机械臂将涂胶的硅片送入光刻机。以步进式光刻机为例，在进行硅片和掩模板的对准、聚焦后，步进式光刻机先曝光硅片上的一小片面积，随后步进到硅片的下一区域并重复这一过程。（3）刻蚀刻蚀是在没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀工艺一般使用等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。现在主要使用干法等离子体刻蚀工艺。（4）离子注入离子注入是亚微米工艺中最常见的掺杂方法。将要掺入的杂质，如砷(As)、磷（P）、硼（B）注入离子注入机，经过电离，再由高电压或磁场控制并加速，高能杂质离子穿透涂胶硅片的表面，最后进行去胶和清洗硅片完成离子注入。（5）薄膜生长薄膜生长工艺用来加工出半导体中的介质层、金属层。薄膜工艺包括化学气相淀积（CVD）和金属溅射（物理气相淀积，PVD）。薄膜产生后需要使用快速退火装置（RPT）修复离子注入引入的衬底损伤，以及完成金属的合金化。最后使用湿法清洗设备进行硅片清洗。（6）抛光CMP（化学机械平坦化）工艺用于硅片表面的平坦化。CMP用化学腐蚀与机械研磨相结合，以去除硅片表面的凹凸不平。主要设备是抛光机，辅助设备包括刷片机、5清洗装置和测量工具。尽管半导体制造工艺非常复杂，但是产业界通常将这些复杂的工艺过程归纳为加法工艺、减法工艺、图形转移工艺及辅助工艺等工艺过程。加法工艺。包括掺杂和薄膜工艺，使用设备主要有扩散炉、离子注入机和退火炉。薄膜工艺包含氧化、化学气相淀积、溅射和外延，使用设备包括氧化炉、CVD反应炉、溅射镀膜机和外延设备。掺杂工艺中有扩散和离子注入工艺。减法工艺。是指刻蚀工艺，包括干法刻蚀和湿法腐蚀，使用设备包括湿法刻蚀机、反应离子刻蚀机。图形转移工艺。主要方法为光刻工艺。使用设备有涂胶和显影设备，以及光刻机。辅助工艺。主要包括抛光与清洗。抛光一般使用化学机械平坦化完成抛光工艺，使用设备有CMP抛光机、硅片清洗机等。行业内也将半导体制造工艺过程分为四种基本工艺：薄膜生成工艺、图形转移工艺、掺杂工艺、其他辅助工艺（包括热处理工艺、清洗工艺、CMP）。下面我们将分别介绍这四种工艺及其使用设备。2.2薄膜生成工艺2.2.1薄膜生成方法图2.4所示薄膜生成工艺是通过生长或淀积的方法，生成集成电路制造过程中所需的各种材料的薄膜，如金属层、绝缘层、半导体层等。半导体中各个层次的制造工艺如表