半导体设备与工艺技术的现状及新技术林柏风

半导体设备与工艺技术的现状及新技术林柏风

林柏风

（深圳方正微电子有限公司广东518116）

摘要：半导体制造商为追求更高的利润和提高自身的竞争力，必然将不断缩小设计规则、增大硅片直径和芯片面积。随着特征尺寸的缩小、硅片尺寸的增大和新材料的应用，必然对半导体设备也提出相应的要求，新技术的应用必然要求相应的设备，从而推动设备进行相应的改进、创新和发展，同时新设备的出现反过来又推动工艺技术的进步。

关键词：半导体设备；工艺技术；发展动态；技术

1半导体工艺技术与半导体设备

半导体工艺技术是一种综合技术，其中以光刻、刻蚀为代表的微细加工技术则是半导体工艺技术中最为关键的技术，并决定了最小线宽的极限。随着工艺技术从1μm以上发展到当今的14nm大生产及5-7nm研发水平。随着特征尺寸的缩小、硅片尺寸的增大和新材料的应用，必然对半导体设备也提出相应的要求。随着工艺技术的发展，半导体设备必将相应发展。以刻蚀设备为例，已经历了湿法腐蚀、桶式及平行板式等离子刻蚀、反应离子/磁增强反应离子刻蚀（RIE/MERIE）、和去耦合等离子刻蚀（DPS-DecoupledPlasmaSource）等阶段。从应用材料公司的金属刻蚀设备的发展历程，可清楚揭示半导体设备与工艺技术水平的相互关系。

2半导体设备与5μm以上工艺技术

当半导体器件特征尺寸在与5μm以上时，工艺对设备的要求很低。此时大多数刻蚀是湿法加上一些桶式/平行板式等离子刻蚀。湿法刻蚀的优点是选择比高、无损伤、成本低。缺点是各向同时刻蚀、难于小尺寸腐蚀和难于自动化。桶式/平行板式等离子刻蚀设备结构非常简单并具有一些湿法所没有的优点。但由于其各向同性刻蚀及均匀性较差等问题而使其主要用于去胶和一些非重要的刻蚀。如LocosSi3N4等。另外，桶式等离子设备不能用于铝的刻蚀。

3应用材料公司PE8300反应离子刻蚀系列与1μm工艺技术

随着半导体工艺特征尺寸发展到1μm左右时，对CD及刻蚀形貌等技术指标提出了更高要求。显然，湿法及桶式刻蚀已无法满足要求。八十年代初，应用材料公司推出的PE8330系列离子刻蚀设备很好的满足了这种要求并得到全球市场的广泛认同。国内大多数有代表性的半导体制造厂和研究所均有这种设备。PE8300系列采用六面体反应室结构及低压工艺。片盒到片盒、一次可加工处理125mm片24板或150mm片18枚。因此在较低的工艺压力下仍可达到较高的产量。由于反应室阳极面积远远大于阴极、因此在低压下可能获得具有方向性的离子轰击，从而实现各向异性刻蚀并控制刻蚀剖面的形貌。此外，硅片的刻蚀和钝化处理均在真空下一次完成，有效地防止了金属刻蚀后的后腐蚀（Post-Corrosion）问题。

4应用材料公司P5000MarkⅡ/MXPRIE系列与0.5μm工艺技术

PE8300系列的出现，极大地推进了半导体工艺研究和生产的发展，使其成为150mm以下、0.8μm以上工艺的主流设备。但是其本身的结构特点限制了他的进一步应用。九十年代初，当硅片直径增大到200mm、器件特征尺寸缩小到0.5μm时，与1μm技术相比，增加了PBL（多晶缓冲LOCOS）、ONO结构（氧化物/氮化物/氧化物）、SOG平坦化、W-Plug和三明治金属化结构（TiN/AlSiCu/TiN/Ti）等新工艺技术。在此情况下，PE8300愈来愈难以满足工艺对关键尺寸精度（CD）和均匀性等指标的要求。此时迫切需要一种刻蚀快速均匀、控制精确和工艺干净的设备。应用材料公司P5000MarkⅡ/MXP系列产品的推出可以说具有划时代的意义。单片式、片盒到片盒和多腔体的主机结构作为标志性产品被收藏在美国国家博物馆中。在通常的单片式、单腔体刻蚀机中，由于每次只能处理一枚硅片，故产量受到很大影响。但P5000MarkⅡ/MXP系列采用多腔体（可多至四个）和高工艺压力而弥补了上述不足。其磁增强反应离子刻蚀（MERIE）的模式满足了0.5μm大生产、0.35μm小批量生产的要求。如在腔体中配备衬套（Liner）和静电吸盘（ESC），可分别减少腔体清洗后的恢复时间和颗粒。从而提高生产产量和成品率。在金属刻蚀设备中，在同一主机上还配置了用于去胶和钝化的腔体ASP（AdvancedStripandPassivation）。硅片在刻蚀后直接进入该腔去胶和纯化，从而有效解决了后腐蚀（Corrision）问题。多腔体另一大好处是可在同一主机上可配置不同的工艺腔体，从而可进行工艺集成、减少工艺步骤和提高工艺质量。这为半导体生产引入了新的概念并促进了工艺技术的发展。这一概念已得到世界半导体制造业的广泛认同。

5应用材料公司CenturaDPS与0.35μm以下工艺技术

P5000MarkⅡ/MXP在0.5μm大生产中的成功应用，为半导体工艺的发展作出了巨大的推动作用。但随着器件特征尺寸的进一步缩小（≤0.35μm）、台阶高宽比（AspectRatio）的增加以及新材料的应用等因素。对刻蚀速率、选择比、关键尺寸精度（CDLoss）以及微负载效应（Microload-ing）等指标的要求又提高了一步。在此情况下，采用高工艺压力和单个射频源（RF）的P5000MarkⅡ/MXPMERIE系列已不再满足上述要求。Centura主机上可同时配置四个工艺腔体、即可同时处理四枚硅片。DPS刻蚀腔体配有两个不同频率的射频（RF）发生源。一个RF源通过腔体的陶瓷圆顶盖上的线圈耦合到反应室中产生均匀的等离子体，该等离子体的浓度随RF功率的大小线性增加。另一个RF源被连接到腔体的阴极为加速离子提供偏压，从而使轰击硅片的离子具有方向性。等离子体浓度和能量的分开控制极大地加宽了工艺窗口和增加了工艺灵活性，从而精确控制刻蚀面的形貌和关键线宽等参数，克服了以前的设备无法得到理想折中结果的问题。此外，CenturaDPS在减少颗粒方面采取了许多措施，从而满足了0.35μm及以下工艺的要求。该产品自推出以来迅速占领市场，市场份额居全球第一。在我国最大最先进的半导体制造厂华虹NEC的金属和多晶刻蚀工艺中占有率为100%。成为华虹NEC非常关键的设备和今后发展的基础。

6半导体工艺技术对半导体设备的挑战

半导体制造商为追求更高的利润和提高自身的竞争力，必然将不断缩小设计规则、增大硅片直径和芯片面积。我们可以看到工艺和器件技术的发展趋势以及当今所面临的挑战：超微细光刻和刻蚀技术、铜互连线和低κ互连绝缘介质、高κ栅介质（Ta2O5、BST等）、300mm技术、SOI技术及GeSi技术等。这些新技术的应用必然要求相应的设备，从而推动设备进行相应的改进、创新和发展。例如铜的Dual-Damascene互连技术推动了铜CVD、铜电镀（ECP）和CMP（化学机械抛光）等设备的发展。同时这些设备的出现反过来又推动工艺技术的进步。这种关系通过表列举的互连技术的要求得到进一步说明。

结束语：

半导体工艺对半导体设备的要求已从过去的能做、到做好，发展到现在的能做、到做好、到低成本。另一个趋势要求设备供应商不但提供硬件，还要提供相应的全套工艺模块和维修服务。这种趋势的发展使半导体设备与工艺的关系更加紧密，同时也使半导体设备的作用更加重要。

参考文献：

[1]艾恩溪．解读集成电路产业发展推进纲要畅谈发展大计[J].集成电路应用，2014（12）.112

[2]电力设备维修诊断与预防性试验[M].北京：中国电力出版社，2014.224

[3]预测性维修原理及其应用[J].化工机械，2006.35-45