半导体器件原理与工艺

半导体加工工艺原理概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀淀积技术CMOS光刻将掩模版上的图形转移到硅片上光刻的工艺流程后烘、刻蚀去胶对位曝光光源涂胶、前烘显影负胶正胶光刻的工艺流程二.涂胶1.涂胶前的准备工作：检查硅片表面的清洁度检查硅片表面的性质----接触检查硅片的平面度高温烘焙增粘剂处理（OAP处理）涂胶旋转涂法前烘前烘的目的：1.将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除2.增强光刻胶的粘附性以便在显影时光刻胶可以很好地粘附3.缓和在旋转过程中光刻胶膜内产生的应力对准和曝光对准和曝光的目的通过对准和曝光，把掩膜版的图形准确地通过紫处光投影到硅片表面的光刻胶上，使其选择性地发生光化学反应对准和曝光工艺代表了光刻中的主要设备系统套准偏差+Y-Y+X-X+Y-Y+X-X完美的套准精度套准偏移显影影目的的：：利用用化化学学显显影影液液把把通通过过曝曝光光后后可可溶溶性性光光刻刻胶胶溶溶解解掉掉，，从从而而把把掩掩膜膜版版的的图图形形准准确确复复制制到到光光刻刻胶胶中中显影影液液负胶胶：：二二甲甲苯苯溶溶剂剂有有机机溶溶剂剂使使有有机机的的光光刻刻胶胶易易产产生生溶溶涨涨现现象象正胶胶：：四四甲甲基基氢氢氧氧化化铵铵（（TMAH)水性性显显影影液液不不会会使使光光刻刻胶胶产产生生不不涨涨现现象象，，仅仅需需去去离离子子水水冲冲洗洗坚膜膜目的的蒸发发掉掉剩剩余余的的溶溶剂剂，，使使光光刻刻胶胶变变硬硬，，提提高高光光刻刻胶胶与与衬衬底底的的粘粘附附性性温度度正胶胶：：130℃负胶：：150℃LithographcSystem光刻系系统的的设备备需要要甩胶机机烘箱或或热板板对准与与曝光光机对准机机Aligner-3个性能能标准准分辨率率:3σ<10%线宽对准:产量光刻分分辨率率对准机机和光光刻胶胶的分分辨率率是曝曝光波波长的的函数数波长越越短,分辨率率越高高短波长长能量量高，，曝光光时间间可以以更短短、散散射更更小光源系系统光源HgArclamps436(G-line),405(H-line),365(I-line)nmExcimerlasers:KrF(248nm)andArF(193nm)接触式式光刻刻ResolutionR<0.5µµm掩膜板板容易易损坏坏或沾沾污接近式式光刻刻最小特特征尺尺寸：：K~1,~波长，，g~间距最小特特征尺尺寸~3um投影式式光刻刻增加数数值孔孔径NA，最小小特征征尺寸寸减小小，但但聚焦焦深度度也减减小，，必须须折中中考虑虑。聚焦深深度光刻胶胶负胶NegativeResist---曝光区区域保保留正胶PositiveResist---曝光区区域去去除光刻胶胶的成成份Resin或basematerialsPhotoactivecompound(PAC)Solvent光刻胶胶的性性能及及其主主要的的测定定方法法光刻胶胶的主主要特特性分辨率率、对对比度度、敏敏感度度、粘粘滞性性、粘粘附性性、抗抗蚀性性、表表面张张力、、沾污污和颗颗粒等等灵敏度度---发生化化学变变化所所需的的光能能量分辨率率---在光刻刻胶上上再现现的最最小尺尺寸对比度度---光刻胶胶上从从曝光光区到到非曝曝光区区过渡渡的陡陡度光刻胶胶的性性能-1敏感度度：硅硅片表表面光光刻胶胶中产产生一一个良良好图图形所所需要要的一一定波波长光光的最最小能能量值值粘滞性性：对对于液液体光光刻胶胶来说说其流流动性性的定定量指指标抗蚀性性：在在湿刻刻和干干刻中中保护护衬底底表面面的性性质光刻胶胶的性性能-2粘附性性：描描述了了光刻刻胶粘粘着于于衬度度的强强度表面张张力：：液体体中将将表面面分子子拉向向液体体主体体内的的分子子间吸吸引力力聚合物物聚合物物是由由许多多小的的重复复单元元连接接而成成的。。结构：：串联、、分支支、交交联光刻胶胶爆光产产生断断链正胶爆光产产生交交联负胶DQN正胶感光化化合物物DQ基体材材料NDQN正胶的的典型型反应应PAC的氮分分子键键很弱弱，光光照会会使其其脱离离Wolff重组，，形成成乙烯烯酮初始材材料不不溶于于基本本溶液液PAC为抑制制剂。。DQN正胶感感光机机理重氮醌醌类化化合物物经紫紫外光光照射射后，，分解解释放放出氮氮气，，同时时分子子结构构进行行重排排，产产生环环的收收缩作作用，，再经经水解解生成成茚羧羧酸衍衍生物物，成成为能能溶于于碱性性溶液液的物物质，，从而而显示示图形形光刻胶胶的对对比度度光刻胶胶的对对比度度对比度度：光刻胶胶的涂涂敷与与显影影显影中中的三三个主主要问问题甩胶先进光光刻技技术浸入光光刻ImmersionLithography电子束束光刻刻ElectronbeamLithographyX-RayLithography离子束束光刻刻IonBeamLithography纳米压压印光光刻NanoimprintLithography浸入光光刻Aliquidwithindexofrefractionn>1isintroducedbetweentheimagingopticsandthewafer.优点:分辨率率与n成正比比;聚焦深深度增增加电子束束光刻刻波长例:30keV,=0.07A缺点:束流大大,10’’smA产量低低,10wafers/hr.X-RayLithographySynchrotronRadiation投影式式X射线光光刻离子束束光刻刻Pt淀积FEA制造纳米压压印光光刻纳米压压印光光刻极高分分辨率率:可以形形成<10nm的结构构LiftOff工艺Lift-offisaadditiveprocessformetalfilmpatterning:ThewaferiscompletelycoveredbyaphotoresistlayerpattenedwithopeningswherethefinalmaterialistoappearThethinfilmlayerisdepositedoverthesurfaceofthewaferAnymaterialdepositedontopoftheresistwillberemovedwiththeresist,leavingthepatternedmaterialsonthewaferLift-offrequiresthemetalfilmtobethinnerthanthephotoresist.Thisrequirementlimitsthemetallinewidth.Thinnerlinewidthsnormallyrequirethinnerphotoresistlayers.台阶阶效效应应双面面光光刻刻ForMEMSdevice,thereisaneedfordouble-sidedlithographytoolTwocompanies:KarlSüüssGmbH,Munich,GermanyKarlSüüssMA-150productionmodesystemElectronicVersionsCampany,Schäärding,AustriaOperationThemaskismechanicallyclampedThealignmentmarksonthemaskareviewedbyasetofdualobjectives,andimageiselectronicallystoredWaferisthenloadedwithbacksidealignmentmarksfacingthemicroscopeobjectivesThealignmentmarksisalignedtothestoredimage.Afteralignment,exposureofthemaskontothefront-sideofthewafer双面面光光刻刻半导导体体加加工工工工艺艺原原理理概述述半导导体体衬衬底底热氧氧化化扩散散离子子注注入入光刻刻刻蚀蚀化学学气气相相淀淀积积物理理淀淀积积外延延工艺艺集集成成CMOS双极极工工艺艺BiCMOSMEMS加工工刻蚀蚀硅片片表表面面形形成成光光刻刻胶胶图图形形后后，，通通过过刻刻蚀蚀将将图图形形转转移移到到wafer上干法法、、湿湿法法等等FigureofMerit:刻蚀蚀速速率率均匀匀性性选择择比比例：：20:1=polysilicon:siliconoxide刻蚀蚀钻刻刻EtchrateanisotropyRL:lateraletchrateRV:verticaletchrateA=0,isotropicetchingA=1,anisotropicetching腐蚀蚀选选择择性性S的定定义义WetEtchingS受化化学学溶溶液液,浓度度和和温温度度控控制制RIES受等等离离子子参参数数、、气气氛氛、、气气压压、、流流量量和和温温度度影影响响刻蚀蚀PhysicaletchingChemicaletching湿法法腐腐蚀蚀Anisotropy工艺艺简简单单高选选择择比比无衬衬底底损损伤伤非各各向向异异性性工艺艺控控制制差差沾污污腐蚀蚀过过程程1反应应剂剂传传输输到到表表面面2化学学反反应应3生成成物物离离开开表表面面常见见材材料料的的腐腐蚀蚀SiO2的腐蚀6:1=HFThermalsilicondioxide,1200ÅÅ/minSiO2+6HFH2+SiF6+2H2ONH4FNH3+HFSi3N4的腐蚀20:1BHFatRT10Å/minH3PO4,140~200℃~100A/min3:10mixtureof49%HF(inH2O)and70%HNO3at70℃℃RSiO2/RSi>100:1常见材料料的腐蚀蚀AluminumH3PO4+CH3COOH+HNO3+H2O(~30oC)磷酸H3PO4—起主要的的腐蚀作作用硝酸HNO3—改善台阶阶性能醋酸—降低腐蚀蚀液表面面张力水—调节腐蚀蚀液浓度度硅各向同同性腐蚀蚀湿法腐蚀蚀中的关关键因素素：氧化剂（（例如如H2O2,HNO3)能溶解氧氧化表面面的酸（（HF）输送反应应物的媒媒介（（H2O，CH3COOH）氧化还原原反应腐蚀是一一种电化化学过程程氧化是电电子失去去的过程程，还原则是是电子增增加的过过程；氧化还原原反应：：两种反反应的竞竞争硅的HNA腐蚀-1HF+HNO3+CH3COOH各向同性性腐蚀总体反应应：Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2腐蚀过程程是硅的的氧化然然后被HF溶解的过过程硅表面点点随即变变成氧化化或还原原点；类类似于电电化学电电池硅的HNA腐蚀-2硅在阳极极附近失失去电子子转为强强氧化态态：*Si0+h2+Si2+在阴极的的NO2不断减少少以产生生空穴：：2NO22NO2-+2h+硅和OH-反应生