半导体器件原理与工艺

半导体器件原理与工艺第1页/共68页光刻将掩模版上的图形转移到硅片上第2页/共68页光刻的工艺流程后烘、刻蚀去胶对位曝光光源涂胶、前烘显影负胶正胶第3页/共68页第4页/共68页光刻的工艺流程二.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）第5页/共68页涂胶旋转涂法第6页/共68页前烘前烘的目的：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第7页/共68页第8页/共68页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第9页/共68页套准偏差+Y-Y+X-X+Y-Y+X-X完美的套准精度套准偏移第10页/共68页显影目的：利用化学显影液把通过曝光后可溶性光刻胶溶解掉，从而把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中显影液负胶：二甲苯溶剂有机溶剂使有机的光刻胶易产生溶涨现象正胶：四甲基氢氧化铵（TMAH)水性显影液不会使光刻胶产生不涨现象，仅需去离子水冲洗第11页/共68页坚膜目的蒸发掉剩余的溶剂，使光刻胶变硬，提高光刻胶与衬底的粘附性温度正胶：130℃负胶：150℃第12页/共68页LithographcSystem光刻系统的设备需要甩胶机烘箱或热板对准与曝光机对准机Aligner-3个性能标准分辨率:3σ<10%线宽对准:产量第13页/共68页第14页/共68页第15页/共68页第16页/共68页光刻分辨率对准机和光刻胶的分辨率是曝光波长的函数波长越短,分辨率越高短波长能量高，曝光时间可以更短、散射更小第17页/共68页光源系统光源HgArclamps436(G-line),405(H-line),365(I-line)nmExcimerlasers:KrF(248nm)andArF(193nm)第18页/共68页接触式光刻ResolutionR<0.5µm掩膜板容易损坏或沾污第19页/共68页接近式光刻最小特征尺寸：K~1,~波长，g~间距最小特征尺寸~3um第20页/共68页投影式光刻增加数值孔径NA，最小特征尺寸减小，但聚焦深度也减小，必须折中考虑。聚焦深度第21页/共68页光刻胶负胶NegativeResist---曝光区域保留正胶PositiveResist---曝光区域去除光刻胶的成份Resin或

basematerialsPhotoactivecompound(PAC)Solvent第22页/共68页光刻胶的性能及其主要的测定方法光刻胶的主要特性分辨率、对比度、敏感度、粘滞性、粘附性、抗蚀性、表面张力、沾污和颗粒等灵敏度---发生化学变化所需的光能量分辨率---在光刻胶上再现的最小尺寸对比度---光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度第23页/共68页光刻胶的性能-1敏感度：硅片表面光刻胶中产生一个良好图形所需要的一定波长光的最小能量值粘滞性：对于液体光刻胶来说其流动性的定量指标抗蚀性：在湿刻和干刻中保护衬底表面的性质第24页/共68页光刻胶的性能-2粘附性：描述了光刻胶粘着于衬度的强度表面张力：液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力第25页/共68页聚合物聚合物是由许多小的重复单元连接而成的。结构：串联、分支、交联光刻胶爆光产生断链正胶爆光产生交联负胶第26页/共68页DQN正胶感光化合物DQ基体材料N第27页/共68页DQN正胶的典型反应PAC的氮分子键很弱，光照会使其脱离Wolff重组，形成乙烯酮初始材料不溶于基本溶液PAC为抑制剂。第28页/共68页DQN正胶感光机理重氮醌类化合物经紫外光照射后，分解释放出氮气，同时分子结构进行重排，产生环的收缩作用，再经水解生成茚羧酸衍生物，成为能溶于碱性溶液的物质，从而显示图形第29页/共68页光刻胶的对比度第30页/共68页光刻胶的对比度对比度：第31页/共68页光刻胶的涂敷与显影第32页/共68页显影中的三个主要问题第33页/共68页甩胶第34页/共68页第35页/共68页先进光刻技术浸入光刻ImmersionLithography电子束光刻ElectronbeamLithographyX-RayLithography离子束光刻IonBeamLithography纳米压印光刻NanoimprintLithography第36页/共68页浸入光刻Aliquidwithindexofrefractionn>1isintroducedbetweentheimagingopticsandthewafer.优点:分辨率与n成正比;聚焦深度增加第37页/共68页电子束光刻波长例:30keV,=0.07A缺点:束流大,10’smA产量低,10wafers/hr.第38页/共68页X-RayLithographySynchrotronRadiation第39页/共68页投影式X射线光刻第40页/共68页离子束光刻第41页/共68页Pt淀积第42页/共68页FEA制造第43页/共68页纳米压印光刻第44页/共68页纳米压印光刻极高分辨率:可以形成<10nm的结构第45页/共68页LiftOff工艺Lift-offisaadditiveprocessformetalfilmpatterning:ThewaferiscompletelycoveredbyaphotoresistlayerpattenedwithopeningswherethefinalmaterialistoappearThethinfilmlayerisdepositedoverthesurfaceofthewaferAnymaterialdepositedontopoftheresistwillberemovedwiththeresist,leavingthepatternedmaterialsonthewaferLift-offrequiresthemetalfilmtobethinnerthanthephotoresist.Thisrequirementlimitsthemetallinewidth.Thinnerlinewidthsnormallyrequirethinnerphotoresistlayers.第46页/共68页台阶效应第47页/共68页双面光刻ForMEMSdevice,thereisaneedfordouble-sidedlithographytoolTwocompanies:KarlSüssGmbH,Munich,GermanyKarlSüssMA-150productionmodesystemElectronicVersionsCampany,Schärding,AustriaOperationThemaskismechanicallyclampedThealignmentmarksonthemaskareviewedbyasetofdualobjectives,andimageiselectronicallystoredWaferisthenloadedwithbacksidealignmentmarksfacingthemicroscopeobjectivesThealignmentmarksisalignedtothestoredimage.Afteralignment,exposureofthemaskontothefront-sideofthewafer第48页/共68页双面光刻第49页/共68页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化学气相淀积物理淀积外延工艺集成CMOS双极工艺BiCMOSMEMS加工第50页/共68页刻蚀硅片表面形成光刻胶图形后，通过刻蚀将图形转移到wafer上干法、湿法等FigureofMerit:刻蚀速率均匀性选择比例：20:1=polysilicon:siliconoxide第51页/共68页刻蚀钻刻EtchrateanisotropyRL:lateraletchrateRV:verticaletchrateA=0,isotropicetchingA=1,anisotropicetching第52页/共68页腐蚀选择性S的定义WetEtchingS受化学溶液,浓度和温度控制RIES受等离子参数、气氛、气压、流量和温度影响第53页/共68页刻蚀PhysicaletchingChemicaletching第54页/共68页湿法腐蚀Anisotropy工艺简单高选择比无衬底损伤非各向异性工艺控制差沾污第55页/共68页腐蚀过程1反应剂传输到表面2化学反应3生成物离开表面第56页/共68页常见材料的腐蚀SiO2

的腐蚀6:1=HFThermalsilicondioxide,1200Å/minSiO2+6HFH2+SiF6+2H2ONH4FNH3+HFSi3N4的腐蚀20:1BHFatRT10Å/minH3PO4,140~200℃~100A/min3:10mixtureof49%HF(inH2O)and70%HNO3at70℃RSiO2/RSi>100:1第57页/共68页常见材料的腐蚀AluminumH3PO4+CH3COOH+HNO3+H2O(~30oC)磷酸H3PO4—起主要的腐蚀作用硝酸HNO3—改善台阶性能醋酸—降低腐蚀液表面张力水—调节腐蚀液浓度第58页/共68页硅各向同性腐蚀湿法腐蚀中的关键因素：氧化剂（例如H2O2,HNO3)

能溶解氧化表面的酸（HF）输送反应物的媒介（H2O，CH3COOH）第59页/共68页氧化还原反应腐蚀是一种电化学过程氧化是电子失去的过程，还原则是电子增加的过程；氧化还原反应：两种反应的竞争第60页/共68页硅的HNA腐蚀-1HF+HNO3+CH3COOH各向同性腐蚀总体反应：Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2腐蚀过程是硅的氧化然后被HF溶解的过程硅表面点随即变成氧化或还原点；类似于电化学电池第61页/共68页硅的HNA腐蚀-2硅在阳极附近失去电子转为强氧化态：*Si0+h2+Si2+在阴极的NO2不断减少以产生空穴：2NO22NO2-+2h+硅和OH-反应生成SiO2:Si2++2(OH)-Si(OH)2-+2SiO2+H2SiO2被HF溶解形成H2SiF6：SiO2+6HFH2SiF6+2HO2第62页/共68页硅