加工工艺3_____.ppt

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BiCMOS 光刻 将掩模版上的图形转移到硅片上 LithographcSystem 光刻系统的设备需要甩胶机烘箱或热板对准与暴光机对准机Aligner 3个性能标准分辨率 3 10 线宽对准 产量 光刻分辨率 对准机和光刻胶的分辨率是爆光波长的函数波长越短 分辨率越高短波长能量高 爆光时间可以更短 散射更小 光源系统 光源HgArclamps436 G line 405 H line 365 I line nmExcimerlasers KrF 248nm andArF 193nm 接触式光刻 ResolutionR 0 5 m掩膜板容易损坏或沾污 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 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 光刻胶 负胶NegativeResist 爆光区域保留正胶PositiveResist 爆光区域去除光刻胶的成份Resin或basematerialsPhotoactivecompound PAC Solvent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 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 DQN正胶 感光化合物DQ基体材料N 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 DQN正胶感光机理 邻叠氮萘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 光刻胶的对比度 光刻胶的对比度 对比度 光刻胶的涂敷与显影 显影中的三个主要问题 甩胶 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 浸入光刻 Aliquidwithindexofrefractionn 1isintroducedbetweentheimagingopticsandthewafer 优点 分辨率与n成正比 聚焦深度增加 电子束光刻 波长例 30keV 0 07A缺点 束流大 10 smA产量低 10wafers hr X RayLithography SynchrotronRadiation 投影式X射线光刻 离子束光刻 Pt淀积 FEA制造 纳米压印光刻 纳米压印光刻 极高分辨率 可以形成 10nm的结构 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BiCMOS 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 刻蚀 钻刻EtchrateanisotropyRL lateraletchrateRV verticaletchrateA 0 isotropicetchingA 1 anisotropicetching 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 刻蚀 PhysicaletchingChemicaletching 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 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 常见材料的腐蚀 SiO2的腐蚀6 1 HFThermalsilicondioxide 1200 minSiO2 6HFH2 SiF6 2H2ONH4F NH3 HFSi3N4的腐蚀20 1BHFatRT10 minH3PO4 140 200 100A min3 10mixtureof49 HF inH2O and70 HNO3at70 RSiO2 RSi 100 1 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 硅的腐蚀 HF HNO3Si HNO3 6HF H2SiF6 HNO2 H2 H2O 硅的腐蚀 KOH IPA H2O 23 4 13 5 63 R 100 100XR 111 SiO2可以作为短时间掩膜 全自动湿法腐蚀操作设备 手动腐蚀设备操作 ChemicalMechanicalPolishing CMP 互连平坦化以KOH 或NH4OH为基体的含SiO2颗粒的磨料颗粒尺寸0 03 0 14 m 等离子刻蚀 容易控制对温度不敏感高各向异性刻蚀步骤 气体离化 离子扩散到硅片表面 膜反应 生成物解析 抽离反应腔 C F CF4 等离子体 SiO2 F SiF4 O2 BCl3 等离子体 B Cl Al Cl AlCl3 C F CF4 等离子体 W F WF3 等离子刻蚀 直流辉光放电 典型压力 1Torr极间电场 100V cm 裂解e AB A B e原子离化e A A e e分子离化e AB AB e e原子激发e A A e分子激发e AB AB e 直流辉光放电 极间高压电弧产生离子和电子阴极产生二次电子 射频放电 直流放电绝缘材料表面由于产生二次电子会屏蔽电场交流放电 刻蚀设备 高压等离子刻蚀 高压 平均自由程 腔体尺寸刻蚀主要靠化学作用少量的O2加入可以提高CF4刻蚀速率C O CO2 C F Si Si Si F 17kcal mole 500mTorrCF4对Si的腐蚀的基本思想是Si F代替Si Si 等离子打破105kcal mole 打破能量42 2kcal mole 130kcal mole 选择性刻蚀 H2加入减少F 形成富碳等离子 IonMilling 采用的惰性气体Ar纯粹的物理轰击高定向性选择比差 离子铣可能带来的问题 斜坡转移不均匀刻蚀沟槽 ReactiveIonEtching RIE 硅片放置在功率电极上低压工作 离子的平均自由程较大 RIE Cl对硅进行各向异性刻蚀Cl对不掺杂的硅的腐蚀较慢对掺杂的N Si和polySi非常快衬底电子迁移效应离子轰击加速了Cl的穿透效应 RIE 草地问题 DamageinRIE 衬底上残余损伤在聚合物刻蚀中 会留下残膜 气相颗粒淀积衬底上可能有金属杂质物理损伤和杂质drivein含C的RIE刻蚀 30 300A硅碳化合物和损伤Si H键缺陷损伤 HDP刻蚀 磁场的存在 电子的路径被延长了很多 碰撞几率增大 导致离子密度和自用基的密度很大 ECR系统Si SiO2的高选择性ICP系统不需外加磁场 用RF激发 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BiCMOS ChemicalVaporDeposition CVD 化学反应过程气体通过热反应腔时发生分解反应 CVD 气相淀积具有很好的台阶覆盖特性APCVD AtmosphericPressureCVD硅片平放LPCVD LowPressureCVD硅片竖放PECVD PlasmaEnhancedCVD硅片平放HDPCVD High DensityCVD硅片平放 APCVD 淀积速率快系统简单均匀性差硅片温度240 450OC常用淀积SiO2O2 silane 3 1N2diluent改善表面PSG phosphosilicateglasses reflowBPSG Borophosphosilicateglasses reflow HotwallLPCVD 热壁温度分布均匀 对流效应小冷壁系统减低壁上淀积低压 0 1 1 0Torr LPCVD 多晶硅淀积575 650oC淀积速率 100 1000A min非晶态 600oCPH3原位掺杂Si3N4淀积700 900oCSiO2淀积台阶覆盖能力和均匀性优异 PECVD Plasma EnhancedCVD 应用Al上淀积SiO2GaAs上淀积Si3N4RFplasma给系统提供能量PECVD类型ColdwallparallelplateHotwallparallelplateECR ElectroncyclotronResonance PECVD的优点 更低的工艺温度 250至450 对高的深宽比间隙有好的填充能力 用高密度等离子体CVD 淀积的膜对硅片有优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞 因而有高的膜密度 腔体可利用等离子体清洗 PECVD PECVD ECRN2 2NN与Silane反应形成SixNyHDP HighDensityPlasma 的低压强0 01Torr导致长的平均自由程 stepcoverage差若系统设计成有一定的离子轰击 可以改善台阶PECVDSiliconnitridefinalpassivationorscratchprotectionlayer300 400 ArorHeSiH4NH3orN2 PECVD PECVD Si3N4PECVDGrowthratedensityatomic