半导体器件原理与工艺.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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 LiftOff工艺 Lift offisaadditiveprocessformetalfilmpatterning ThewaferiscompletelycoveredbyaphotoresistlayerpattenedwithopeningswherethefinalmaterialistoappearThethinfilmlayerisdepositedoverthesurfaceofthewaferAnymaterialdepositedontopoftheresistwillberemovedwiththeresist leavingthepatternedmaterialsonthewaferLift offrequiresthemetalfilmtobethinnerthanthephotoresist Thisrequirementlimitsthemetallinewidth Thinnerlinewidthsnormallyrequirethinnerphotoresistlayers 台阶效应 双面光刻 ForMEMSdevice thereisaneedfordouble sidedlithographytoolTwocompanies KarlS ssGmbH Munich GermanyKarlS ssMA 150productionmodesystemElectronicVersionsCampany Sch rding AustriaOperationThemaskismechanicallyclampedThealignmentmarksonthemaskareviewedbyasetofdualobjectives andimageiselectronicallystoredWaferisthenloadedwithbacksidealignmentmarksfacingthemicroscopeobjectivesThealignmentmarksisalignedtothestoredimage Afteralignment exposureofthemaskontothefront sideofthewafer 双面光刻 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 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 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 硅的HNA腐蚀 1 HF HNO3 CH3COOH各向同性腐蚀总体反应 Si HNO3 6HF H2SiF6 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 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 2NO2 2NO2 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 6HF H2SiF6 2HO2 硅的HNA腐蚀 3 硝酸的作用在水中正常溶解 HNO3 HNO3 H 自催化以形成亚硝酸和空穴HNO2 HNO3 N2O4 H2ON2O4 HNO2 2NO2 2h 2NO2 2h 2HNO2腐蚀剂必须到表面才能和硅反应或腐蚀运动到表面的方式将影响到选择比 过刻 和均匀性NO2是硅的有效氧化剂 硅