半导体器件原理与工艺31

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半导体器件原理与工艺光刻将掩模版上的图形转移到硅片上半导体器件原理与工艺光刻的工艺流程后烘、刻蚀去胶对位曝光光源涂胶、前烘显影负胶正胶半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺光刻的工艺流程二.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）半导体器件原理与工艺涂胶旋转涂法半导体器件原理与工艺前烘前烘的目的：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半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺对准和曝光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半导体器件原理与工艺套准偏差+Y-Y+X-X+Y-Y+X-X完美的套准精度套准偏移半导体器件原理与工艺显影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，仅需去离子水冲洗半导体器件原理与工艺坚膜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℃半导体器件原理与工艺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:3σ10%线宽对准:产量半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺光刻分辨率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、散射更小半导体器件原理与工艺光源系统光源HgArclamps436(G-line),405(H-line),365(I-line)nmExcimerlasers:KrF(248nm)andArF(193nm)半导体器件原理与工艺接触式光刻ResolutionR0.5µm掩膜板容易损坏或沾污半导体器件原理与工艺接近式光刻最小特征尺寸：K~1,~波长，g~间距最小特征尺寸~3umgkWmin半导体器件原理与工艺投影式光刻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。NAkWminmmW4.06.0365.075.0minm2.30.4,NAnm,3652NA聚焦深度半导体器件原理与工艺光刻胶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basematerialsPhotoactivecompound(PAC)Solvent半导体器件原理与工艺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半导体器件原理与工艺光刻胶的性能-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半导体器件原理与工艺光刻胶的性能-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半导体器件原理与工艺聚合物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负胶半导体器件原理与工艺DQN正胶感光化合物DQ基体材料N半导体器件原理与工艺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。半导体器件原理与工艺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，从而显示图形半导体器件原理与工艺光刻胶的对比度半导体器件原理与工艺光刻胶的对比度对比度：)/(log1010010DD半导体器件原理与工艺光刻胶的涂敷与显影半导体器件原理与工艺显影中的三个主要问题半导体器件原理与工艺甩胶半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺先进光刻技术浸入光刻ImmersionLithography电子束光刻ElectronbeamLithographyX-RayLithography离子束光刻IonBeamLithography纳米压印光刻NanoimprintLithography半导体器件原理与工艺浸入光刻Aliquidwithindexofrefractionn1isintroducedbetweentheimagingopticsandthewafer.优点:分辨率与n成正比;聚焦深度增加半导体器件原理与工艺电子束光刻波长例:30keV,=0.07A缺点:束流大,10’smA产量低,10wafers/hr.半导体器件原理与工艺X-RayLithographySynchrotronRadiation23)()(64.18)()(6.5)(GeVETBGeVEmrA半导体器件原理与工艺投影式X射线光刻半导体器件原理与工艺离子束光刻半导体器件原理与工艺Pt淀积半导体器件原理与工艺FEA制造半导体器件原理与工艺纳米压印光刻半导体器件原理与工艺纳米压印光刻极高分辨率:可以形成10nm的结构半导体器件原理与工艺LiftOff工艺Lift-offisaadditiveprocessformetalfilmpatterning:ThewaferiscompletelycoveredbyaphotoresistlayerpattenedwithopeningswherethefinalmaterialistoappearThethinfilmlayerisdepositedoverthesurfaceofthewaferAnymaterialdepositedontopoftheresistwillberemovedwiththeresist,leavingthepatternedmaterialsonthewaferLift-offrequiresthemetalfilmtobethinnerthanthephotoresist.Thisrequirementlimitsthemetallinewidth.Thinnerlinewidthsnormallyrequirethinnerphotoresistlayers.半导体器件原理与工艺台阶效应半导体器件原理与工艺双面光刻ForMEMSdevice,thereisaneedfordouble-sidedlithographytoolTwocompanies:KarlSüssGmbH,Munich,GermanyKarlSüssMA-150productionmodesystemElectronicVersionsCampany,Schärding,AustriaOperationThemaskismechanicallyclampedThealignmentmarksonthemaskareviewedbyasetofdualobjectives,andimageiselectronicallystoredWaferisthenloadedwithbacksidealignmentmarksfacingthemicroscopeobjectivesThealignmentmarksisalignedtothestoredimage.Afteralignment,exposureofthemaskontothefront-sideofthewafer半导体器件原理与工艺双面光刻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化学气相淀积物理淀积外延工艺集成CMOS双极工艺BiCMOSMEMS加工半导体器件原理与工艺刻蚀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半导体器件原理与工艺刻蚀钻刻EtchrateanisotropyRL:lateraletchrateRV:verticaletchrateA=0,isotropicetchingA=1,anisotropicetchingVLRRA1半导体器件原理与工艺腐蚀选择性S的定义WetEtchingS受化学溶液,浓度和温度控制RIES受等离子参数、气氛、气压、流量和温度影响的垂直腐蚀速率材料的垂直腐蚀速率材料BASAB半导体器件原理与工艺刻蚀PhysicaletchingChemicaletching半导体器件原理与工艺湿法腐蚀Anisotropy工艺简单高选择比无衬底损伤非各向异性工艺控制差沾污半导体器件原理与工艺腐蚀过程1反应剂传输到表面2化学反应3生成物离开表面半导体器件原理与工艺常见材料的腐蚀SiO2的腐蚀6:1=HFThermalsilicondioxide,1200Å/minSiO2+6HFH2+SiF6+2H2ONH4FNH3+HFSi3N4的腐蚀20:1BHFatRT10Å/minH3PO4,140~200℃~100A/min3:10mixtureof49%HF(inH2O)and70%HNO3at70℃RSiO2/RSi100:1半导体器件原理与工艺常见材料的腐蚀AluminumH3PO4+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—调节腐蚀液浓度半导体器件原理与工艺硅各向同性腐蚀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）半导体器件原理与工艺氧化还原反应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：两种反应的竞争半导体器件原理与工艺硅的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；类似于电化学电池半导体器件原理与工艺硅的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+H2SiO2被HF溶解形成H2SiF6：SiO2+6HFH2SiF6+2HO2半导体器件原理与工艺硅的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是硅的有效氧化剂半导体器件原理与工艺硅的HNA腐蚀-4醋酸的作用常用水代替CH3COOH醋酸的电