半導體器件原理與工藝PPT課件

1、半導體加工工藝原理半導體加工工藝原理 概述 半導體襯底 熱氧化 擴散 離子注入 光刻 刻蝕 淀積技術(shù) CMOS 光刻 將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片 上 光刻的工藝流程 后烘、刻蝕后烘、刻蝕 去膠去膠 對位曝光對位曝光 光源光源 涂膠、前烘涂膠、前烘 顯影顯影 負膠負膠 正膠正膠 光刻的工藝流程 二二.涂膠涂膠 1.涂膠前的準備涂膠前的準備 工作工作： 檢查硅片表面的清潔度檢查硅片表面的清潔度 檢查硅片表面的性質(zhì)檢查硅片表面的性質(zhì) -接觸接觸 檢查硅片的平面度檢查硅片的平面度 高溫烘焙高溫烘焙 增粘劑處理增粘劑處理 （OAP處理）處理） 涂膠 旋轉(zhuǎn)涂法 前烘 前烘的目的：前烘的目的： 1.將硅片上

2、覆蓋的光刻膠溶劑去除將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑去除 2.增強光刻膠的粘附性以便在顯影時光刻膠可以很好地粘附增強光刻膠的粘附性以便在顯影時光刻膠可以很好地粘附 3.緩和在旋轉(zhuǎn)過程中光刻膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應力緩和在旋轉(zhuǎn)過程中光刻膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應力 對準和曝光 對準和曝光的目的對準和曝光的目的 通過對準和曝光，把掩膜版的圖形準確地通通過對準和曝光，把掩膜版的圖形準確地通 過紫處光投影到硅片表面的光刻膠上，使其過紫處光投影到硅片表面的光刻膠上，使其 選擇性地發(fā)生光化學反應選擇性地發(fā)生光化學反應 對準和曝光工藝代表了光刻中的主要設(shè)備系統(tǒng)對準和曝光工藝代表了光刻中的主要設(shè)備系統(tǒng) 套準偏差套準偏差 +Y -Y +X

3、-X +Y -Y +X -X 完美的套準完美的套準 精度精度 套準偏套準偏 移移 顯影 目的：目的： 利用化學顯影液把通過曝光后可溶性光刻膠溶解掉，從而把掩膜版的圖形準確復制到光刻膠中利用化學顯影液把通過曝光后可溶性光刻膠溶解掉，從而把掩膜版的圖形準確復制到光刻膠中 顯影液 負膠：二甲苯溶劑負膠：二甲苯溶劑 有機溶劑使有機的光刻膠易產(chǎn)生溶漲現(xiàn)象有機溶劑使有機的光刻膠易產(chǎn)生溶漲現(xiàn)象 正膠：四甲基氫氧化銨（正膠：四甲基氫氧化銨（TMAH) TMAH) 水性顯影液不會使光刻膠產(chǎn)生不漲現(xiàn)象，僅需去離子水沖洗水性顯影液不會使光刻膠產(chǎn)生不漲現(xiàn)象，僅需去離子水沖洗 堅膜 目的 蒸發(fā)掉剩余的溶劑，使光刻膠變硬

4、，提高光刻膠與襯底的粘附性 溫度 正膠：130 負膠：150 Lithographc System 光刻系統(tǒng)的設(shè)備需要 甩膠機甩膠機 烘箱或熱板烘箱或熱板 對準與曝光機對準與曝光機 對準機Aligner-3個性能標準 分辨率分辨率: 3: 3 10%10%線寬線寬 對準對準: : 產(chǎn)量產(chǎn)量 光刻分辨率 對準機和光刻膠的分辨率是曝光波長的函數(shù)對準機和光刻膠的分辨率是曝光波長的函數(shù) 波長越短波長越短, , 分辨率越高分辨率越高 短波長能量高，曝光時間可以更短、散射更小短波長能量高，曝光時間可以更短、散射更小 光源系統(tǒng) 光源 Hg Arc lamps 436(G-line), 405(H-line)

5、, 365(I-line) nm Excimer lasers: KrF (248nm) and ArF (193nm) 接觸式光刻 Resolution R 1 is introduced between the imaging optics and the wafer. 優(yōu)點: 分辨率與分辨率與n n成正比成正比; ; 聚焦深度增加聚焦深度增加 電子束光刻 波長 例: 30keV, =0.07A 缺點: 束流大, 10s mA 產(chǎn)量低, 10wafers/hr. X-Ray Lithography Synchrotron Radiation 23 )()( 64.18 )( )( 6.5)

6、( GeVETBGeVE mr A 投影式X射線光刻 離子束光刻 Pt 淀積 FEA 制造 納米壓印光刻 納米壓印光刻 極高分辨率: 可以形成100:1 常見材料的腐蝕 Aluminum H3PO4 + CH3COOH + HNO3 + H2O (30oC) 磷酸H3PO4起主要的腐蝕作用 硝酸HNO3改善臺階性能 醋酸降低腐蝕液表面張力 水調(diào)節(jié)腐蝕液濃度 硅各向同性腐蝕 濕法腐蝕中的關(guān)鍵因素： 氧化劑 （例如H2O2, HNO3) 能溶解氧化表面的酸 （HF） 輸送反應物的媒介 （H2O， CH3COOH） 氧化還原反應 腐蝕是一種電化學過程 氧化是電子失去的過程， 還原則是電子增加的過程；

7、 氧化還原反應：兩種反應的競爭 硅的HNA腐蝕-1 HF+HNO3+CH3COOH 各向同性腐蝕 總體反應： Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2 腐蝕過程是硅的氧化然后被HF溶解的過程 硅表面點隨即變成氧化或還原點；類似于電化學電池 硅的HNA腐蝕-2 硅在陽極附近失去電子轉(zhuǎn)為強氧化態(tài)： * Si0+h2+Si2+ 在陰極的NO2不斷減少以產(chǎn)生空穴： 2NO22NO2- +2h+ 硅和OH-反應生成SiO2: Si2+2(OH)- Si(OH)2- +2SiO2+H2 SiO2被HF溶解形成H2SiF6： SiO2+6HFH2SiF6+2HO2 硅的HNA腐蝕-3 硝酸

8、的作用 在水中正常溶解：HNO3HNO3- +H+ 自催化以形成亞硝酸和空穴 HNO2+HNO3N2O4+H2O N2O4+HNO22NO2-+2h+ 2NO 2 -+2h+2HNO 2 腐蝕劑必須到表面才能和硅反應或腐蝕 運動到表面的方式將影響到選擇比, 過刻, 和均勻性 NO2是硅的有效氧化劑 硅的HNA腐蝕-4 醋酸的作用 常用水代替CH3COOH 醋酸的電絕緣常數(shù)比水低 CH3COOH - 6.15 H2O - 81 減少了硝酸的溶解，提高了氧化能力 硅的HNA腐蝕-5 硅的HNA腐蝕-6 硅的HNA腐蝕-7 區(qū)1： 高HF濃度區(qū)，腐蝕曲線平行于硝酸濃度刻度，腐蝕受硝酸 控制。留下少部

9、分氧化物 區(qū)2： 高硝酸濃度區(qū)，腐蝕曲線平行于氫氟酸濃度刻度，腐蝕受氫 氟酸控制。 區(qū)3： 腐蝕受水的影響不大，當HF:HNO3=1:1時，腐蝕速率下降很 快 聚合物 聚合物是由許多小的重復單元連接而 成的。 結(jié)構(gòu)： 串聯(lián)、分支、交聯(lián)串聯(lián)、分支、交聯(lián) 光刻膠 爆光產(chǎn)生斷鏈爆光產(chǎn)生斷鏈正膠正膠 爆光產(chǎn)生交聯(lián)爆光產(chǎn)生交聯(lián)負膠負膠 Lift Off 工藝 Lift-off is a additive process for metal film patterning: The wafer is completely covered by a photoresist layer pattened wi

10、th openings where the final material is to appear The thin film layer is deposited over the surface of the wafer Any material deposited on top of the resist will be removed with the resist, leaving the patterned materials on the wafer Lift-off requires the metal film to be thinner than the photoresi

11、st. This requirement limits the meta llinewidth. Thinner linewidths normally require thinner photoresist layers. Lift Off 工藝 Lift-off is a additive process for metal film patterning: The wafer is completely covered by a photoresist layer pattened with openings where the final material is to appear T

12、he thin film layer is deposited over the surface of the wafer Any material deposited on top of the resist will be removed with the resist, leaving the patterned materials on the wafer Lift-off requires the metal film to be thinner than the photoresist. This requirement limits the meta llinewidth. Th

13、inner linewidths normally require thinner photoresist layers. 刻蝕 硅片表面形成光刻膠圖形后，通過刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到wafer上 干法、濕法等 Figure of Merit: 刻蝕速率 均勻性 選擇比 例： 20 : 1 = polysilicon : silicon oxide 常見材料的腐蝕 SiO2 的腐蝕 6:1 = HF Thermal silicon dioxide , 1200 /min SiO2 + 6HF H2+ SiF6 + 2H2O NH4F NH3 + HF Si3N4的腐蝕 20 : 1 BHF at RT 10 /min H3PO4 , 140200 100A/min 3: 10 mixture of 49 % HF(