半導(dǎo)體器件原理與工藝

半導(dǎo)體器件原理與工藝第1頁(yè)/共68頁(yè)光刻將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上第2頁(yè)/共68頁(yè)光刻的工藝流程后烘、刻蝕去膠對(duì)位曝光光源涂膠、前烘顯影負(fù)膠正膠第3頁(yè)/共68頁(yè)第4頁(yè)/共68頁(yè)光刻的工藝流程二.涂膠1.涂膠前的準(zhǔn)備工作：檢查硅片表面的清潔度檢查硅片表面的性質(zhì)----接觸檢查硅片的平面度高溫烘焙增粘劑處理（OAP處理）第5頁(yè)/共68頁(yè)涂膠旋轉(zhuǎn)涂法第6頁(yè)/共68頁(yè)前烘前烘的目的：1.將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑去除2.增強(qiáng)光刻膠的粘附性以便在顯影時(shí)光刻膠可以很好地粘附3.緩和在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中光刻膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力第7頁(yè)/共68頁(yè)第8頁(yè)/共68頁(yè)對(duì)準(zhǔn)和曝光對(duì)準(zhǔn)和曝光的目的通過(guò)對(duì)準(zhǔn)和曝光，把掩膜版的圖形準(zhǔn)確地通過(guò)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(xué)反應(yīng)對(duì)準(zhǔn)和曝光工藝代表了光刻中的主要設(shè)備系統(tǒng)第9頁(yè)/共68頁(yè)套準(zhǔn)偏差+Y-Y+X-X+Y-Y+X-X完美的套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)偏移第10頁(yè)/共68頁(yè)顯影目的：利用化學(xué)顯影液把通過(guò)曝光后可溶性光刻膠溶解掉，從而把掩膜版的圖形準(zhǔn)確復(fù)制到光刻膠中顯影液負(fù)膠：二甲苯溶劑有機(jī)溶劑使有機(jī)的光刻膠易產(chǎn)生溶漲現(xiàn)象正膠：四甲基氫氧化銨（TMAH)水性顯影液不會(huì)使光刻膠產(chǎn)生不漲現(xiàn)象，僅需去離子水沖洗第11頁(yè)/共68頁(yè)堅(jiān)膜目的蒸發(fā)掉剩余的溶劑，使光刻膠變硬，提高光刻膠與襯底的粘附性溫度正膠：130℃負(fù)膠：150℃第12頁(yè)/共68頁(yè)LithographcSystem光刻系統(tǒng)的設(shè)備需要甩膠機(jī)烘箱或熱板對(duì)準(zhǔn)與曝光機(jī)對(duì)準(zhǔn)機(jī)Aligner-3個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn)分辨率:3σ<10%線寬對(duì)準(zhǔn):產(chǎn)量第13頁(yè)/共68頁(yè)第14頁(yè)/共68頁(yè)第15頁(yè)/共68頁(yè)第16頁(yè)/共68頁(yè)光刻分辨率對(duì)準(zhǔn)機(jī)和光刻膠的分辨率是曝光波長(zhǎng)的函數(shù)波長(zhǎng)越短,分辨率越高短波長(zhǎng)能量高，曝光時(shí)間可以更短、散射更小第17頁(yè)/共68頁(yè)光源系統(tǒng)光源HgArclamps436(G-line),405(H-line),365(I-line)nmExcimerlasers:KrF(248nm)andArF(193nm)第18頁(yè)/共68頁(yè)接觸式光刻ResolutionR<0.5μm掩膜板容易損壞或沾污第19頁(yè)/共68頁(yè)接近式光刻最小特征尺寸：K~1,~波長(zhǎng)，g~間距最小特征尺寸~3um第20頁(yè)/共68頁(yè)投影式光刻增加數(shù)值孔徑NA，最小特征尺寸減小，但聚焦深度也減小，必須折中考慮。聚焦深度第21頁(yè)/共68頁(yè)光刻膠負(fù)膠NegativeResist---曝光區(qū)域保留正膠PositiveResist---曝光區(qū)域去除光刻膠的成份Resin或

basematerialsPhotoactivecompound(PAC)Solvent第22頁(yè)/共68頁(yè)光刻膠的性能及其主要的測(cè)定方法光刻膠的主要特性分辨率、對(duì)比度、敏感度、粘滯性、粘附性、抗蝕性、表面張力、沾污和顆粒等靈敏度---發(fā)生化學(xué)變化所需的光能量分辨率---在光刻膠上再現(xiàn)的最小尺寸對(duì)比度---光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過(guò)渡的陡度第23頁(yè)/共68頁(yè)光刻膠的性能-1敏感度：硅片表面光刻膠中產(chǎn)生一個(gè)良好圖形所需要的一定波長(zhǎng)光的最小能量值粘滯性：對(duì)于液體光刻膠來(lái)說(shuō)其流動(dòng)性的定量指標(biāo)抗蝕性：在濕刻和干刻中保護(hù)襯底表面的性質(zhì)第24頁(yè)/共68頁(yè)光刻膠的性能-2粘附性：描述了光刻膠粘著于襯度的強(qiáng)度表面張力：液體中將表面分子拉向液體主體內(nèi)的分子間吸引力第25頁(yè)/共68頁(yè)聚合物聚合物是由許多小的重復(fù)單元連接而成的。結(jié)構(gòu)：串聯(lián)、分支、交聯(lián)光刻膠爆光產(chǎn)生斷鏈正膠爆光產(chǎn)生交聯(lián)負(fù)膠第26頁(yè)/共68頁(yè)DQN正膠感光化合物DQ基體材料N第27頁(yè)/共68頁(yè)DQN正膠的典型反應(yīng)PAC的氮分子鍵很弱，光照會(huì)使其脫離Wolff重組，形成乙烯酮初始材料不溶于基本溶液PAC為抑制劑。第28頁(yè)/共68頁(yè)DQN正膠感光機(jī)理重氮醌類化合物經(jīng)紫外光照射后，分解釋放出氮?dú)?，同時(shí)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重排，產(chǎn)生環(huán)的收縮作用，再經(jīng)水解生成茚羧酸衍生物，成為能溶于堿性溶液的物質(zhì)，從而顯示圖形第29頁(yè)/共68頁(yè)光刻膠的對(duì)比度第30頁(yè)/共68頁(yè)光刻膠的對(duì)比度對(duì)比度：第31頁(yè)/共68頁(yè)光刻膠的涂敷與顯影第32頁(yè)/共68頁(yè)顯影中的三個(gè)主要問(wèn)題第33頁(yè)/共68頁(yè)甩膠第34頁(yè)/共68頁(yè)第35頁(yè)/共68頁(yè)先進(jìn)光刻技術(shù)浸入光刻ImmersionLithography電子束光刻ElectronbeamLithographyX-RayLithography離子束光刻IonBeamLithography納米壓印光刻N(yùn)anoimprintLithography第36頁(yè)/共68頁(yè)浸入光刻Aliquidwithindexofrefractionn>1isintroducedbetweentheimagingopticsandthewafer.優(yōu)點(diǎn):分辨率與n成正比;聚焦深度增加第37頁(yè)/共68頁(yè)電子束光刻波長(zhǎng)例:30keV,=0.07A缺點(diǎn):束流大,10’smA產(chǎn)量低,10wafers/hr.第38頁(yè)/共68頁(yè)X-RayLithographySynchrotronRadiation第39頁(yè)/共68頁(yè)投影式X射線光刻第40頁(yè)/共68頁(yè)離子束光刻第41頁(yè)/共68頁(yè)P(yáng)t淀積第42頁(yè)/共68頁(yè)FEA制造第43頁(yè)/共68頁(yè)納米壓印光刻第44頁(yè)/共68頁(yè)納米壓印光刻極高分辨率:可以形成<10nm的結(jié)構(gòu)第45頁(yè)/共68頁(yè)LiftOff工藝Lift-offisaadditiveprocessformetalfilmpatterning:ThewaferiscompletelycoveredbyaphotoresistlayerpattenedwithopeningswherethefinalmaterialistoappearThethinfilmlayerisdepositedoverthesurfaceofthewaferAnymaterialdepositedontopoftheresistwillberemovedwiththeresist,leavingthepatternedmaterialsonthewaferLift-offrequiresthemetalfilmtobethinnerthanthephotoresist.Thisrequirementlimitsthemetallinewidth.Thinnerlinewidthsnormallyrequirethinnerphotoresistlayers.第46頁(yè)/共68頁(yè)臺(tái)階效應(yīng)第47頁(yè)/共68頁(yè)雙面光刻ForMEMSdevice,thereisaneedfordouble-sidedlithographytoolTwocompanies:KarlSüssGmbH,Munich,GermanyKarlSüssMA-150productionmodesystemElectronicVersionsCampany,Sch?rding,AustriaOperationThemaskismechanicallyclampedThealignmentmarksonthemaskareviewedbyasetofdualobjectives,andimageiselectronicallystoredWaferisthenloadedwithbacksidealignmentmarksfacingthemicroscopeobjectivesThealignmentmarksisalignedtothestoredimage.Afteralignment,exposureofthemaskontothefront-sideofthewafer第48頁(yè)/共68頁(yè)雙面光刻第49頁(yè)/共68頁(yè)半導(dǎo)體加工工藝原理概述半導(dǎo)體襯底熱氧化擴(kuò)散離子注入光刻刻蝕化學(xué)氣相淀積物理淀積外延工藝集成CMOS雙極工藝BiCMOSMEMS加工第50頁(yè)/共68頁(yè)刻蝕硅片表面形成光刻膠圖形后，通過(guò)刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到wafer上干法、濕法等FigureofMerit:刻蝕速率均勻性選擇比例：20:1=polysilicon:siliconoxide第51頁(yè)/共68頁(yè)刻蝕鉆刻EtchrateanisotropyRL:lateraletchrateRV:verticaletchrateA=0,isotropicetchingA=1,anisotropicetching第52頁(yè)/共68頁(yè)腐蝕選擇性S的定義WetEtchingS受化學(xué)溶液,濃度和溫度控制RIES受等離子參數(shù)、氣氛、氣壓、流量和溫度影響第53頁(yè)/共68頁(yè)刻蝕PhysicaletchingChemicaletching第54頁(yè)/共68頁(yè)濕法腐蝕Anisotropy工藝簡(jiǎn)單高選擇比無(wú)襯底損傷非各向異性工藝控制差沾污第55頁(yè)/共68頁(yè)腐蝕過(guò)程1反應(yīng)劑傳輸?shù)奖砻?化學(xué)反應(yīng)3生成物離開(kāi)表面第56頁(yè)/共68頁(yè)常見(jiàn)材料的腐蝕SiO2

的腐蝕6:1=HFThermalsilicondioxide,1200?/minSiO2+6HFH2+SiF6+2H2ONH4FNH3+HFSi3N4的腐蝕20:1BHFatRT10?/minH3PO4,140~200℃~100A/min3:10mixtureof49%HF(inH2O)and70%HNO3at70℃RSiO2/RSi>100:1第57頁(yè)/共68頁(yè)常見(jiàn)材料的腐蝕AluminumH3PO4+CH3COOH+HNO3+H2O(~30oC)磷酸H3PO4—起主要的腐蝕作用硝酸HNO3—改善臺(tái)階性能醋酸—降低腐蝕液表面張力水—調(diào)節(jié)腐蝕液濃度第58頁(yè)/共68頁(yè)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(yīng)物的媒介（H2O，CH3COOH）第59頁(yè)/共68頁(yè)氧化還原反應(yīng)腐蝕是一種電化學(xué)過(guò)程氧化是電子失去的過(guò)程，還原則是電子增加的過(guò)程；氧化還原反應(yīng)：兩種反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)第60頁(yè)/共68頁(yè)硅的HNA腐蝕-1HF+HNO3+CH3COOH各向同性腐蝕總體反應(yīng)：Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2腐蝕過(guò)程是硅的氧化然后被HF溶解的過(guò)程硅表面點(diǎn)隨即變成氧化或還原點(diǎn)；類似于電化學(xué)電池第61頁(yè)/共68頁(yè)硅的HNA腐蝕-2硅在陽(yáng)極附近失去電子轉(zhuǎn)為強(qiáng)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(yīng)生成SiO2:Si2++2(OH)-Si(OH)2-+2SiO2+H2SiO2被HF溶解形成H2SiF6：SiO2+6HFH2SiF6+2HO2第62頁(yè)/共68頁(yè)硅