現(xiàn)代半導體器件物理與工藝

1、現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1 1Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2 2圖形曝光與刻蝕圖形曝光與刻蝕圖形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的幾何圖形，通過光化學反應，將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導體晶片上的感光薄膜層上（光致抗蝕劑、光刻膠、光阻）的一種工藝步驟。這些圖案可用來定義集成電路中各種不同區(qū)域，如離子注入、接

2、觸窗與壓焊墊區(qū)。而由圖形曝光所形成的抗蝕劑圖案，并不是電路器件的最終部分，而只是電路圖形的印模。為了產(chǎn)生電路圖形，這些抗蝕劑圖案不像再次轉(zhuǎn)移至下層的器件層上。這種圖案轉(zhuǎn)移是利用腐蝕工藝，選擇性地將未被抗蝕劑掩蔽的區(qū)域除去。現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3 3光學圖形曝光潔凈室光學圖形曝光潔凈室在集成電路制造中，主要的圖形曝光設備是利用紫外光=0.2-0.4m的光學儀器。主要討論曝光裝置、掩模版、抗蝕劑與分辨率。塵埃粒子在掩模版圖案上所造成的不同腐蝕的影響在IC制造中必須要求潔凈的廠房，特別是圖形曝光的工作區(qū)域，因為

3、塵埃可能會粘附于晶片或掩模版上造成器件的缺陷從而是電路失效?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4 4英制系統(tǒng)等級數(shù)值是每立方英尺中直徑大于或等于0.5 um的塵埃粒子總數(shù)不準超過設計等級數(shù)值。公制系統(tǒng)等級數(shù)值是每立方米中直徑大于或等于0.5um的塵埃粒子總數(shù)不準超過設計等級數(shù)值（以指數(shù)計算，底數(shù)為10）。現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5 5光刻機光刻機光刻機的性能由三個參數(shù)判斷：分辨率、套準精度與產(chǎn)率。分辨率：能精確轉(zhuǎn)移到晶片表面抗蝕劑膜上

4、圖案的最小尺寸；套準精度：后續(xù)掩模版與先前掩模版刻在硅片上的圖形相互對準的程度；產(chǎn)率：對一給定的掩模版，每小時能曝光完成的晶片數(shù)量。光學曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光：可分為掩模版與晶片直接接觸的接觸式曝光和二者緊密相鄰的接近式曝光。若有塵埃或硅渣嵌入掩模版中，將造成掩模版永久性損壞，在后續(xù)曝光的晶片上形成缺陷。投影式曝光：在掩模版與晶片間有一距離，10-50um。但這一間隙會在掩模版圖案邊緣造成光學衍射。導致分辨率退化?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6 6現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與

5、工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 7 7投影式曝光現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 8 8對遮蔽式曝光，最小線寬（臨界尺寸）可用下式表示CDlg其中，是曝光光源的波長，g是掩模版與晶片間的間隙距離。當與g減小時，可以得到lCD縮小的優(yōu)勢。然而，當給定一個g，任何大于g的微塵粒子都會對掩模版造成損壞。現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 9 9一個投影系統(tǒng)的分辨率可以表示為1mNAlkD是光源波長，k1為與工藝有關的參

6、數(shù)，DNA是數(shù)值孔徑。 DNA的定義為sinNADnN是影像介質(zhì)的折射率，是圓錐體光線聚于晶片上一點的半角度值。其聚焦深度為2/2/2tansinmmDOFNAlllkD現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1010簡單的成像系統(tǒng)現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1111由于有較高的光強度與穩(wěn)定度，高壓汞燈被廣泛用作曝光光源?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1212掩模版

7、掩模版用于IC制造的掩模版通常為縮小倍數(shù)的掩模版。掩模版的第一步為設計者用CAD系統(tǒng)完整地將版圖描繪出來。然后將CAD得到的數(shù)據(jù)信息傳送到電子束圖形曝光的圖形產(chǎn)生器。再將圖案直接轉(zhuǎn)移至對電子束敏感的掩模版上。掩模版是由融凝硅土的基底覆蓋一層鉻膜組成。電路圖案先轉(zhuǎn)移至電子敏感層進而轉(zhuǎn)移至底下的鉻膜層，掩模版便完成了。一般而言，一組完整的IC工藝流程包含10-20道不同的掩模版。標準尺寸的掩模版襯底由15 10cm2、0.6cm厚的融凝硅土制成。掩模版尺寸是為了滿足4:1與5:1的曝光機中透鏡透光區(qū)域的尺寸。厚度的要求是避免襯底扭曲而造成圖案位移的錯誤。融凝硅土襯底則利用其熱膨脹系數(shù)低，對短波長光

8、的透射率高與高機械強度?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1313IC掩模版現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1414缺陷密度是掩模版好壞的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版時或是接下來的圖形曝光工藝步驟中產(chǎn)生。即使是一個很小的掩模版缺陷密度都會對IC的成品率產(chǎn)生很大的影響。成品率的定義是：每一晶片中正常的芯片數(shù)與中芯片數(shù)之比。若取一級近似，某一層掩模版與成品率Y之間的關系式為DAYeD為每單位面積致命缺陷的平均數(shù)；A為IC芯片的面積。若

9、D對所有的掩模版層都是相同值（如N10層），則最后成品率為NDAYe現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 151510道掩模版的成品率，每道掩模版中包含不同缺陷密度所產(chǎn)生的影響現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1616抗蝕劑抗蝕劑抗蝕劑是對光敏感的化合物，依其對光照的反應分成正性和負性。正性抗蝕劑：被曝光的區(qū)域?qū)⒆兊幂^易溶解，可以在顯影步驟時較容易被去除。所產(chǎn)生的圖案將會與掩模版上的圖案一樣。負性抗蝕劑：被曝光區(qū)域的抗蝕劑將變得較難溶解，所產(chǎn)生的圖

10、案與掩模版上的相反。正性抗蝕劑包括：感光化合物、樹脂基材和有機溶劑；曝光后，曝光區(qū)的感光化合物因吸光改變了本身的化學結(jié)構(gòu)而可以溶解于顯影液中。負性抗蝕劑包括：聚合物和感光化合物合成。曝光后，感光化合物吸收光變成化學能而引起聚合物鏈反應，是聚合物分子發(fā)生交聯(lián)，變得難溶解于顯影液中。缺點：顯影中抗蝕劑吸收顯影液而膨脹，限制了分辨率。現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1717現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1818曝光、顯影后殘存抗蝕劑的百分率與曝

11、光能量有關。值得注意的是，即使未被曝光，少量抗蝕劑也會溶解。當曝光能量增加，抗蝕劑的溶解度也會增加，直到閾值能量ET時，抗蝕劑完全溶解。正抗蝕劑的靈敏度定義為曝光區(qū)域抗蝕劑完全溶解時所需的能量。除ET外，另一稱為反差比（）參數(shù)也用來表征抗蝕劑。11lnTEE值越大，即表示曝光能量增加時，抗蝕劑溶解度增加越快，可得陡峭的圖形。現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 1919正性和負性抗蝕劑現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2020三層抗蝕劑的工藝步驟現(xiàn)

12、代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2121圖案轉(zhuǎn)移圖案轉(zhuǎn)移現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2222相關的圖案轉(zhuǎn)移工藝還有剝離與浮脫技術。1、旋涂抗蝕劑2、曝光3、顯影4、淀積金屬膜5、浸泡腐蝕液中現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2323分辨率增加技術分辨率增加技術在IC工藝中，提供較佳的分辨率、較深的聚焦深度 與較廣的曝光寬容度一直是光學圖形曝光系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)。已經(jīng)可

13、以用縮短光刻機的波長與發(fā)展新的抗蝕劑來克服。另外，開發(fā)了新的技術，如相移掩模版。傳統(tǒng)掩模版的透光區(qū)的電場是相同的，由于衍射與分辨率使得晶片上的電場分散開來。相鄰縫隙的衍射使得光被干涉而增強縫隙間的電場強度。因此兩個投影的像若太接近，就不容易分辨出來。相移掩模版（PSM）是將相移層覆蓋于相鄰的縫隙上，使得電場反相。要反相，使用一透明層，厚度滿足：2(1)dn光學鄰近修正（OPC）利用鄰近的次解析幾何圖案來修正圖像，因而改善成像能力?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2424現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝

14、桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2525新一代圖形曝光技術新一代圖形曝光技術高產(chǎn)率、好的分辨率、低成本且容易操作是曝光技術的基本要求。為了滿足深亞微米工藝，光學圖形曝光技術仍未解決。雖然可以利用PSM和OPC來延長光學圖形曝光的使用期限，但是復雜的掩模版制作與檢查并不是容易解決的。另外，掩模版成本也很高?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2626電子束圖形曝光電子束圖形曝光電子束圖形曝光主要用于掩模版的制作，只有相當少數(shù)裝置用于將電子束直接對抗蝕劑曝光而不需掩模版。優(yōu)點：可以參數(shù)亞微米的幾

15、何抗蝕劑圖案、高自動化及高精度控制的操作、比光學圖形曝光有較大的聚焦深度與不同掩模版可直接在半導體晶片上描繪圖案。缺點：電子束光刻機產(chǎn)率低，在分辨率小于0.25um時，約為每小時10片晶片。這對生產(chǎn)掩模版、需求量小的定制電路或驗證性電路是足夠了。而對不用掩模版的直寫形成圖案方式，設備必須盡可能提供產(chǎn)率，故要采用與器件最小尺寸相容的最大束徑。聚焦電子束掃描主要分成兩種形式：順序掃描、向量掃描?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2727順序掃描（左）和矢量掃描現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學

16、桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2828現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 2929現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3030SCALPELSCALPEL利用電子束投影的圖形曝光技術，SCALPEL系統(tǒng)（散射角度限制的投影電子束圖形曝光），此技術集電子束圖形曝光特有的高分辨率和工藝寬容度（聚焦深度20-30um，傳統(tǒng)為1um）以及高產(chǎn)率。圖12.15現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形

17、曝光與光刻圖形曝光與光刻 3131SCALPELwritingstrategy 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3232電子束抗蝕劑電子束抗蝕劑電子束抗蝕劑是一種聚合物，其性質(zhì)與一般光學用抗蝕劑類似。換言之，通過光照造成抗蝕劑產(chǎn)生化學或物理變化，這種變化可使抗蝕劑產(chǎn)生圖案。現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3333鄰近效應鄰近效應在光學圖形曝光中，分辨率的好壞是由衍射來決定的。在電子束圖形曝光中，分辨率好壞是由電子散射決定的。當電子穿過抗蝕劑

18、與下層的基材時，這些電子將經(jīng)歷碰撞而造成能量損失與路徑的改變。因此入射電子在行進中會散開，直到能量完全損失或是因背散射而離開為止。100個能量為20keV的電子在PMMA中的運動軌跡模擬在抗蝕劑與襯底界面間，正向散射與背散射的劑量分布現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3434極遠紫外光圖形曝光（極遠紫外光圖形曝光（EUVEUV）EUV技術極有肯成為下一代圖形曝光系統(tǒng)技術?？蓪⑵毓獠ㄩL延伸到30 nm而不會降低產(chǎn)率?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光

19、刻 3535因為EUV光束很窄，必須利用光束掃描方式將描述電路圖案的掩模版層完全掃描。EUV已經(jīng)證實可利用波長為13nm的光源，在PMMA抗蝕劑上制作出50 nm的圖案。挑戰(zhàn)：所以的材料對EUV光都有強的吸收能力，所以曝光過程必須在真空下進行。照相機必須使用反射透鏡器件，而且必須覆蓋多層的覆蓋層才可以參數(shù)1/4波長的布喇格反射分布。掩模版空片必須覆蓋多層膜，以便在波長為10-14nm得到最大的反射率?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3636X X射線圖形曝光（射線圖形曝光（XRLXRL）XRL圖形曝光極有潛力繼承光學

20、圖形曝光來制作100nm的集成電路。當利用同步輻射光儲存環(huán)進行批量生產(chǎn)時，一般選擇X射線源。它提供一個大的聚光通量，且可輕易容納10-20臺光刻機。XRL是利用類似光學遮蔽接近式曝光的一種遮蔽式曝光。掩模版為XRL系統(tǒng)中最困難且關鍵的部分，而且X射線掩模版的制作比光學掩模版來得復雜。為了避免X射線在光源與掩模版間被吸收，通常曝光都在氦的環(huán)境下完成。可以利用電子束抗蝕劑來作為X射線抗蝕劑，因為當X射線被原子吸收，原子會進入激發(fā)態(tài)而射出電子。激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)時，會釋放出X射線，此X射線被原子吸收，故此過程一直持續(xù)進行。所有這些過程都會造成電子射出，所以抗蝕劑在X射線照射下，就相當于被大量的二次電

21、子照射?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3737現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3838X射線圖形曝光的幾何效應現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 3939離子束圖形曝光離子束圖形曝光離子束圖形曝光比光學、X射線與電子束圖形曝光技術有更高的分辨率，因為離子有較高的質(zhì)量而且比電子有較小的散射。最主要的應用為修補光學圖形曝光用的掩模版。下圖為60keV的50個氫離子注入P

22、MMA及不同襯底中的電腦模擬軌跡。現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4040不同圖形曝光方法的比較不同圖形曝光方法的比較先前討論的圖形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。每種都有其限制：光學法的衍射現(xiàn)象、電子束的鄰近效應、X射線的掩模版制作復雜、EUV的掩模版空片的制作困難、離子束的隨機空間電荷效應。對于IC的制造，多層掩模版是必需的，然而，所有的掩模版層并不需要都用相同的圖形曝光方法。采用混合與配合的方法，可利用每一種圖形曝光工藝的優(yōu)點來改善分辨率與提供產(chǎn)率。根據(jù)半導體工業(yè)協(xié)會的設想，IC制作技術將在2010年時

23、會達到50nm。對于每一代新技術，由于要求更小的特征尺寸與更嚴格的套準容差，圖形曝光技術更成為推動半導體工業(yè)的關鍵性技術?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4141各種圖形曝光技術的比較如下光學248/193nmSCALPELEUVX射線離子束光刻機光源激光電子束極遠紫外線同步輻射離子束衍射限制有沒有有有沒有曝光法折射式折射式折射式直接光照全區(qū)折射式步進與掃描是是是是步進機200mm硅晶片的產(chǎn)率（片/h）4030-3520-303030掩模版縮小倍率4x4x4x1x4x光學鄰近修正需要不需要需要需要不需要輻射路徑穿透穿

24、透反射穿透印刷式抗蝕劑單層或多層單層單層表面成像單層單層化學放大抗蝕劑是是不是是不是現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4242各種曝光系統(tǒng)的分辨率與硅片產(chǎn)率的關系現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4343濕法化學腐蝕（濕法化學腐蝕（WCEWCE）WCE在半導體工藝中廣泛使用，從半導體晶片被切割開始，WCE就用在研磨與拋光上，以獲得平整與無損傷的表面。熱氧化與外延前，化學清洗去除污染。尤其適合將多晶硅、氧化物、氮化物、金屬與III-V族化合物等作

25、整片的腐蝕。WCE包括三種主要步驟：1、反應物通過擴散方式到達反應表面；2、化學反應在表面發(fā)生；3、反應生成物通過擴散離開表面。攪動、腐蝕液的溫度都會影響腐蝕速率。IC工藝中，大多數(shù)WCE是將晶片浸入化學溶液中，或是噴射腐蝕液在晶片表面?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4444腐蝕速率均勻度可用腐蝕速率的百分比均勻度來表示：WCE的基本機制%100%最大腐蝕速率-最小腐蝕速率腐蝕速率均勻度（ ）最大腐蝕速率+最小腐蝕速率現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形

26、曝光與光刻 4545硅的腐蝕硅的腐蝕對半導體而言，WCE通常是先將表面氧化，然后再將氧化層以化學反應加以溶解。對硅而言，常見的腐蝕劑為硝酸（HNO3）和氫氟酸（HF）3222424SiHNOSiOH ONO226262SiOHFH SiFH O水可以作為上述腐蝕劑的稀釋劑，然而醋酸比水要好，它可減緩硝酸的溶解。一些腐蝕劑溶解某些單晶硅晶面的速率比其他晶面快，造成各向異性的腐蝕。原因在晶面的化學鍵密度不同。在硅的各向異性腐蝕時，使用KOH和異丙醇酒精的混合液?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4646現(xiàn)代半導體器件物理與

27、工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4747利用二氧化硅當掩蔽層，對晶向的硅做各向異性腐蝕，會產(chǎn)生清晰V型溝槽，溝槽的邊緣為(111)晶面，鍥與(100)的表面有54.7夾角。如果打開的圖案窗足夠大或是腐蝕時間足夠短，則會形成一個U型的溝槽，底部面積的寬度為：02 cot54.7bWWl或02bWWl現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4848如果使用的是 晶向的硅，實際上會在溝槽的邊緣得到兩個垂直的面，這兩個面為(111)的晶面。110現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半

28、導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 4949二氧化硅的腐蝕二氧化硅的腐蝕加入氟化銨（NH4F）是提供緩沖的HF溶液，又稱作緩沖氧化層腐蝕（BOE）。加入氟化銨可以控制酸堿度，并且可以補充氟離子的缺乏，可以維持穩(wěn)定的腐蝕效果。二氧化硅也可以利用氣相的HF來腐蝕，在腐蝕亞微米的圖案方面深具潛力，因為工藝容易控制。226262SiOHFH SiFH O現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5050氮化硅與多晶硅的腐蝕氮化硅與多晶硅的腐蝕氮化硅可以在室溫下用高濃度的HF、緩沖HF或沸騰的

29、磷酸溶液腐蝕。由于濃度為85%的磷酸溶液在180時對二氧化硅的腐蝕非常慢，所以可利用它來作氮化硅相對二氧化硅的選擇性腐蝕。腐蝕多晶硅與腐蝕單晶硅類似，然而多晶硅有較多的晶粒邊界，所以腐蝕速率比較快。未來確保柵極氧化層不被腐蝕，腐蝕溶液通常要加以調(diào)整。摻雜物的濃度和溫度可影響多晶硅的腐蝕速率?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5151鋁腐蝕鋁腐蝕鋁和鋁合金的薄通常利用加熱的磷酸、硝酸、醋酸和去離子水來腐蝕。典型的腐蝕劑是含73%的磷酸、4%的硝酸、3.5%的醋酸以及19.5%的去離子水的溶液，溫度控制在30-80。鋁的濕

30、法腐蝕步驟如下：1、硝酸先將鋁氧化為氧化鋁；2、磷酸溶解氧化鋁；鋁的腐蝕速率與腐蝕劑濃度、溫度、晶片的攪動、鋁薄膜內(nèi)的雜質(zhì)或合金類型有關?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5252介質(zhì)與金屬膜的濕法腐蝕通常是化學液把整塊材料溶解，然后轉(zhuǎn)變層可溶的鹽類或復合物。通常薄膜比塊狀材料的腐蝕速率更快。此外，微結(jié)構(gòu)差、內(nèi)建應力、變更化學組成比或光照等，都將使薄膜的腐蝕速率變快。表12.2現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5353砷化鎵的腐蝕砷化鎵的腐蝕多

31、種砷化鎵的腐蝕已經(jīng)被廣泛研究，然而只有少數(shù)幾種方法是各向同性的腐蝕。這是由于鎵晶面與砷晶面的表面活性迥異。大多數(shù)的腐蝕劑對砷形成拋光的表面，然而對鎵的表面通常會傾向產(chǎn)生晶格缺陷且腐蝕速率較慢?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5454干法刻蝕干法刻蝕在圖案轉(zhuǎn)移的操作過程中，由圖形曝光工藝所形成的抗蝕劑圖案，用來當作刻蝕下層材料的掩蔽層圖a。下層材料多為非晶或多晶系的薄膜。當也用WCE時，由于各向同性（垂直與水平方向）產(chǎn)生不需的側(cè)向鉆蝕圖b。定義各向異性比值：111llffvvRtRlAhR tR Rl與Rv分別為水平和

32、垂直方向的腐蝕速率，對各向同性而言，R1Rv，Af0.WCE的缺點：橫向鉆蝕，使得圖案的分辨率降低。實際上，各向同性腐蝕薄膜的厚度應該是預期分辨率的三分之一或是更小，若分辨率小于薄膜的厚度，就必須使用各向異性腐蝕。在ULSI中，未了從抗蝕劑圖案上得到高準確度的圖案轉(zhuǎn)移，發(fā)展了干法刻蝕?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5555干法刻蝕干法刻蝕現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5656基本等離子體理論基本等離子體理論等離子休由完全電離或部分電離的

33、氣體離子、電子及中子組成。當足夠強的電場加于氣體使氣休擊擊穿并電離時，就產(chǎn)生等離子體。等離子體由自由電子觸發(fā)，這些自由電于是加負偏壓的電極的場發(fā)射或由其它方法產(chǎn)生的。自由電子從電場獲得動能，并在氣體內(nèi)的運動過程中與氣體分子碰撞而損失能量，這些能量使氣體分子電離，即產(chǎn)生自由電子，這些自由電子又從電場中獲得動能，使上述過程不斷繼續(xù)下去。因此當外電壓大于擊穿電壓后，就在整個反應腔內(nèi)形成持續(xù)的等離子體。用于干法刻蝕的等離子體內(nèi)的電子濃度比較低，一般為10cm-3至1012cm-3數(shù)量級，在1Torr壓強下，氣體分子濃度比電子濃度大104至I07倍，氣體的平均溫度在50-100記之間，因此，等離子輔助干

34、法刻蝕是一種低溫工藝過程?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5757刻蝕機制、等離子體探測與終點的控制刻蝕機制、等離子體探測與終點的控制等離子體刻蝕是利用基態(tài)或中性激發(fā)態(tài)物質(zhì)的化學反應，將固態(tài)薄膜去除。等離子體刻蝕通常被氣體放電所形成的帶能量離子所增強或引發(fā)。刻蝕機制刻蝕工藝包括5個步驟：1、刻蝕過程開始與等離子體刻蝕反應物的產(chǎn)生；2、反應物通過擴散的方式穿過滯留氣體層到達表面；3、反應物被表面吸收；4、通過化學反應產(chǎn)生揮發(fā)性化合物；5、化合物離開表面回到等離子體氣流中，接著被抽氣泵抽出?；究涛g方式為：物理方式：濺射

35、刻蝕，正離子高速轟擊表面；化學方式：等離子體產(chǎn)生的中性反應物與物質(zhì)表面相互作用產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物。化學方式有高腐蝕速率、高的選擇比與低的離子轟擊導致的缺陷，但有各向同性的刻蝕輪廓。物理方式可以產(chǎn)生各向同性的輪廓，但伴隨低的選擇比與高的離子轟擊導致的缺陷。將二者結(jié)合，如反應離子刻蝕（RIE）?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5858現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 5959等離子體探測等離子體探測大多數(shù)的等離子體工藝中發(fā)出的射線范圍在紅外光到紫外光

36、之間，一個簡單的縫隙方法是利用光學發(fā)射光譜儀（OES）來測量這些發(fā)射光譜的強度與波長的關系。利用觀測到的光譜波峰與已知的發(fā)射光譜比較，通過可以決定出中性或離子物質(zhì)的存在。物質(zhì)相對的密度，也可以通過觀察等離子體參數(shù)改變時光強度的改變而得到。這些由主要刻蝕劑或副產(chǎn)物所引起的發(fā)射信號在刻蝕終點開始上升或下降?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6060終點控制終點控制干法刻蝕與濕法刻蝕的不同在于干法刻蝕對下層材料無法呈現(xiàn)足夠的選擇比。因此，必須配備一個用來探測刻蝕工藝結(jié)束點的監(jiān)視器，即終點探測系統(tǒng)。激光干涉度量法用來持續(xù)控制晶

37、片表面的刻蝕速率與終止點。在刻蝕過程中，從晶片表面反射的激光會來回振蕩，這個振蕩的發(fā)生是因為刻蝕層界面的上界面與下界面的反射光的相位干涉。因此這一層材料必須透光或半透光才能觀測到振蕩現(xiàn)象。振蕩周期與薄膜厚度的變化關系為：2dn現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6161刻蝕時間（任意單位）反射系數(shù)（任意單位）硅化物多晶硅硅化物/多晶硅刻蝕實驗曲線現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6262反應等離子體刻蝕技術與設備反應等離子體刻蝕技術與設備一個反應

38、等離子體刻蝕反應器包括一個真空腔、抽氣泵系統(tǒng)、電源供應產(chǎn)生器、壓力探測器、流量控制器與終點探測器等?？涛g設備類型擴散機制壓強范圍/Torr桶形刻蝕化學0.1-10下游式等離子體刻蝕化學0.1-10反應離子刻蝕化學與物理0.01-1磁性增強RIE化學與物理0.01-1磁約束三極式RIE化學與物理0.001-0.1電子回旋共振等離子體刻蝕（ECR）化學與物理0.001-0.1電感耦合等離子體（ICP）化學與物理0.001-0.1變壓器耦合等離子體（TCP）表面波等離子體或螺旋波等離子體刻蝕化學與物理0.001-0.1現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖

39、形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6363 1 10 100 10001101001000低于高密度ECR，ICP低壓整批RIE單片晶片RIE桶狀等離子體刻機現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6464反應離子刻蝕（反應離子刻蝕（RIERIE）RIE已被廣泛用于微電子工業(yè)，裝置圖如下所示。此刻蝕系統(tǒng)比傳統(tǒng)的“桶裝”刻蝕系統(tǒng)選擇比要低，是由于強烈的物理濺射的關系。然而，選擇比可以選擇適當?shù)幕瘜W刻蝕來改善。平行板系統(tǒng)RFRF現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻

40、 6565電子回旋共振（電子回旋共振（ECRECR）等離子體刻蝕機）等離子體刻蝕機大多數(shù)的等離子體抗蝕機，除了三極RIE外，都無法提供獨立控制等離子體參數(shù)的能力。導致轟擊損傷的嚴重問題。ECR結(jié)合微波電源與靜電場來驅(qū)使電子沿磁場線作一定角頻率的回旋。當此頻率等于外加微波頻率時，電子能量與外加磁場產(chǎn)生共振耦合，造成大量的分解與電離?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6666其他高密度等離子體刻蝕機其他高密度等離子體刻蝕機由于ULSI的線寬持續(xù)縮小，逼近傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)極限，除了ECR系統(tǒng)外，其他形式的高密度等離子體源（H

41、DP），如電感耦合等離子體源（ICP）、變壓器耦合等離子體源（TCP）、表面波耦合等離子體源（SWP）也已開始發(fā)展。這些設備擁有高等離子體密度與低工藝壓強。另外，HDP等離子體源對襯底的損傷較?。ㄒ驗橐r底有獨立的偏壓源與側(cè)電極電勢），并有高的的各向異性（因為在低壓下工作但有高活性的等離子體密度）。然而，由于其復雜且成本較高，這些系統(tǒng)可能不會使用于非關鍵性的工藝，如側(cè)壁間隔與平坦化工藝?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6767等離子體RFRF介電板現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子

42、科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6868集成等離子體工藝集成等離子體工藝半導體晶片都是在潔凈室里加工制作，以減少大氣中的塵埃污染。當器件尺寸縮小，塵埃的污染成為一個嚴重的問題。為了減少塵粒的污染，集成等離子體設備利用晶片操作機將晶片置于高真空環(huán)境中從一個反應腔移到另一個反應腔。同時可以增加產(chǎn)率?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 6969TiW刻蝕腔AlCu刻蝕腔鈍化層剝蝕腔真空裝載鎖住腔卡式裝/卸載腔現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 70

43、70反應等離子體刻蝕的應用反應等離子體刻蝕的應用等離子體刻蝕系統(tǒng)已由應用于簡單、整批的抗蝕劑剝蝕快速發(fā)展到大的單片晶片加工。下表列舉了不同刻蝕工藝所用到的一些化學劑。被刻蝕材料刻蝕用的化學藥品深Si溝槽HBr/NF3/O2/SF6淺Si溝槽HBr/Cl2/O2多晶硅HBr/Cl2/O2, HBr/O2, BCl3/Cl2, SF6AlBCl3/Cl2, SiCl4/Cl2, HBr/Cl2AlSiCuBCl3/Cl2N2W只有SF6, NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3, CF4/Cl2, Cl2/N2/C2F6SiO2CF4/CHF3/Ar,

44、C2F6, C3F8/CO, C5F8, CH2F2Si3N4CHF3/O2, CH2F2, CH2CHF2現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 7171硅溝槽刻蝕硅溝槽刻蝕當器件尺寸縮小時，晶片表面用作隔離DRAM儲存單元的儲存電容與電路器件間的區(qū)域也會相對減少。這些表面隔離區(qū)域可以利用硅晶片的深溝槽刻蝕，再填入適當?shù)慕橘|(zhì)或?qū)w物質(zhì)來減少其所占的面積。深溝槽深度通常超過5um，主要是用于形成存儲電容，淺的溝槽其深度通常不會超過1um，一般用于器件間的隔離。氯基或溴基的化學劑對硅有高刻蝕速率，且對以二氧化硅為掩蔽層的硅刻蝕

45、有高選擇比。HBr+NF3+SF6+O2混合氣可用于形成深度約7um的溝槽電容，此氣體也用于淺溝槽的刻蝕。亞微米的深硅溝槽刻蝕時，常可觀測到與高寬比有管的刻蝕，這是因深窄溝槽中的離子與中性原子的輸運會受到限制?，F(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 7272圖為硅溝槽平均刻蝕速率與高寬比的關系0 10 20 30 40 50 0.2 0.4 0.6 0.8現(xiàn)代半導體器件物理與工藝現(xiàn)代半導體器件物理與工藝桂林電子科技大學桂林電子科技大學圖形曝光與光刻圖形曝光與光刻 7373多晶硅與多晶硅化物柵極刻蝕多晶硅與多晶硅化物柵極刻蝕多晶硅與多晶硅化物（即多晶硅上覆蓋有低電阻金屬硅化物）常用作MOS器件的柵極材料。各向異性刻蝕及對柵極氧化層的