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半导体器件物理4.ppt
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1、半导体器件物理4孟庆巨芯片制造过程芯片制造过程图形转换:将设计在掩膜版图形转换:将设计在掩膜版(类似于照相底类似于照相底片片)上的图形转移到衬底上。上的图形转移到衬底上。掺杂:根据设计的需要,将各种杂质掺杂掺杂:根据设计的需要,将各种杂质掺杂在需要的位置上,形成晶体管、接触等。在需要的位置上,形成晶体管、接触等。制膜:制作各种材料的薄膜。制膜:制作各种材料的薄膜。基本步骤:基本步骤:硅片准备、硅片准备、外延、外延、氧化、氧化、掺杂、掺杂、淀积、淀积、刻蚀、刻蚀、光刻光刻硅片准备硅片准备光刻光刻 (LithographyLithography)图图形形转转移移:将将设设计计在在掩掩膜膜版版(类类
2、似似于于照照相相底底片片)上上的的图图形形转转移移到半导体单晶片上。到半导体单晶片上。光光刻刻的的基基本本原原理理:利利用用光光敏敏抗抗蚀蚀涂涂层层(光光刻刻胶胶)发发生生光光化化学学反反应应,结结合合刻刻蚀蚀方方法法在在各各种种薄薄膜膜上上生生成成合合乎乎要要求求的的图图形形,以以实实现现、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。形成金属电极和布线或表面钝化的目的。光刻工艺流程光刻工艺流程q光刻三要素:光刻三要素:光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机 光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀蚀剂剂,它它是是由由光光敏敏化化合合物物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。基体树脂和有机溶剂等混
3、合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后,导致其化光刻胶受到特定波长光线的作用后,导致其化学结构发生变化,使光刻胶在某种特定溶液中的溶学结构发生变化,使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变。解特性改变。q正胶(曝光后可溶):分辨率高,在超大规模集成正胶(曝光后可溶):分辨率高,在超大规模集成电路工艺中,一般只采用正胶。电路工艺中,一般只采用正胶。q负胶(曝光后不可溶)负胶(曝光后不可溶):分辨率差,适于加工线宽:分辨率差,适于加工线宽3 3 m m的的线条。线条。插图正胶:曝光后可溶正胶:曝光后可溶负胶:曝光后不可溶负胶:曝光后不可溶亮场版和暗场版亮场版和暗场版曝光的几种方法曝光的几种
4、方法q接接触触式式光光刻刻:分分辨辨率率较较高高,但但是是容容易易造造成成掩掩膜膜版版和和光光刻刻胶膜的损伤。胶膜的损伤。q接接近近式式曝曝光光:在在硅硅片片和和掩掩膜膜版版之之间间有有一一个个很很小小的的间间隙隙(10(1025mm)25mm),可可以以大大大大减减小小掩膜版的损伤,分辨率较低。掩膜版的损伤,分辨率较低。q投投影影式式曝曝光光:利利用用透透镜镜或或反反射射镜镜将将掩掩膜膜版版上上的的图图形形投投影影到到衬衬底底上上的的曝曝光光方方法法,目目前前用用的的最最多多的的曝曝光光方方式式。(特特征尺寸:征尺寸:0.250.25 m m)超细线条光刻技术超细线条光刻技术(特特 征征 尺
5、尺 寸寸:0.100.10 m m)v甚远紫外线甚远紫外线(EUV)(EUV)v电子束光刻电子束光刻vX X射线射线v离子束光刻离子束光刻特特征征尺尺寸寸工工艺艺水水平平的的标标志志:在在保保证证一一定定成成品品率率的的最细光刻线条。最细光刻线条。图4.7图形转移:刻蚀技术图形转移:刻蚀技术湿法刻蚀湿法刻蚀:利用液态化学试剂或溶液通过化学反应利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。进行刻蚀的方法。v湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用:磨湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用:磨片、抛光、清洗、腐蚀。片、抛光、清洗、腐蚀。v优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备优点是选择性好、
6、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低。简单、成本低。v缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。湿湿法法刻刻蚀蚀一一般般都都是是各各向向同同性性的的,即即横横向向和和纵纵向向的的腐腐蚀蚀速率相同。速率相同。干干法法刻刻蚀蚀:主主要要指指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基(处处于于激激发发态态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等)与与材材料料发发生生化化学学反反应应或或通通过过轰轰击击等等物物理理作作用用而而达达到刻蚀的目的。到刻蚀的目的。v溅射与离子束铣蚀:通过高能惰性气体离子的物理轰击溅射与离
7、子束铣蚀:通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀,各向异性性好,但选择性较差。作用刻蚀,各向异性性好,但选择性较差。v等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)(Plasma Etching):利用放电产生的游离基:利用放电产生的游离基与材料发生化学反应,形成挥发物,实现刻蚀。选择性与材料发生化学反应,形成挥发物,实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小,但各向异性较差。好、对衬底损伤较小,但各向异性较差。v反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching(Reactive Ion Etching,简称为,简称为RIE)RIE):过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作
8、用刻蚀。过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点,同时兼有各向具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点,同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前,异性和选择性好的优点。目前,RIERIE已成为已成为VLSIVLSI工艺中工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。应用最广泛的主流刻蚀技术。掺杂工艺(掺杂工艺(DopingDoping)q掺杂:将需要的杂质掺入特定的半导体区域掺杂:将需要的杂质掺入特定的半导体区域中,以达到改变半导体电学性质,形成中,以达到改变半导体电学性质,形成PNPN结、结、电阻、欧姆接触。电阻、欧姆接触。q掺入的杂质主要是:掺入的杂质主要是:磷磷(P
9、)(P)、砷、砷(As)(As)N N型硅型硅 硼硼(B)(B)P P型硅型硅q掺杂工艺主要包括:扩散(掺杂工艺主要包括:扩散(diffusion)diffusion)、离、离子注入子注入(ion implantation)(ion implantation)。扩散扩散q扩散由杂质、温度物质决定的扩散系数来决定。扩散由杂质、温度物质决定的扩散系数来决定。q替位式扩散:温度高,扩散系数低。替位式扩散:温度高,扩散系数低。间间隙隙式式扩扩散散:温温度度低低,扩扩散散系系数数高高(比比替替位位式式扩扩散散大大67个个数数量量级级),必必须须严严防防间间隙隙杂杂质质进进入入扩扩散散、氧氧化化、退火系统
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