芯片制造-半导体工艺制程实用教程.pdf

芯片制造半导体工艺制程实用教程 学习笔记 ）！前言及序言（点击链接杳看之）-1第1章 半导体工业-2-3第2章 半导体材料和工艺化学品-4-5第3章 晶圆制备-6第4章 芯片制造概述-7-8第5章 污染控制-9-10第 6 章 工艺良品率 11一12第7章 氧化-13-14第8章 基本光刻工艺流程一从表面准备到曝光-1517第9章 基本光刻工艺流程一从曝光到最终检验-18-20第10章 高级光刻工艺-21-23第11章 掺杂-24-26第12章 淀积-27-29第13章 金属淀积-30-31第14章 工艺和器件评估-32-33第15章 晶圆加工中的商务因素-34-35第16章 半导体器件和集成电路的形成-36第17章 集成电路的类型-37-38第18章 封装-39-41个人感慨-411/41 第一章半导体工业L电子数字集成器和计算器（ENIAC）18000个真空三极管，70000个电阻，10000 个电容，6000个开关，耗电150000W,成本约400000美元重30吨，占地140平方米宾 夕法尼亚的摩尔工程学院于1947年进行公开演示；2、晶体管（transistor）-传输电阻器。John Bardeen,Walter Brattin,William Shockley 共同荣获1956年诺贝尔物理奖；3、每个芯片中只含有一个器件的器件称为分立器件（晶体管、二极管、电容器、电阻器）4、集成电路（integrated circuit）平面技术（planar technology）Kilby&Noyce 共 同享有集成电路的专利；5、集成电路中器件的尺寸（特征图形尺寸-微米）和数量时IC发展的两个共同标志。集 成度水平（integration level）的范围：小规模集成电路SSI2-50（单位芯片内的器件数）芯片边长约为lOOmils中规模集成电路MSI50-5000（单位芯片内的器件数）大规模集成电路LSI5000-100000（单位芯片内的器件数）特大规模集成电路VLSI100000-1000000（单位芯片内的器件数）超大规模集成电路ULSI1000000（单位芯片内的器件数）芯片每边长约为500mils储存器电路由其存储比特的数量来衡量；逻辑电路的规模经常用栅极的数量来评价；6、1960年1英寸直径晶圆；8英寸（约200毫米）12英寸（约300毫米）1英寸二2/41 25.3mm7、特征尺寸的减小和电路密度的增大带来了很多益处。在电路的性能方面时电路速度的提 高、传输距离的缩短,以及单个器件所占空间的减小使得信息通过芯片时所用的时间缩短；电 路密度的提高还使芯片或电路耗电量更小；8、成本降低和性能提高这两个因素推动了固态电子在产品中的实用；据估计到2008年全 世界工业生产的晶体管将达到每个人10亿个；9、电子工业可分为两个主要部分：半导体和系统（产品），涵盖印刷电路板制造商；半导体产业由两个主要部分组成：一部分是制造半导体固态器件和电路的企业，生产过程 称为晶圆制造（wafer fabrication），在整个行业有三种类型的芯片供应商，一种是集设计、制 造、封装和市场销售为一体的公司；另一种是做设计和晶圆市场的公司，他们从晶圆工厂购买 芯片；还有一种是晶圆代工厂，它们可以为顾客生产多种芯片10、固态器件的制造阶段：材料准备-晶体生长与晶圆准备-晶圆制造（前线工艺FEOL和后线工艺BEOL）-封装二氧化硅（沙子）-含硅气体-硅反应炉-多晶硅11、场效应管（FET）;金属氧化物（MOS）;氧化掩膜；平面技术；外延；12、1963年塑封在硅器件上的使用加速了价格下滑，绝缘场效应管（IFET）,互补型MOS（CMOS）电路；13、接触光刻机（contact aligner）、投射光刻机、离子注入机、电子束（E-beam）机、膜版步进式光刻机（Stepper）14、工业控制的技术竞争：自动化、成本控制、工艺特性化与控制、人员效率15、国家技术发展路线图（National Technology Roadmap for Semiconductor ZNTRS）3/41 第二章半导体材料和工艺化学品L原子结构：电子质子中子空穴（未填充电子的位置）任何原子中都有数量相等的质子和电子；任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素 有相同数目的质子；有相同最外层电子数的元素有着相似的性质；最外层被填满或者拥有8个 电子的元素是稳定的；原子会试图与其他原子结合而形成稳定的条件。2、导电率C=l/p p为电阻率，单位为欧姆厘米 Qcm3、电容：把一层绝缘材料夹在两个导体之间就形成的一种电子元件，电容的实际效应就是储存 电荷C=kEA/t C-电容匕材料的绝缘常数E-自由空间的介电常数（自由空间有最高的电 容）A-电容的面积t-绝缘材料的厚度。4、电阻R=pL/WD p为材料电阻率L为长度 W为宽度D为高度5、导体半导体相关特性：材料的电分类和掺杂半导体的性质 空穴流（hole flow）分类电子例子导电率导体自由移动金、银、铜10的46次方绝缘体无法移动玻璃、塑料10的-22-10次方半导体-本征的有些可以移动褚、硅、mv族元素10的-93次方半导体-掺杂的受控的部分可以移动N型p型半导体N型半导体P型半导体导电电子空穴极性负正掺杂术语授主(donor)受主(acceptor)在硅中掺杂神、磷、睇硼4/41 6、载流子迁移率：在电路中，我们对载流子（空穴和电子）移动所需能量和其移动的速度都感 兴趣。移动的速度叫做载流子迁移率，空穴比电子迁移率低，在为电路选择特定半导体材料时，这是个非常值得考虑的重要因素。7、半导体产品材料：错（熔点937度）-表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电;硅（熔点1415度）半导体化合物：碎化镒（GaAs）、磷神化钱（GaAsP）、磷化锢（InP）、珅铝化钱（GaAIAs）、磷锈化锢（InGaP）o其中神化钱（GaAs）、磷神化钱（GaAsP）可用于发光二极管LED制造。8、珅化钱（GaAs）有诸多优势：载流子的高迁移率、对辐射造成的漏电具有抵抗性、其半绝 缘性使邻近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度。即便如此珅化钱也不可能替代硅成为主 流的半导体材料，因为其性能和制造难度之间的权衡。另外珅对人类使很危险的。9、诸化硅：器件和集成电路的结构特色是用超高真空/化学气相沉积法（UHV/CVD）来淀积 错层。异质结构（hetrostructure）、异质结（heterojunciton）10、铁电材料：PZT&SBT z并入SiCOMS存储电路，叫做铁电随机存储器（FeRAM）11、工艺化学品：当把芯片的制造成本加在一起时，其中化学品占总制造成本的40%分子、化合物、混合物、离子（ion）、离子的（ionic）;固体、液体、气体、等离子体12、物质的性质:（摄氏温标中改变一度比华氏温标中需要更多的能量）温度：华氏温标（-491.4、32、212）、摄氏温标（-273、0、100）、开氏温标（0、273、373）华氏温标时德国物理学家Gabriel Fahrenheit用盐和水溶液开发的，盐溶液的冰点温度定为华 氏零度。但由于纯水的冰点温度更有用，所以在华氏温标中水的冰点温度为32F,沸点温度为 212F,两者相差180Fo密度（dense）、比重（specific gravity）蒸气密度（vapor density）气压表示为英镑每平方英寸（psia），大气压或托（torr）;真空vacuum）;毫米汞柱（manometer）酸、碱、溶剂:酸中含有氢离子（hydrogen ion）,碱中含有氢氧离子（hydroxide ion）材料安全数据表（MSDS）-美国联邦职业、安全和健康法案（OSHA）的规定5/41 第三章晶圆制备1、晶圆制备阶段：矿石到高纯气体(四氯化硅或者三氯硅烷)的转变-气体到多晶的转变-多 晶(polysilicon)到单晶、掺杂晶棒的转变-晶棒到晶圆的制备；2、原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体(crystal);原子没有固 定的周期性排列的材料称为非晶体或者无定形(amorphous);3、晶体里的原子排列为晶胞(unit cell)结构-晶体结构的第一个级别；晶格(lattice);硅 晶胞具有16个原子排列成金刚石结构神化钱晶体具有18个原子的晶胞结构称为闪锌矿结构;4、当晶胞间整洁而有规则地排列时，第二个级别地结构发生了，这样排列的材料具有单晶结构。单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测的特性，单晶结构允许在半导体里一致和可预测的 电子流动；5、晶向(crystal orientation),晶面通过一系列称为密勒指数的三个数字组合来表示，晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路，而晶向的晶圆用来制造双极型器件和电路。6、把多晶块转变成一个大单晶，条合予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。直拉法CZ:籽晶放肩形成一薄层头部-等径生长-收尾，可形成几英寸长和直径大到12英寸 或更多的晶体，200毫米晶圆晶体重约204kg,三天时间生长。高氧含量晶体;液体掩盖直拉法LEC:用来生长神化钱晶体，由于珅有有挥发性，一是通过给单晶炉加压来抑 制碑的挥发，另一个是用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制碑的挥发；区熔法：不能像直拉法那样生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，但不需要石英用 塌便会生长出低氧含量的高纯晶体。低氧晶体可用在高功率的晶闸管和整流器上；7、晶体缺陷：点缺陷(空位)、位错、原生缺陷(滑移、挛晶)8、晶体准备：截断：用锯子截掉头尾；直径滚磨：在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作；晶体定向、电导率和电阻率检查；滚磨定向指示：主参考面、第二个参考面；切片；晶圆划号：使用激光点；磨片：主要目的是去除切片工艺残留的表面损伤；化学机械抛光CMP:制造大直径晶圆的技术之一，化学机械平面化(planarization);背处理：背损伤、吸杂、背面喷沙、背面多晶层或氮化硅的淀积；双面抛光；边缘倒角和抛光：边缘倒角是使晶圆边缘圆滑的机械工艺；晶圆评估：直径及公差、厚度、晶体定向、电阻率、Res梯度、氧含量、氧化度、碳含量；氧化；包装；晶圆外延。6/41 第四章芯片制造概述1、芯片制造的四个阶段：原料制作-单晶生长-晶圆制造、集成电路晶圆的生产（wafer fabrication）-集成电路的封装；2、晶圆术语：器件或叫芯片-Chip、die、device、circuit、microchip,bar街区或锯切线-Scribe lines、saw lines、streets,avenues工程试验芯片-Engineering die、test die边缘芯片-Edge die晶圆的晶面-Wafer Crystal Plane晶圆切面/凹槽-Wafer flats/notche3、晶圆生产的基础工艺：|层-光刻-掺杂-热处理基本工艺制程方法具体分类增层氧化常压氧化法高压氧化法快速热养护（RTO）化学气相淀积常压化学气相淀积低压化学气相淀积等离子增强化学气相淀积气相外延法金属有机物（CVD）分子束外延物理气相淀积真空蒸发法溅射法光刻Photomasking Masking Photolithography Microlithography光刻胶正胶工艺负胶工艺曝光系统接触式曝光接近式曝光投影式曝光步进曝光机7/41 曝光源同压汞X射线电子束曝光成像工艺单层光刻胶多层光刻胶防反射层偏轴照明环状照明平坦化对比度提高刻蚀湿化学刻蚀干法刻蚀剥脱离子磨反应离子蚀刻法掺杂热扩散Thermal diffusion开放式炉管-水平/竖置封闭炉管快速热处理离子注入 implantation中/高电流离子注入低能量/高能量离子注入热处理加热加热盘热对流快速加热热辐射红外线加热4、电路设计：功能电路图（逻辑功能图）-示意图-电路版面设计（复合图composite）5、光刻母版（reticle）和掩膜版：光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铭层上生成分层设计电 路图的复制图。6、晶圆测试:又称芯片测试（die sort）或晶圆电测（electrical sort）8/41 第五章污染控制1、半导体器件极易受到多种污染物的损害：微粒、金属离子、化学物质、细菌；微粒：lcm=10000um,人的头发直径约为lOOum，微粒的大小要小于器件上最小特征图形尺 寸的1/10倍（1994年SIA将0.18um设计的光刻操作的缺陷密度定为0.06um下的135个）金属离子：可移动离子污染物（MIC）,Na是最常见之一；化学品：以氯为代表；2、污染引起的问题：器件工艺良品率、器件性能、器件可靠性；3、污染源：空气、厂务设备、洁净室工作人员、工艺使用水、工艺化学溶液、工艺化学气体、静电；4、空气a.空气洁净等级标准209E:区域中空气级别数是指在一立方英尺（0.0283立方米）中所含直径为0.5微米或更大的颗粒总数。一般城市空气为500万级；b、净化空气的方法：洁净工作台、隧道型设计、完全洁净室、微局部环境高效颗粒搜集过滤器（HEPA过滤器空气层流立式（VLF）工作台、空气层流平行式（HLF）工作台、标准机械接口装置（SMIF）、晶圆隔离技术（WIT）、晶圆盒（POD）;c、温度、湿度及烟雾5、洁净室的建设：建筑材料-以不锈钢为主、洁净室要素-9种控制外界污染的技术粘着地板垫、更衣区、空气压力、空气淋浴器、维修区、双层门进出通道、静电控制（静电放 电电流ESD,防止静电堆积和防止放电）、净鞋器、手套清洗器6、人员产生的污染：经过风淋的洁净室操作员，坐着时每分钟可释放10万到100万个颗粒、移动时会大幅增大。呼吸时也会排出大量水气和微粒；7、工艺用水：城市系统中水包含的污染物有溶解的矿物、颗粒、细菌、有机物、溶解氧、二氧 化碳。去除带电离子使水从导电介质变成阻抗，18M。水。清洁工艺用水至可接受的洁净水平 所需的费用是制造厂的一个主要运营费用；8、工艺化学品：一般溶剂、化学试剂、电子级和半导体级；有几种技术可同时满足更洁净的化学品、更严格的工艺控制和较低的费用，其中一种是点使9/41 用（point-of-use POU）化学混合器（BCDS的另一个版本）。大量化学品传输系统（BCDS）、点使用化学品再生（POUCG）,ppm-百万ppb-十亿 ppt-万亿9、化学气体：纯度、水汽含量、微粒、金属离子；氧气钝化（0P）、晶圆舟（wafer boat）10、设备机械设备是最大的微粒污染源；每片晶圆每次通过设备后增加的颗粒个数（ppp）、每片晶圆每次通过的颗粒增加数（PWP）11.洁净室的供给、洁净室的维护；12、晶片表面清洗：颗粒、有机残留物、无机残留物、需要去除的氧化层；前线（FEOL）清洗、后线（BEOL）清洗颗粒去除（机械的）通常的化学清洗（例如硫酸/氢气/氧气）氧化物去除有机物和金属去除（SC-1）碱金属和氢氧化物的去除（SC-2）水清洗步骤芯片烘干13、颗粒的去除:Vander Waals吸引力、z电势、Capillary弓|力;晶片刷洗器;高压水清洗；有机残留物、无机残留物、化学清洗方案（硫酸、硫酸和过氧化氢、臭氧）14、氧化层的去除：RCA清洗，标准清洗-1SC-1、标准清洗-2SC-215、室温和氧化的化学物质：臭氧化的去离子水、氢氟酸/过氧化氢/水/表面活性剂+兆声波（MEGASONIC）、双氧水十兆声波、氢氟酸稀释液（1%）、去离子水清洗十兆声波，（喷洒清洗-干法清洗-低温清洗C02）;16、水清洗：溢流式清洗器、喷洒式清洗、排放式清洗、超声波辅助进行的清洗和水冲洗、旋 转淋洗烘干机（SRD）;20000-50000HZ为超声波、850KHz为兆声波；17、烘干技术：旋转淋洗烘干机、异丙醇（IPA）蒸气烘干机法、表面张力/麦兰（marangoni）烘干法10/41 第六章工艺良品率L维持及提高良品率（yield）对半导体工业至关重要，三个主要的良品率被用来监控整个半 导体工艺制程：晶圆生产部门-良品率二晶圆产出数/晶圆投入数；晶圆电测-良品率二合格芯片数/晶圆上的芯片总数；封装-良品率二终测合格的封装芯片数/投入封装生产线的合格芯片数；2、累积晶圆生产良品率：在晶圆完成所有的生产工艺后，第一个主要良品率被计算出来，称之 为FAB良品率、生产线良品率、累积晶圆厂良品率或CUM良品率。要得到CUMI良品率，需 要首先计算各制程站良品率（station yield=离开制程站晶圆数/进入制程站晶圆数），将各制 程站良品率相乘即得整体的晶圆生产CUM良品率（典型值50%-90%）。3、晶圆生产良品率的制约因素：a工艺制程步骤的数量；工艺步骤增加，良率下降；工艺步骤增加同时提高了后四个制约良品率因素对制程中晶圆产生 影响的可能性一数量专治。（对于商用半导体，75%的晶圆厂CUM良品率是赚取利润的底线，自动化生产线则要达到90%或以上）b.晶圆破碎和弯曲;手工和自动的操作、对晶圆的多次热处理、晶圆表面的平整性要求。c.工艺制程变异；工艺工程和工艺控制程序的目标不仅仅是保持每一个工艺操作在控制界限内，更重要的是维持 相应的工艺参数稳定不变的分布。正态分布（normal distribution）+中心极限分布（central theorem distribution）d.工艺制程缺陷;工艺制程缺陷被定义为晶圆表面受到污染或不规则的孤立区域（或点），这些缺陷经常被称为点 缺陷（spot defect）,导致整个电路失效的缺陷称为致命缺陷（killer defect）o主要来源于晶 圆生产区域涉及到的不同液体、气体、洁净室空气、人员、工艺设备和水等等。e.光刻掩膜版缺陷。11/41 一般有三种掩膜版引起的缺陷:第一种是污染物、第二种是石英板基中的裂痕、第三种是在掩膜 版制作过程发生的图案变形（点、空洞、包含、突出、断裂、桥）4、晶圆电测良品率的制约要素：晶圆直径、芯片尺寸（面积）、工艺制程步骤的数量、电路密度、缺陷密度、晶圆晶体缺陷密 度、工艺制程周期；a.晶圆直径和边缘芯片：增大晶圆直径可减少边缘芯片比例，对晶圆电测良品率有正面影响 b.晶圆直径和芯片尺寸：增加芯片尺寸而不增大晶圆直径将会导致晶圆表面完整芯片的比例缩 小，当芯片尺寸增加时需用增大晶圆直径以维持很好的晶圆电测良品率。c.晶圆直径和晶体缺陷（晶圆直径和工艺制程变异）：增大晶圆的直径使得晶圆中心保留更多的 未受影响的芯片从而提高晶圆电测良品率；d.芯片尺寸和缺陷密度：对于给定的缺陷密度，芯片尺寸越大，良品率越低；e.电路密度和缺陷密度：对于给定的缺陷密度，电路密度越大，良品率越低；f.工艺制程步骤的数量：随着工艺制程步骤数量的增加，除非采取相应措施来降低由此带来的影 响，晶圆背景缺陷密度将增加，增加的背景缺陷密度会影响更多的芯片，从而使晶圆电测良品 率变低；g.特征图形尺寸和缺陷尺寸：较小的特征工艺尺寸使提高晶圆电测良品率增加了难度；h.工艺制程周期：较长的工艺制程周期也使提高晶圆电测良品率增加了难度；i.晶圆电测良品率公式：指数函数模型、Seeds模型、Murphy模型、负二项式模型；5、封装和最终测试良品率：封装工艺完成后，封装好的芯片会经过一系列的物理、环境和电性测试，总称为最终测试（final test）,最终测试后得出第三个主要良品率。6、整体工艺良品率：整体工艺良品率是三个主要良品率的乘积，给出了出货芯片数相对最初投入晶圆上完整芯片数 的百分比，它是对整个工艺流程成功率的综合评测。由特定电路的集成度生产工艺的成熟程 度（三个良品率）等决定。总体而言晶圆电测良品率是其中最低的一个环节，也是有更大提升 空间的环节。12/41 第七章氧化L二氧化硅层的用途：a.表面钝化：保护器件的表面及内部、禁锢污染物在二氧化硅膜中；b.掺杂阻挡层：掺杂物在二氧化硅的运行速度低于硅中的运行速度、二氧化硅的膨胀系数与硅接近；c.表面绝缘体：氧化层必须足够厚，以免产生感应现象，称为场氧化物；d.器件绝缘体：热生成的氧化层可以用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质；e.器件氧化物的厚度与用途：60100 埃150500 埃200500 埃20005000 埃300010000 埃隧道栅极栅极氧化、电容绝缘层LOCOS氧化掩膜氧化、表面钝化场氧化2、热氧化机制：阶梯式升温方法，900-100(TC之间a.生长氧化层会经历两个阶段：线性阶段(1000埃)和抛物线阶段；受限反应(transport limited reaction)、受限扩散反应(diffusion limited reaction);b.一个加速氧化方法是用水蒸气(H20)来代替氧气做氧化剂，氢氧基离子扩散穿过晶圆上的 氧化层的能力比氧气快；蒸气氧化(steam oxidation)、湿氧化(wet oxidation)、高温蒸气氧化(pyrogenic steam);c.氧化率的影响因素：晶格方向比100快)、晶圆掺杂物的再分配(N型堆积、P型消耗)、氧化杂质、多 晶硅氧化、不均与的氧化率及氧化步骤3、热氧化方法：热氧化反应(thermal oxidation)-常压、高压、阳极氧化4、水平炉管反应炉(diffusion furnaces or tube furnace):反应室、温度控制系统、反应炉、气体柜、晶圆清洗站、装片站、工艺自动化；a.反应室：高纯度石英(大于120CTC时易破碎称为钝化devitrification)或氮化硅材料；b.温度控制系统：自动温度分布曲线控制系统(autoprofiling)、逐渐加温(ramping)、待机 状态(idle);13/41 c.反应炉结构：一般有3-4个炉管，可用于同一种工艺或被设计成不同的操作；d.气体柜（source cabinet）:气体控制面板（gas control panel）、气体流量控制器（gas flow controller!物流控制器（mass flow meter 丛林（jungle）、氧化源（干氧、水蒸气源、气泡发生器、干氧化、加氯氧化）e.晶圆清洗站：自动清洗机（VLF湿槽）+漂洗机+干燥机f.装片站：自动晶圆装载（石英舟、象鼻管elephant、桨paddle）、手动装载晶圆g.氧化工艺的自动化：时间、温度、反应气体顺序及推进，推出速率等编入程序形成配方recipe 5、垂直炉管反应炉：层流状态（laminar gas flow）6、快速升温反应炉：通常反应炉每分钟升温几度，快速升温炉可以每分钟十几度；7、快速加热工艺I RTP）:RTP工艺是基于热辐射原理 其应用减少了工艺所需的热预算thermal budget）,用于氧化的RTP系统也叫做快速热氧化（Rapid Thermal Oxidation z RTO）系统。其他应用RTP技术的工艺包括：湿氧化、局部氧化、离子注入后的源极/漏极的活化、LPCVD 多晶硅、无定形硅、铝、硅化物、LPCVD氮化和LPCVD氧化。8、高压氧化：采用高压后一种解决方案是降低反应温度，每增加一个大气压温度可以降3（TC;另一种方案是用高压系统来维持正常的反应速度，减少氧化时间。a.可以解决在局部氧化中（LOCOS）产生的鸟嘴问题;b.氧化前晶圆的清洗：机械清洗一RCA湿洗一氢氟酸（HF）或稀释的氢氟酸清洗;9、氧化工艺：实际的氧化是在炉管反应炉中，在不同的气体循环中进行的（氮气-氧气-氮气循 环）a.气源：氧气、氧气中的氯气（CI2 1氯化氢（HCI1三氯乙烯（TCE）或氯仿（TCA）;b.后氧化评估：一些评估由操作员在线实行、另一些评估由质量控制实验室离线实施；c.表面检测：高亮度紫外线下对每片晶圆进行检测；d.氧化厚度：检测技术包括颜色比较、边缘记数、干涉、椭偏仪、刻纹针振幅仪和电子扫描显 微镜；e.氧化和炉管清洗：颗粒、污点及移动离子污染最小化；绝缘材料的强度；氧化层的折射率；10、阳极氧化：硅晶圆连在正极（阳极）上，同时槽连在负极（阴极）上，两种均沉浸在KNO3 溶液里。阳极氧化的基本应用是在晶圆表面形成参杂浓度的曲线；11.热氮化：氮化硅膜（Si3N4）,硅表面暴露在氨气（NH3）中而生成氮化硅。某些高级器件 中也使用氧氮化硅膜。14/41 第八章 基本光刻工艺流程一从表面准备到曝光1、光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的基本操作(Photolithography.Photo masking.Masking.Oxide、Metal Removal-ORZMRS Microlithography)分辨率-resolution特征图形尺寸-feature size图像尺寸-image size定位图形-Alignment or Registration 聚合-polymerization 抗刻蚀的-etch resistant or Resist or Photoresist 亮 场掩膜版-dear field mask 光溶解-photosolubilization;负胶+亮场或正胶+暗场形成空穴；负胶+暗场或正胶+亮场形成凸起；2、光刻十步法：表面准备一涂光刻胶一软烘焙一对准和曝光一显影一硬烘焙一显影目测一刻蚀一光刻胶去除 一最终目检；3、基本的光刻胶化学物理属性：a、组成：聚合物+溶剂+感光剂+添加剂普通应用的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应，它们称为光学光刻胶(optical resist),还有 其它光刻胶可以与X射线或者电子束反应；负胶：聚合物曝光后会由非聚合态变为聚合状态，形成一种互相粘结的物质，是抗刻蚀的，大 多数负胶里面的聚合物是聚异戊二烯类型的，早期是基于橡胶型的聚合物；正胶：其基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物，也称为苯酚-甲醛Novolak树脂,聚合物是相对不可 溶的，在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成可溶状态；化学放大光刻胶-chemically amplified resist负胶光敏齐I-Bis-aryldiazide正胶光敏剂-O-naphthaquinonediazide b光刻胶的表现要素:15/41 分辨率：resolution capability,纵横比-aspect ratio（光刻胶厚度与图形打开尺寸的比值、正 胶一般比负胶有更高的纵横比）；粘结能力：负胶的粘结能力通常比正胶强一些；曝光速度、灵敏性和曝光源：反应速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度越快；灵敏性是与 导致聚合或者光溶解发生所需要的能量总和相关的；波长越短的射线能量越高；工艺宽容度：工艺维度越宽，在晶圆表面达到所需要尺寸的可能性就越大；针孔：针孔是光刻胶层尺寸非常小的空穴，光刻胶层越薄，针孔越多，典型的权衡之一；微粒和污染水平、阶梯覆盖度和热流程；c、正胶和负胶的比较：直到20世纪70年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，到20世纪80年代，正胶逐渐 被接受。两者相比优缺点如下：正胶的纵横比更高、负胶的粘结力更强曝光速度更快、正胶的 针孔数量更好阶梯覆盖度更好，但成本更高、正胶使用水溶性溶剂显影而负胶使用有机溶剂显 影；d、光刻胶的物理属性：固体含量：solid content 一般在 20%-40%;粘度：测试方法有落球粘度计量器、Ostwalk-Cannon-Fenske方法、转动风向标法、粘度单 位是厘泊（centipoise）,另一种单位称为kinematic粘度，它是centistoke,由粘度（厘泊）除以光刻胶密度而得到，默认温度为25度；表面张力；折射系数：index of refraction,对于光刻胶其折射率和玻璃接近约为1.45;储存与控制：光热敏感度、粘性敏感度、清洁度4、光刻工艺剖析：a、表面准备:16/41 微粒清除：高压氮气吹除、化学湿法清洗、旋转刷刷洗、高压水流；脱水烘焙：低温烘焙（150200）,憎水性-hydrophobic亲水性-hydrophilic晶圆涂底胶：HMDS（六甲基乙硅烷）沉浸式涂底胶、旋转式涂底胶、蒸气式涂底胶；b、涂光刻胶：普通的光刻胶涂胶方法有三种：刷法、滚转方法和浸泡法，IC封装用光刻胶的涂布方法如下：静态涂胶工艺、动态喷洒、移动手臂喷洒、手动旋转器、自动旋转器、背面涂胶；c、软烘焙：热传递的三种方式传导、对流和辐射；常用的软烘焙加热方式如下：对流烘箱、手工热板、内置式单片晶圆加热板、移动带式热板、移动带式红外烘箱、微波烘焙、真空烘焙、d、对准和曝光（A&E）:对准系统的性能表现:对准系统包含两个主要子系统、一个是要把图形在晶圆表面上准备定位，另一个是曝光子系统，包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向晶圆表面上的机械装置；对准与曝光系统：光学（接触式、接近式、投影式、步进式），非光学（X射线、电子束）；曝光光源：高压汞灯、准分子激光器、X射线及电子束；对准法则：第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的Y轴与晶圆上的平边成90。放置，接下来的掩 膜都用对准标记（又称靶 片上一层带有图形的掩膜对准。对准误差称为未对准（misalignment）;光刻机的分类：接触式光刻机、接近式光刻机、扫描投影光刻机、步进式光刻机、分布扫描光 刻机、X射线光刻机、电子束光刻机、混合和匹配光刻机；曝光后烘焙（PEB）:驻波是使用光学曝光和正性光刻胶时出现的问题，一种减少驻波效应的方 法是在曝光后烘焙晶圆，PEB的时间和温度的规格是烘焙方法、曝光条件以及光刻胶化学所决 定的。17/41 第九章基本光刻工艺流程一从曝光到最终检验1、显影：通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图案显影，显影技术被设计成使之把完全一样的 掩膜版图案复制到光刻胶上。a.负光刻胶显影：二甲苯或Stoddart溶剂显影,n-丁基醋酸盐冲洗;b正光刻胶显影：碱(氢氧化钠或氢氧化钾)+水溶液、或叠氮化四甲基镀氢氧化物的溶液(TMAH);c.湿法显影：沉浸-增加附属方法提高显影工艺，机械搅动、超声波或磁声波等；喷射-对负胶而言是标准工艺，对温度敏感的正胶却不是很有效，隔热冷却(adiabatic cooling);混凝-是用以获得正胶喷射显影工艺优点的一种工艺变化；等离子去除浮渣-不完全显影造成的一个特俗困难叫做浮渣(scumming),用氧等离子去除；d.干法(或等离子)显影：干法光刻胶显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的部分二者之一 易于被氧等离子体去除，换言之图案的部分从晶圆表面上氧化掉，一种DESIRE的干法显影工 艺会使用甲基硅烷和氧等离子体2、硬烘焙：与软烘焙一样通过溶液的蒸发来固化光刻胶，常见工艺流程如下：显影一检验一硬烘焙一刻蚀；显影/烘焙一检验一刻蚀；显影/烘焙一检验一重新烘焙一刻蚀；硬烘焙温度的上限是以光刻胶流动点而定，高温烘焙会产生边缘线等不良现象；3、显影检验(develop inspect DI):目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆、提供工艺性能和工艺控制数据、以及分拣出需要重做的晶圆；a.晶圆被返回掩膜工艺称为重新工艺处理(rework或red。)10%5%比较理想b.检验方法：人工检验(1倍检验)、显微镜检验(随机抽样random sampling)、关键尺寸(Critical Dimension,CD)、自动检验c.显影检验拒收的原因：检验遵循首先-不足(first-fail basis)原理碎晶圆、划伤、污染、小孔、MA、桥接、不完全显影、光刻胶翘起、曝光不足、无光刻胶、光 刻胶流动、不正确的掩膜版、CD4、刻蚀：主要有湿法和干法刻蚀，两种方法的主要目标是将光刻掩膜版上的图案精确地转移到 晶圆的表面，其他刻蚀工艺的目标包括一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度和成本最低化；18/41 a.湿法刻蚀：历史上的刻蚀方法一直是使用液体刻蚀剂沉浸的技术，对于晶圆被刻蚀剂污染的 担忧由增加出口过滤器(point-of-use filter)来解决；不安完全刻蚀、过刻蚀(overetch)、各向异性刻蚀(anisotropic 各向同性刻蚀(isotropic 底切(undercutting)、选择性(selectivity)硅湿法刻蚀：硝酸加氢氟酸的混合水溶液，醋酸等可用来控制放热反应；二氧化硅湿法刻蚀：基本的刻蚀剂是氢氟酸(HF),实际中用49%的氢氟酸与水或氟化胺与水 混合。氟化胺NH来缓冲会加速刻蚀速率的氢离子的产生，这种刻蚀溶液称为缓冲 氧化物刻蚀(buffered oxide etche)或 BOE;铝膜湿法刻蚀：对于铝和铝合金有选择性的刻蚀溶液是基于磷酸的(含有磷酸、硝酸、醋酸、水和湿化代理物16:1:1:2),可有效消除雪球(snow ball)等气泡现象；淀积氧化物湿法刻蚀(铝膜上的二氧化硅钝化膜)，一般用BOE溶液刻蚀，但容易造成Brown 或stain,受青睐的刻蚀剂是氟化胺和醋酸1:2的混合水溶液;氮化硅湿法刻蚀：18CTC热磷酸溶液，一般光刻胶承受不了此温度和刻蚀速率，改用干法；湿法喷射刻蚀：其主要优点是喷射的机械压力而增加了精确度、减小污染、可控性更强、工艺 一致性更好，缺点在于成本以及压力系统中有毒刻蚀剂的安全性和对机器老化性的考验；蒸气刻蚀：用HF蒸气在密封的系统中进行(一种新的技术)；小尺寸湿法刻蚀的局限：湿法刻蚀局限于3微米以上的图案尺寸；湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡；湿法刻蚀工艺要求冲洗和干燥步骤；液体化学品有毒害；湿法工艺具有潜在的污染；光刻胶粘结力的失效导致底切。b.干法刻蚀(dry etching):等离子体、离子束打磨(刻蚀)和反应离子刻蚀(RIE)等离子体刻蚀:桶形刻蚀机(barrel etcher 平面等离子刻蚀机、电子回旋加速器共振(ECR)、高密度反射电子、Helicon波、感应耦合等离子(ICP)、变压器耦合等离子体(TCP)等；等离子体系统的刻蚀率由系统设计和化学品两个主要因素决定，其它因素是离子浓度和系统压 力；辐射损伤(对晶圆的辐射radiation或对等离子体plasma的损伤、非导体损耗dielectric 19/41 wearout、下游等离子体 downstream plasma）;选择性是等离子体刻蚀工艺的一个主要的考虑事项，用于控制选择性的4种方法是刻蚀气体配 比的选择、刻蚀率、接近工艺结束时的气体稀释来减缓对下层的刻蚀、在系统中使用结束点探 测器，其他关注的问题还有：污染、残余物、腐蚀以及所有权成本；离子束刻蚀：离子束刻蚀是一个物理工艺，动力传输（momentum transfer）、喷溅刻蚀（sputter etching）或离子打磨（ion milling）;材料的去除是非常有方向性（各向异性），导致良好的小开口区域的精密度，因为是物理工艺，离子打磨的选择性差；反应离子刻蚀（RIE）:结合了前二者的优点，一个主要优点是在刻蚀硅层上的二氧化硅层RIE系统已成为用于最先进生产线中的刻蚀系统；干法刻蚀中光刻胶的影响：残余的氧气会刻蚀光刻胶层、温度过高会使光刻胶被烘焙、再一个 和温度相关的问题是光刻胶的流动倾向而使图案变形、边侧聚合物（sidewall polymer）沉积 变成金属氧化物而难以去除；5、光刻胶的去除：光刻胶去除剂被分成综合去除剂和专用于正胶及负胶的去除剂，它们也根据 晶圆表层类型被分成有金属的和无金属的；无金属表面的湿法去除：硫酸和氧化剂溶液（过氧化氢或过硫酸盐胺）、硝酸做氧化剂；有金属表面的湿法化学去除：酚有机去除剂、溶液/胺去除剂、特殊湿法去除剂；干法去胶：等离子场把氧气激发到高能状态，因而将光刻胶成分氧化为气体由真空泵从反应室 吸走 Ashing;离子注入后和等离子去胶：一般地用干法工艺来去除或减少光刻胶，然后加以湿法工艺；6、最终目检：与显影检测是一样的规程，只是大多数的拒收是无法挽回的，在显影目检中应已 被区分并从批料中拿出的晶圆叫做显影目检漏掉（develop inspect escapes）7、光刻版制作：主要步骤：玻璃/石英板的形成一沉积铭涂层一光刻胶涂层一涂层曝光一图案显影一图案刻蚀 一光刻胶去除工艺流程：电路平面设计一数字化一流程A+激光电子束直接写入流程B和流程C;流程A图案产生-掩膜版-母版处理-接触印刷附属版-工作版处理-晶圆曝光（接触/接近/投射）；流程B光刻版-光刻版处理-晶圆