半導(dǎo)體工藝-圖形曝光與光刻(編輯修改稿)
2025-07-09 18:07 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 比電子有較小的散射。最主要的應(yīng)用為修補(bǔ)光學(xué)圖形曝光用的掩模版。下圖為 60keV的 50個(gè)氫離子注入 PMMA及不同襯底中的電腦模擬軌跡。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 40 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(xué)法的衍射現(xiàn)象、電子束的鄰近效應(yīng)、 X射線的掩模版制作復(fù)雜、EUV的掩模版空片的制作困難、離子束的隨機(jī)空間電荷效應(yīng)。 對(duì)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(diǎn)來(lái)改善分辨率與提供產(chǎn)率。 根據(jù)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)的設(shè)想， IC制作技術(shù)將在 2022年時(shí)會(huì)達(dá)到 50nm。對(duì)于每一代新技術(shù)，由于要求更小的特征尺寸與更嚴(yán)格的套準(zhǔn)容差，圖形曝光技術(shù)更成為推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 41 各種圖形曝光技術(shù)的比較如下 光學(xué) 248/193nm SCALPEL EUV X射線 離子束 光刻機(jī) 光源 激光 電子束 極遠(yuǎn)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(jìn)與掃描 是 是 是 是 步進(jìn)機(jī) 200mm硅晶片的產(chǎn)率（片 /h） 40 3035 2030 30 30 掩模版 縮小倍率 4x 4x 4x 1x 4x 光學(xué)鄰近修正 需要 不需要 需要 需要 不需要 輻射路徑 穿透 穿透 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(xué)放大抗蝕劑 是 是 不是 是 不是 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 42 各種曝光系統(tǒng)的分辨率與硅片產(chǎn)率的關(guān)系 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 43 濕法化學(xué)腐蝕（ WCE） WCE在半導(dǎo)體工藝中廣泛使用，從半導(dǎo)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(wú)損傷的表面。熱氧化與外延前，化學(xué)清洗去除污染。尤其適合將多晶硅、氧化物、氮化物、金屬與 IIIV族化合物等作整片的腐蝕。 WCE包括三種主要步驟： 反應(yīng)物通過(guò)擴(kuò)散方式到達(dá)反應(yīng)表面； 化學(xué)反應(yīng)在表面發(fā)生； 反應(yīng)生成物通過(guò)擴(kuò)散離開表面。 攪動(dòng)、腐蝕液的溫度都會(huì)影響腐蝕速率。 IC工藝中，大多數(shù) WCE是將晶片浸入化學(xué)溶液中，或是噴射腐蝕液在晶片表面。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 44 腐蝕速率均勻度可用腐蝕速率的百分比均勻度來(lái)表示： WCE的基本機(jī)制 % 10 0%?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(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 45 硅的腐蝕 對(duì)半導(dǎo)體而言， WCE通常是先將表面氧化，然后再將氧化層以化學(xué)反應(yīng)加以溶解。對(duì)硅而言，常見的腐蝕劑為硝酸（ HNO3）和氫氟酸（ HF） 3 2 2 24 2 4S i H NO S iO H O NO? ? ? ?2 2 6 262SiO H F H SiF H 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(xué)鍵密度不同。在硅的各向異性腐蝕時(shí)，使用 KOH和異丙醇酒精的混合液。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 46 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 47 利用二氧化硅當(dāng)掩蔽層，對(duì) 100晶向的硅做各向異性腐蝕，會(huì)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 176。 夾角。 如果打開的圖案窗足夠大或是腐蝕時(shí)間足夠短，則會(huì)形成一個(gè) U型的溝槽，底部面積的寬度為： 0 2 c o t 5 4 . 7bW W l ???或 0 2bW W l??現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 48 如果使用的是 晶向的硅，實(shí)際上會(huì)在溝槽的邊緣得到兩個(gè)垂直的面，這兩個(gè)面為 (111)的晶面。 110??現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 49 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(bǔ)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(lái)腐蝕，在腐蝕亞微米的圖案方面深具潛力，因?yàn)楣に嚾菀卓刂啤? 2 2 6 262SiO H F H SiF H O? ? ?現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 50 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或沸騰的磷酸溶液腐蝕。由于濃度為 85%的磷酸溶液在 180℃ 時(shí)對(duì)二氧化硅的腐蝕非常慢，所以可利用它來(lái)作氮化硅相對(duì)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(lái)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。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 51 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(lái)腐蝕。典型的腐蝕劑是含 73%的磷酸、 4%的硝酸、 %的醋酸以及 %的去離子水的溶液，溫度控制在 3080℃ 。 鋁的濕法腐蝕步驟如下： 硝酸先將鋁氧化為氧化鋁； 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(dòng)、鋁薄膜內(nèi)的雜質(zhì)或合金類型有關(guān)。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 52 介質(zhì)與金屬膜的濕法腐蝕通常是化學(xué)液把整塊材料溶解，然后轉(zhuǎn)變層可溶的鹽類或復(fù)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(yīng)力、變更化學(xué)組成比或光照等，都將使薄膜的腐蝕速率變快。 表 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 桂林電子科技大學(xué) 圖形曝光與光刻 53 砷化鎵的腐蝕 多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 111鎵晶面與 111砷晶面的表面活性迥異。大多數(shù)的腐蝕劑對(duì)砷形成拋光的表面，然而對(duì)鎵的表面通常會(huì)傾向產(chǎn)生晶格缺陷且腐蝕
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