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23
2024
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05
科普分享|了解半導體器件加工全流程
作者:
來源：公眾號：半導體全解
半導體器件的制備加工主要有四種類型,分別是：
(1) 圖形化技術(光刻)
(2) 摻雜技術
(3) 鍍膜技術
(4) 刻蝕技術
具體工藝包括光刻(lithography)?離子注入(ion implantation)?快速退火(rapid thermal process, RTP)?等離子體增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)?濺射(sputering)?干法刻蝕和濕法腐蝕等?
(1) 圖形化技術(光刻)
圖形化技術一般指光刻工藝,它是半導體技術得以迅猛發展的最重要推力之一,起始于印刷技術中的照相制版技術?
光刻技術讓人們得以在微納尺寸上通過光刻膠呈現任何圖形,并與其它工藝技術結合后將圖形轉移至材料上,實現人們對半導體材料與器件的各種設計和構想?光刻技術使用的光源對圖形精度有直接的影響,光源類型一般有紫外?深紫外?X射線以及電子束等,它們對應的圖形精度按上述順序依次提升?
標準的光刻工藝流程圖如圖所示,包括表面處理?勻肢?前烘?曝光?曝光后烘烤?顯影?堅膜和檢查等步驟?
基片表面通常會吸附空氣中的H20分子,這對光刻效果很不利,所以首先需要對基片進行脫水處理,這就是烘烤?
對于表面為親水性的基片,它們與疏水的光刻膠之間的附著力不足,這樣會引發光刻膠脫落或圖形移位等問題,所以需要在表面涂一層增黏劑?目前應用較多的增黏劑是六甲基乙硅氮烷(hexa-methyl disilazane, HMDS)與三甲基甲硅烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amine, TMSDEA)?
表面處理完成后,開始勻涂光刻肢?勻膠后的光刻膠厚度除了與光刻膠本身的黏性有關外,還受勻膠時所采用的轉速影響,一般可粗略地認為,光刻膠厚度與轉速的平方根成反比?勻膠結束后,需要通過烘烤使光刻膠的溶劑揮發出來,這樣可以進一步提高光刻膠的黏附力,該過程即前烘。
上述步驟一切就緒后,就來到了曝光環節?
光刻膠有正膠和負膠之分,兩者曝光后的性質恰好相反?
以正膠舉例,未經曝光的光刻膠不溶于顯影液,曝光后則易溶于顯影液?曝光時,光源透過有圖形的掩膜版照射到勻肢后的基片上,使光刻膠圖形化受光?通常情況下,在曝光前需將基片與掩膜版對準,以精準控制曝光位置?曝光時長須嚴格把握,過長或過短都會導致圖形失真?曝光后,有時需要再烘烤一下基片,以消除駐波的影響,但這一步驟不是必須的,可跳過它直接進行顯影?將基片放于顯影液中令曝光的光刻膠溶解的過程就是顯影,目的是把掩膜版上的圖形準確地復制到光刻膠上?顯影時長也須嚴格把握,時間太短顯影不徹底,太長則圖形失真?
接下來是堅膜,通過進一步的烘烤使光刻膠薄膜更牢固地黏附在基片表面,還可增加膠膜的抗刻蝕能力,堅膜溫度一般略高于前烘溫度?
最后,利用顯微鏡檢查圖形是否符合預期?經過其它工藝將圖形轉移至材料上后,光刻膠便完成它的使命,需要將其去掉?去膠有濕法和干法兩種,前者利用溶解能力強的有機溶劑(一般采用丙酮)將膠膜溶解,后者利用氧等離子體將膠膜刻蝕去除?
(2) 摻雜技術
摻雜技術在半導體技術里也是不可或缺的,它可以根據需要改變半導體材料的電學特性?常見的摻雜方式一般有兩種,分別是熱擴散和離子注入?
- 離子注入
離子注入是利用高能離子直接轟擊半導體基片實現摻雜的?與熱擴散相比,離子注入有著諸多優點?待注入的離子是利用質量分析器篩選的,確保了高摻雜純度?在整個注入過程,基片一般保持室溫或稍高一點的溫度,可選用的掩蔽膜有很多,如二氧化硅(Si02)?氮化硅(Si3N4)和光刻膠等,這使自對準掩蔽技術具有很高的靈活性?離子注入的劑量可精確控制,注入后雜質離子在同一平面內的分布十分均勻,注入結果的重復性也很高?
離子注入的深度由注入離子的能量決定,通過控制離子的能量和劑量,可操控注入后雜質離子在基片中的分布,還可以連續多次地實施不同方案的注入,借此獲得各種形態的雜質分布?值得注意的是,在基片是單晶的情況下,若離子注入的方向與基片的晶向平行,將出現溝道效應,即一部分離子會順著溝道運動,注入深度會變得難以控制。
為避免溝道效應的出現,通常使單晶基片的主軸方向偏離注入方向7°左右,或在基片表面覆蓋一層無定形介質層?
雖然離子注入有許多優點,但也不可避免地存在缺點,比如對基片的晶體結構損傷較為嚴重?高能量的離子注入到基片內部后,通過碰撞將能量傳遞給基片原子核及其電子,使其脫離晶格束縛進入間隙,從而形成間隙-空位缺陷對?損傷嚴重時,基片晶體中某些區域的結構可能遭到徹底的破壞而變成無序的非晶區?
晶格損傷對半導體材料的電學性質影響極大,如降低載流子遷移率,減少非平衡載流子的壽命等?最重要的是,注入的雜質絕大多數都處在不規則的間隙位置,無法形成有效摻雜?因此,離子注入后必須修復晶格損傷與電激活雜質?
- 快速退火(RTP)
熱退火是最有效的修復離子注入帶來的晶格損傷和電激活雜質的方法?在高溫下,基片晶體里的間隙-空位缺陷對會因復合而消失;非晶區也會從與單晶區的交界面開始,以固相外延的方式重結晶?為防止基片材料在高溫下被氧化,熱退火過程需要在真空或惰性氣體環境下進行?傳統熱退火所需時間較長,會導致雜質擴散嚴重而形成再分布?
RTP工藝的出現解決了這一問題,它可在縮短退火時間的前提下很大程度地完成晶格損傷的修復與雜質的電激活?
根據熱源的不同,RTP分為以下幾種類型:掃描電子束?脈沖電子束與離子束?脈沖激光?連續波激光與寬帶非相干光源(鹵燈?石墨加熱器?電弧燈)等,其中寬帶非相干光源的應用最為廣泛?它們都可以在剎那間將基片加熱到所需溫度,在短時間內完成退火,有效地降低了雜質的擴散程度?
(3) 鍍膜技術
- 等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)
PECVD是化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)鍍膜方法的其中一種,此外還有另外兩種,分別是常壓CVD(atmospheric pressure CVD,APCVD)與低壓CVD(low pressure CVD,LPCVD)?
目前,PECVD是三種類型中應用最廣的,PECVD利用射頻(radio frequency, RF)等離子體引發和保持化學變化,而且該化學變化在非高溫環境下就可以進行,所以薄膜沉積溫度低,沉積速率高,其設備示意圖如圖所示?
這種方式得到的薄膜具有突出的附著性與電學性質?很低的微孔密度?很高的均勻性以及較強的小尺寸填充能力?影響PECVD鍍膜質量的因素有襯底溫度?氣流速度?氣壓?RF功率和頻率等?
- 濺射
濺射是一種物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)鍍膜方法?帶電離子[一般為氬離子(Ar+)]在電場中加速后具備了一定的動能,它們被引向目標靶材并碰撞靶分子,使其脫離靶材而得以濺射出來?這些分子也帶有一定強度的動能,它們向襯底方向運動并在襯底上沉積?
常用的濺射電源有直流和射頻兩種,直流濺射可直接應用于金屬等導電性良好的材料,而對于絕緣體材料,則只能通過射頻濺射的方式才能實現鍍膜?
普通濺射的沉積速率較低,工作氣壓較高,所鍍薄膜的質量不佳,磁控濺射的出現較為理想地解決了這個問題?它利用外加磁場使離子的運動軌跡由直線變成繞磁場方向螺旋前進的曲線,延長了離子的運動軌跡,提升了與靶分子的碰撞效率,也即提升了濺射效率,使沉積速率升高,工作氣壓降低,因而鍍膜質量得到了很大的提升?
(4) 刻蝕技術
刻蝕有干法與濕法兩種方式,前者不使用溶液,后者使用特定的溶液,兩種刻蝕工藝因此而得名?
一般情況下,刻蝕之前需要通過光刻制備掩蔽層(可以直接由光刻膠充當)以保護不需刻蝕的區域?
- 干法刻蝕
常用的干法刻蝕一般有電感耦合等離子體(inductively coupled plasma, ICP)刻蝕?離子束刻蝕(ion beam eaching, IBE)和反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)等三種類型?
在ICP刻蝕中,輝光放電產生的等離子體里存在大量的化學活性很強的游離基(游離態的原子?分子或原子團等),它們會與目標材料發生化學反應生成揮發性產物,這樣便達到了刻蝕目的。
IBE是利用高能離子(來自于惰性氣體的電離)直接轟擊目標材料表面實現刻蝕的,這是一個物理過程;
RIE可被視作前面兩者的結合,將IBE所用的惰性氣體改為ICP刻蝕所用的氣體,就變成了RIE?
對于干法刻蝕而言,縱向刻蝕速率遠遠大于橫向刻蝕速率,即縱橫比高,可以精確地復制掩蔽層上的圖形?但干法刻蝕對掩蔽層也有一定的刻蝕效果,選擇性對目標材料與掩蔽層的刻蝕速率之比)較差,尤其是IBE,可能會對材料表面無選擇地全部刻蝕?
- 濕法腐蝕
通過將目標材料放于可與之發生化學反應的溶液(即腐蝕液)里實現刻蝕效果的方式叫作濕法腐蝕?
這種刻蝕方式操作簡單?成本低廉?選擇性好,但縱橫比很低,掩蔽層邊緣下面受保護的材料會遭受腐蝕,不如干法刻蝕精準?為減少低縱橫比帶來的負面影響,需要選擇合適的腐蝕速率?影響腐蝕速率的因素有腐蝕液濃度?腐蝕時間和腐蝕液溫度等?
參考文獻：(1)朱家旗 中遠紅外探測器的研制及其光電性能研究[D];(2)劉志帆 深紫外光刻機照明系統關鍵檢測技術研究[D]；(3)許佳佳 InAs/GaSb類超晶格長波紅外探測器制備研究[D];
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