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1、半导体工艺简介半导体工艺简介物理与光电工程学院物理与光电工程学院张贺秋张贺秋参考书：参考书：芯片制造半导体工艺制程芯片制造半导体工艺制程实用教程实用教程，电子工业出版社，赵树武，电子工业出版社，赵树武等译，等译，2004-10图形化工艺图形化工艺图形化工艺图形化工艺目的目的1、了解各个光刻工艺步骤的作用。、了解各个光刻工艺步骤的作用。2、画出各个光刻工艺步骤后晶圆的截面图。、画出各个光刻工艺步骤后晶圆的截面图。3、解释正胶和负胶对光的反应。、解释正胶和负胶对光的反应。4、解释在晶圆表面建立空洞和岛区所需要、解释在晶圆表面建立空洞和岛区所需要 的正确光刻胶和掩膜板的极性。的正确光刻胶和掩膜板的极
2、性。图形化工艺图形化工艺光刻光刻图形化工艺是半导体工艺过程中最重要的工图形化工艺是半导体工艺过程中最重要的工序之一。图形化工艺包括光刻、光掩膜、掩序之一。图形化工艺包括光刻、光掩膜、掩膜、去除氧化膜、去除金属膜和微光刻。这膜、去除氧化膜、去除金属膜和微光刻。这个工艺的目标有两个：个工艺的目标有两个：1 1、在晶圆中和表面上、在晶圆中和表面上形成图形，图形的尺寸在集成电路或器件的形成图形，图形的尺寸在集成电路或器件的设计阶段形成；设计阶段形成；2 2、将电路图形精确的定位在、将电路图形精确的定位在晶圆的表面。晶圆的表面。光刻是一种复印图形与化学腐蚀相结合的综光刻是一种复印图形与化学腐蚀相结合的综
3、合性技术。它将光刻版上的图形精确地复印合性技术。它将光刻版上的图形精确地复印在涂有感光胶的基片上。然后利用光刻胶的在涂有感光胶的基片上。然后利用光刻胶的保护作用，对基片进行选择性腐蚀，从而在保护作用，对基片进行选择性腐蚀，从而在基片上得到与光刻版相应的图样。基片上得到与光刻版相应的图样。1 1、基片前处理、基片前处理2 2、涂胶、涂胶3 3、前烘、前烘-软烘焙软烘焙4 4、对准、对准-曝光曝光5 5、显影、显影-清洗清洗6 6、后烘、后烘(坚膜、硬烘焙坚膜、硬烘焙)7 7、腐蚀、腐蚀-刻蚀刻蚀8 8、去除光刻胶、去除光刻胶光刻步骤：以SiO2 做掩膜为例1、去油：甲苯、丙酮、乙醇、去油：甲苯、
4、丙酮、乙醇依次超声依次超声5-10min，去离子水，去离子水冲洗冲洗10遍以上。遍以上。脱水烘焙脱水烘焙l2 2、涂胶：旋转式、蒸气式、浸涂、涂胶：旋转式、蒸气式、浸涂l光刻胶又称感光胶，一般由感光剂、增感光刻胶又称感光胶，一般由感光剂、增感剂和溶剂所组成；感光剂是一种对光特别剂和溶剂所组成；感光剂是一种对光特别敏感的高分子化合物，当它受到适当波长敏感的高分子化合物，当它受到适当波长的光照射时，能吸收一定的光能量，使之的光照射时，能吸收一定的光能量，使之发生交联、聚合或分解等光化学反应，使发生交联、聚合或分解等光化学反应，使光刻胶改变性能。光刻胶改变性能。l胶膜均匀，达到预定的厚度，无灰尘等。
5、胶膜均匀，达到预定的厚度，无灰尘等。l正胶l负胶光刻掩膜板透光区域不透光区域岛空洞光刻掩膜版http:/ l胶膜的厚度由转速和胶的浓度来调解。旋转板式涂胶法的缺点是胶膜厚度不够均匀，多余的胶飞溅易沾污衬底。采用自转式涂胶法能较好地克服上述缺点。自旋式涂胶方式中根据喷胶的方式不同，又可分为三种模式。1.静态涂胶：将晶圆吸附在针孔吸盘上，在不旋转的状态下，滴胶，光刻胶自然散开满晶圆，再经旋转获得均匀的光刻胶膜。2.动态喷洒：晶圆在500r/min的转速下，光刻胶被喷洒在晶圆表面。低速旋转是帮助光刻胶最初的扩散。之后，高速旋转得到均匀的光刻胶膜。3.移动手臂喷洒：动态喷洒喷胶时，喷洒手臂从晶圆中心向
6、晶圆边缘移动，特别适合大直径晶圆。高速旋转可以使光刻胶在晶圆边缘堆积，称为边缘珠。可以采用溶剂直接喷洒在晶圆边缘和背面的边缘附近直接去除。3、前烘软烘焙 前烘就是将涂好胶的样品进行加热处理。前烘的目前烘就是将涂好胶的样品进行加热处理。前烘的目的是促使胶膜体内的溶剂部分挥发，使胶膜干燥，的是促使胶膜体内的溶剂部分挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与衬底的粘附性和胶膜的耐磨性。在曝以增加胶膜与衬底的粘附性和胶膜的耐磨性。在曝光对准时，胶膜与掩膜版不易擦伤、磨损和沾污，光对准时，胶膜与掩膜版不易擦伤、磨损和沾污，同时，只有在胶膜干燥后曝光，化学反应才能充分同时，只有在胶膜干燥后曝光，化学反应才能充分进行。
7、进行。l前烘的方法有两种：一种是在前烘的方法有两种：一种是在6060100100恒温干燥箱恒温干燥箱中烘十至十五分钟，具体条件还要视胶的种类和性中烘十至十五分钟，具体条件还要视胶的种类和性质而定；第二种是用红外灯烘焙，即把衬底放在干质而定；第二种是用红外灯烘焙，即把衬底放在干净的容器中，然后用红外灯从容器底照射几分钟。净的容器中，然后用红外灯从容器底照射几分钟。此法的优点是胶膜的干燥从金属膜与胶的交界面开此法的优点是胶膜的干燥从金属膜与胶的交界面开始，溶剂逐渐从内部向表面挥发，干燥效果较好而始，溶剂逐渐从内部向表面挥发，干燥效果较好而且烘焙时间短。且烘焙时间短。影响前烘效果的主要因素是温度和时
8、间。烘焙影响前烘效果的主要因素是温度和时间。烘焙不足时（温度太低或时间太短），在胶膜与底不足时（温度太低或时间太短），在胶膜与底片交界面处，胶中的溶剂未充分挥发掉，在曝片交界面处，胶中的溶剂未充分挥发掉，在曝光时就会阻碍抗蚀剂中分子的铰链，在显影时光时就会阻碍抗蚀剂中分子的铰链，在显影时一部分胶被溶除，形成浮胶或图形变形。烘焙一部分胶被溶除，形成浮胶或图形变形。烘焙过头时（温度太高或时间太长），会导致胶膜过头时（温度太高或时间太长），会导致胶膜翘曲硬化，形成不易溶于显影液中的薄膜而留翘曲硬化，形成不易溶于显影液中的薄膜而留下来，显影不干净或胶面发皱、发黑，失去抗下来，显影不干净或胶面发皱、发黑
9、，失去抗蚀能力。蚀能力。4、曝光曝光是指用汞灯紫外光对已涂敷光刻胶曝光是指用汞灯紫外光对已涂敷光刻胶膜的底片进行选择性曝光。经过光照的膜的底片进行选择性曝光。经过光照的胶膜发生光化学反映，改变了这部分胶胶膜发生光化学反映，改变了这部分胶膜在显影液中的溶解度；显影后，光刻膜在显影液中的溶解度；显影后，光刻胶膜就呈现出与掩膜板相对应的图形。胶膜就呈现出与掩膜板相对应的图形。l可采用的曝光的方法包括：接触曝光法、可采用的曝光的方法包括：接触曝光法、投影曝光法、电子束曝光法、离子束曝光投影曝光法、电子束曝光法、离子束曝光法和法和X X射线曝光法等；射线曝光法等；l曝光时间过短，胶感光不足，曝光时间过短
10、，胶感光不足，光刻胶的光化学反映不充分，光刻胶的光化学反映不充分，光刻胶的抗蚀性能就会降低，光刻胶的抗蚀性能就会降低，显影时部分胶会溶解；曝光时显影时部分胶会溶解；曝光时间过长，会使光刻胶不感光部间过长，会使光刻胶不感光部分的边缘微弱感光，产生分的边缘微弱感光，产生“光光晕晕”现象，腐蚀后边界模糊或现象，腐蚀后边界模糊或出现皱纹，使分辩率降低。出现皱纹，使分辩率降低。l1.1.图形必须严格套准；图形必须严格套准；l2.2.胶膜表面与光刻版必须贴紧，若存在空隙，胶膜表面与光刻版必须贴紧，若存在空隙，不应该照到光的地方也会受到光的照射，使图不应该照到光的地方也会受到光的照射，使图形产生畸变。形产生
11、畸变。5、显影 将曝光后的底片放入用有机溶剂配制的显影将曝光后的底片放入用有机溶剂配制的显影液中，使未感光（或感光）部分的光刻胶溶液中，使未感光（或感光）部分的光刻胶溶掉，留下感光（或未感光）部分的胶膜，从掉，留下感光（或未感光）部分的胶膜，从而显现出我们所需要的图形称为显影。而显现出我们所需要的图形称为显影。l若显影时间不足，会使显影不干净，应该去若显影时间不足，会使显影不干净，应该去除光刻胶的地方还会留下一薄层底膜，在以除光刻胶的地方还会留下一薄层底膜，在以后的工序中会造成一定的影响如边缘毛刺、后的工序中会造成一定的影响如边缘毛刺、图形模糊等；若显影时间过长，由于显影时图形模糊等；若显影时
12、间过长，由于显影时光刻胶发生软化、膨胀，显影液将从底片表光刻胶发生软化、膨胀，显影液将从底片表面向图形边缘渗入，发生钻溶，使图形边缘面向图形边缘渗入，发生钻溶，使图形边缘变坏，有时会出现浮胶现象，严重的甚至大变坏，有时会出现浮胶现象，严重的甚至大片剥落形成脱胶。片剥落形成脱胶。6、坚膜（后烘、硬烘焙）坚膜就是使胶膜进一步坚固；坚膜就是使胶膜进一步坚固；l底片经过显影之后，胶膜会发生软化和膨胀，底片经过显影之后，胶膜会发生软化和膨胀，影响胶膜抗蚀能力，因此在显影后，以适当的影响胶膜抗蚀能力，因此在显影后，以适当的温度烘焙底片，去除显影液和水分，使胶膜坚温度烘焙底片，去除显影液和水分，使胶膜坚固；同时，使光刻胶进一步聚合而提高胶膜抗固；同时，使光刻胶进一步聚合而提高胶膜抗蚀能力。坚膜方法与前烘一样有两种即烘箱坚蚀能力。坚膜方法与前烘一样有两种即烘箱坚膜及红外灯坚膜。膜及红外灯坚膜。l若坚膜不足，胶膜没有烘透，不够坚固，在腐若坚膜不足，胶膜没有烘透，不够坚固，在腐蚀时会发生浮胶或严重侧蚀等。坚膜过度，则蚀时会发生浮胶或严重侧蚀等。坚膜过度，则使胶膜因热膨胀产生翘曲和剥落，腐蚀时会发使胶膜因热膨胀产生翘曲和剥落，腐蚀时会发生钻蚀或浮胶。生钻蚀或浮胶。7、刻蚀、刻蚀 湿法和干法湿法和干法稀释的稀释的HF8、去胶、去胶