光刻与刻蚀工艺
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
微电子工艺学
Microelectronic Processing
邓卫之
a
1
content
• 1.概述 • 2.薄膜 • 3.CMOS flow简介 • 4.fail module 简介 • 5.
a
2
1.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 平坦化 薄膜制备
图形转移
清洗
a
扩散掺杂 离子注入掺杂
diffusion implant
型
同轴形
毛细管形
液态金属 钨针
a
18
对液态金属的要求
(1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不 蒸发。 能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。
a
15
a
16
2、液态金属离子源（LMIS）
LMIS 是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的 离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳 米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得 以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻 蚀等。
a
17
LMIS 的类型、结构和发射机理
V形
针形
类
螺旋形
CMP 物理气相淀积 化学气相淀积
CMP PVD CVD
外延
EPI
光刻 刻蚀 酸洗/碱洗 去离子水
Litho/photo Dry etch wet etch/strip scrubb3er
离子注入概述
• 最早应用于原子物理和核物理研究 • 提出于1950’s • 1970’s中期引入半导体制造领域
E1
a
21
共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法 制成单体 LMIS 。
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种 合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。
a
22
例如，金和硅的熔点分别为 1063oC 和 1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分 别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此 温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要 求。
掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是 生产效率高，设备相对简单，控制容易， 所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是 需要制作掩蔽膜。
a
8
2、聚焦方式（扫描方式)
聚焦方式的优点是 不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产效率低，设备复杂， 控制复杂。实现聚焦方式的关键技术是
1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。
a
10
聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数 毫米的离子束。
偏转扫描系统：用来实现离子束 x、y 方向的一
定面积内进行扫描。
工作室：放置样品的地方，其位置可调。
a
11
离子注入系统示意图
a
12
离子注入系统事物图
a
13
一、离子源
作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。
a
4
离子注入
离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子 束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为 “靶” ）而实现掺杂。 …
a
5
离子束的性质
离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压 下加速而获得很高的动能。
离子束的用途 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需 要不同的离子能量 E ：
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜
E = 10 ~ 50 KeV，曝光
E > 50 KeV，注入掺杂
a
6
离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（
FIB）方式）
a
7
1、掩模方式（投影方式）
掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽 膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是 SiO2 膜，而离子注入的掩蔽 膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。
。
a
14
1、等离子体型离子源
这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万 分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏 观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使 用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电 式等。
ห้องสมุดไป่ตู้
a
9
7.1 离子注入系统
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度 不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的 一个重要参量。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
a
19
E3
E1 是主高压，即离子束的加速电压；
E2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节
引 出
E2
针尖表面上液态金属的形状，并将离子引
出；E3 是加热器电源。
极
E1
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场 ，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级， 这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。
掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的
有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 ~ 100 A/cm2.sr。
聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得
以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm，亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr
a
20
E3
引
出 极
E2
当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm）时，液态金属在圆锥 顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其 中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出， 形成离子束。
若改变 E2 的极性 ，则可排斥离子而拉出电子， 使这种源改变成电子束源。
Microelectronic Processing
邓卫之
a
1
content
• 1.概述 • 2.薄膜 • 3.CMOS flow简介 • 4.fail module 简介 • 5.
a
2
1.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 平坦化 薄膜制备
图形转移
清洗
a
扩散掺杂 离子注入掺杂
diffusion implant
型
同轴形
毛细管形
液态金属 钨针
a
18
对液态金属的要求
(1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不 蒸发。 能同时满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种。
a
15
a
16
2、液态金属离子源（LMIS）
LMIS 是近几年发展起来的一种高亮度小束斑的 离子源，其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳 米量级的小束斑离子束，从而使得聚焦离子束技术得 以实现。此技术可应用于离子注入、离子束曝光、刻 蚀等。
a
17
LMIS 的类型、结构和发射机理
V形
针形
类
螺旋形
CMP 物理气相淀积 化学气相淀积
CMP PVD CVD
外延
EPI
光刻 刻蚀 酸洗/碱洗 去离子水
Litho/photo Dry etch wet etch/strip scrubb3er
离子注入概述
• 最早应用于原子物理和核物理研究 • 提出于1950’s • 1970’s中期引入半导体制造领域
E1
a
21
共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽压高而无法 制成单体 LMIS 。
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种 合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸汽压。
a
22
例如，金和硅的熔点分别为 1063oC 和 1404oC，它们在此温度时的蒸汽压分 别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此 温度下，金和硅的蒸汽压分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要 求。
掩模方式用于掺杂与刻蚀时的优点是 生产效率高，设备相对简单，控制容易， 所以应用比较早，工艺比较成熟。缺点是 需要制作掩蔽膜。
a
8
2、聚焦方式（扫描方式)
聚焦方式的优点是 不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产效率低，设备复杂， 控制复杂。实现聚焦方式的关键技术是
1、高亮度小束斑长寿命高稳定的离子源； 2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的离子光学系统。
a
10
聚焦系统：用来将加速后的离子聚集成直径为数 毫米的离子束。
偏转扫描系统：用来实现离子束 x、y 方向的一
定面积内进行扫描。
工作室：放置样品的地方，其位置可调。
a
11
离子注入系统示意图
a
12
离子注入系统事物图
a
13
一、离子源
作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。
a
4
离子注入
离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子 束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中（称为 “靶” ）而实现掺杂。 …
a
5
离子束的性质
离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或磁场偏转，能在高压 下加速而获得很高的动能。
离子束的用途 掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切割等。不同的用途需 要不同的离子能量 E ：
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜
E = 10 ~ 50 KeV，曝光
E > 50 KeV，注入掺杂
a
6
离子束加工方式可分为 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束（
FIB）方式）
a
7
1、掩模方式（投影方式）
掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象扩散工艺一样使用掩蔽 膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工艺的掩蔽膜必须是 SiO2 膜，而离子注入的掩蔽 膜可以是 SiO2 膜，也可以是光刻胶等其他薄膜。
。
a
14
1、等离子体型离子源
这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的电离成分可能不到万 分之一，其密度、压力、温度等物理量仍与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏 观上仍为电中性，但其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。大规模集成技术中使 用的等离子体型离子源，主要是由电场加速方式产生的，如直流放电式、射频放电 式等。
ห้องสมุดไป่ตู้
a
9
7.1 离子注入系统
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量比，因而在分析器磁场中偏转的角度 不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离子注入深度的 一个重要参量。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。
a
19
E3
E1 是主高压，即离子束的加速电压；
E2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节
引 出
E2
针尖表面上液态金属的形状，并将离子引
出；E3 是加热器电源。
极
E1
针尖的曲率半径为 ro = 1 ~ 5 m，改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场 ，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级， 这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。
掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体型离子源，其典型的
有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 ~ 100 A/cm2.sr。
聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源（LMIS）出现后才得
以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm，亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr
a
20
E3
引
出 极
E2
当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值为 15.2V/nm）时，液态金属在圆锥 顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其 中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出， 形成离子束。
若改变 E2 的极性 ，则可排斥离子而拉出电子， 使这种源改变成电子束源。