半导体芯片加工工艺介绍

文章来源：半导体全解

原文作者：圆圆De圆

本文介绍几种常见半导体芯片加工工艺

一、电子束曝光技术

光刻是广泛应用的芯片加工技术之一,下图是常见的半导体加工工艺流程：

光刻广泛应用于芯片加工,但是其分辨率会受到光波长的限制｡

电子束曝光( ElectronBeam Lithography, EBL) 是光刻技术的延伸应用｡

电子是一种带电粒子, 其能量越高, 波长越短｡ 当电子的能量为100eV时,其波长仅为0.12nm, 因此,电子束曝光可以获得非常高的分辨率｡

电子束曝光系统的结构示意图如下图所示：

主要包括: 电子枪,电子枪准直系统,聚光透镜,电子束快门,变焦透镜,消像散器,限制模孔,投影透镜和偏转器｡利用电子束曝光制备掩膜的一般步骤为:

(1)样品表面处理

首先清洗样品去除样品表面的杂质, 然后在烘箱中烘烤以确保样品表面干燥｡ 防止样品表面的杂质和水分对甩胶和曝光的质量产生影响｡

(2)匀胶

将光刻胶滴在样品中央, 通过涂胶机的高速旋转在样品表面均匀涂覆光刻胶｡

光刻胶分为两种:正胶和负胶｡

正胶在曝光时使曝光区域溶解性增强, 显影时感光部分溶解, 不感光部分不溶解｡

负胶曝光时曝光区域变成交互链结, 显影时感光部分不溶解, 不感光部分溶解。

(3)前烘

目的是蒸发掉光刻胶中的有机溶剂｡

烘胶时间和温度需要控制时间,太短或温度过低不能把光刻胶中的溶剂蒸发,时间太长或温度过高将会破坏光刻胶中的增感剂活性｡

(4)曝光

将旋涂光刻胶的样品放置于电子束曝光机中, 设置合适的条件如束流和剂量进行曝光,被曝光区光刻胶的性能会发生变化｡

(5)显影

将曝光后的样品放置在显影液中,所需的图案就显现出来。

样品图案质量与显影时间密切相关, 因此需要严格控制显影的时间｡

(6)后烘

后烘可以使软化和膨胀的胶膜与样品粘附更加牢固,增加胶膜的抗刻蚀能力｡

二、电感耦合等离子体刻蚀

电感耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma , ICP)可以刻蚀掉样品表面没有被掩膜覆盖的地方而制备出特定的图案, 其同时具有化学和物理刻蚀过程，它属于干法刻蚀技术的一种,它的优点在于在低气压下,ICP刻蚀源仍然可以产生大量的等离子体｡

ICP刻蚀系统具有两套射频电源于控制,其中一套缠绕在腔室外(ICP generator), 用于产生等离子体,一套位于样品台下方(Table bias),用于加速等离子体｡

经简化的电感耦合等离子体刻蚀系统结构示意如下图所示：

电感耦合等离子体刻蚀的常规操作过程是:

第一步,将样品放置于电感耦合等离子体刻蚀设备中｡

第二步,将腔体抽真空至低气压, 通过控制Cryo stage和Helium backing 来使样品达到所需的温度｡ 样品较高的温度有助于刻蚀副产物的挥发, 从而提高刻蚀效率｡

第三步,将适合材料刻蚀的混合气体从Gas inlet充入腔体｡ICP generator产生的射频会使环形耦合线圈产生感应电场,导致混合刻蚀气体辉光放电,产生高密度的等离子体｡增加ICP的功率将会增加等离子体的密度,这会对刻蚀过程产生影响｡

第四步,产生的等离子体在Table bias的RF射频作用下加速移动到样品表面,与样品表面发生化学反应,生成挥发性气体而离开样片表面, 同时也存在物理刻蚀过程｡等离子体的动能与 Table bias的射频功率相关｡

电感耦合等离子体刻蚀可以刻蚀GaN､ AlGaN､ GaAs､InP､ InGaAs 和Si等材料, 具有高的刻蚀速率和高抗刻蚀比｡

三、等离子体增强化学气相沉积

等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ,PECVD )技术被广泛应用于各种薄膜的制备(如:硅､氮化硅和二氧化硅等)｡

PECVD系统的结构示意图如下图所示：

其基本原理是:向沉积室中充入含有薄膜组份的气态物质,利用辉光放电使气态物质发生化学反应而生成等离子体,等离子体沉积在衬底上就生长出了薄膜材料｡

激发辉光放电的方法主要有:射频激发､直流高压激发､脉冲激发和微波激发组成成分都具有良好的均匀性｡

此外,利用PECVD制备的薄膜厚度和该方法沉积的薄膜附着力强, 在较低的沉积温度下可以达到高的沉积速度｡

通常来看, 薄膜的生长主要包括以下三个过程:

第一步,反应气体在电磁场的激励下,辉光放电产生等离子体｡在这个过程电子会与反应气体碰撞, 发生初级反应,导致反应气体分解产生离子和活性基团｡

第二步,初级反应产生的各种产物向衬底方向移动,同时各种活性基团和离子发生次级反应,生成次级产物｡

第三步,到达衬底表面的各种初级产物和次级产物被吸附并与表面发生反应,同时伴随有气相分子物的再放出｡

四、聚焦离子束技术

聚焦离子束(Focused Ion Beam, FIB)类似于聚焦电子束,都是将带电粒子经过电磁场聚焦而形成亚微米甚至纳米量级的细束,可以应用于离子束曝光和成像｡

除此之外,相比于电子,离子具有大的质量｡ 因此,离子束可以将固体表面的原子直接溅射出来, 进而发展成为种广泛应用的直接加工工具｡

下图为聚焦离子束系统的结构示意图：

FIB系统主要由离子发射源､离子光柱､样品台和真空与控制系统组成｡

聚焦离子束系统主要的应用有：

(1)离子束成像

离子束照射在样品表面后会激发样品表面的二次电子和二次离子｡这些电子和离子随后被信号探测器收集, 然后经过处理可以显示材料表面形貌的图像｡ 激发的二次电子的数目不仅与样品的相貌有关, 还与晶体取向和样品原子质量有关｡因此, 相比于扫描电子显微镜, 离子束成像可以获得更多关于样品的信息, 可用于分析多晶材料晶粒取向､ 晶界分布和晶粒尺寸分布等

(2)离子束刻蚀

离子束刻蚀是聚焦离子束系统最主要的功能｡ 将Ar､Kr和Xe等惰性气体电离成等离子体后, 然后离子束聚焦并加速轰击样品表面, 导致样品表面的原子被溅射出来而形成刻蚀的效果｡

离子束刻蚀过程是个纯物理过程, 溅射产额与离子能量､ 离子种类､ 离子入射角度和样品特性等因素相关｡

离子束刻蚀具有方向性好, 分辨率高和刻蚀材料不受限制等优点｡

(3)离子束沉积

将非活性气体分子吸附到样品表面需要沉积的区域,当离子束轰击该区域时,非活性气体分子分解产生的非挥发性物质,不会被真空系统抽走,而是沉积到了样品表面｡

离子束具有操作灵活的优点, 因此可以在材料表面沉积任意形状的结构｡

离子束可以沉积金属材料, 同时也可以沉积绝缘体材料｡