半导体器件应用基础全册精品完整课件.ppt

1、半导体器件应用基础全册精品半导体器件应用基础全册精品 完整课件完整课件 半导体器件应用基础半导体器件应用基础 课堂纪律课堂纪律 1、课堂手机必须静音。 2、课堂上不允许做与本课程无关的事情。一经 发现从总成绩中扣5分，直至扣完为止。（玩游 戏，发现没收玩游戏设备，送到辅导员老师处） 3、缺课必须有辅导员签字的请假条。(无请教 条的缺一次课从总成绩中扣5分。) 4、上课点名、随堂小考、及作业各占总成 绩 的10%，共占总成绩的30%。 5、作业发现一次抄袭，抄袭者和被抄袭者从总 成绩扣5分。发现抄袭答案者从总成绩扣5分。 分数直至扣完为止。 学什么？学什么？What？ 1、半导体器件发展史、半导

2、体材料基本特性、半导体器件发展史、半导体材料基本特性 2、硅基半导体器件制备基础工艺（氧化、掺杂、图形化）、硅基半导体器件制备基础工艺（氧化、掺杂、图形化） 3、半导体器件基本结构、半导体器件基本结构 4、常用半导体器件的特性、工作原理、基本应用、常用半导体器件的特性、工作原理、基本应用 电源类器件电源类器件（稳压二极管、恒流二极管）、（稳压二极管、恒流二极管）、晶体管晶体管 （MOSFET、JFET、HEMT）、）、负阻器件负阻器件（单结晶体管、（单结晶体管、 隧道二极管、耿氏效应器件）、隧道二极管、耿氏效应器件）、光电器件光电器件（光敏二极管、（光敏二极管、 光敏三极管、发光二极管、半导体

3、激光器、太阳电池）、光敏三极管、发光二极管、半导体激光器、太阳电池）、 热电器件热电器件（半导体制冷器、温度传感器）（半导体制冷器、温度传感器） 参考书目 学什么？What？ 电子与科学技术导论电子与科学技术导论，电子工业出版社，李哲英著， 2006年 芯片制造半导体工艺制程实用教程芯片制造半导体工艺制程实用教程（第五版），电 子工业出版社，Peter Van Zant著，韩郑生，赵树武 等译，2004年 半导体器件物理半导体器件物理（第三版），西安交通大学出版社， 施敏、伍国珏著，耿莉、张瑞智译，2008年 新型半导体器件及其应用实例新型半导体器件及其应用实例（第一版），电子工业 出版社，何

4、夕才，毛得柱著，2002年 负阻器件负阻电路及其应用负阻器件负阻电路及其应用，天津大学出版社，钱博 森著，1993年 为什么学？为什么学？Why？ 硬件核心和基础：硬件核心和基础： 半导体器件半导体器件 信息技术的领域信息技术的领域 信息显示信息显示 Why？ 电子元器件电子元器件 （和器件） 制 造 半导体材料 金属 绝缘材料 电路保护材料 分析、设计基本理论分析、设计基本理论 物理、化学 工作 原理 功能 工程应用技术和方法工程应用技术和方法 实际应用 电子科学与技术基本内容 Why？ 分立电路：分立电路：将晶体管、二极管等将晶体管、二极管等有源有源 器件器件和电阻、电容等和电阻、电容等无

5、源器件无源器件在电路板上在电路板上 连接起来，实现一定的电路功能。连接起来，实现一定的电路功能。 集成电路：Integrated Circuit (IC) 将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无 源元件，按照一定的电路互连，集成在一块半 导体单晶片(如硅或砷化镓)上 通过一系列特定的加工工艺来集成 封装在一个外壳内 执行特定电路功能 芯片：芯片：chip，die 芯片的尺寸很小芯片的尺寸很小 Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P- P- Well N- Well N+ Drain N+ Source P+ Drain P+ Source BPSG

6、 W Contact Plug Metal1 IMD1 W Via Plug Passivation Bond Pad Poly Gate Gate Oxide Silicide Spacer Metal2 CMOSFET侧视结构图 怎么学？How ？ 1、课堂学习； 2、课后复习、习题； 3、课后模拟实验。 Multisim软件 需要掌握的知识点：需要掌握的知识点： 怎么区分有源器件和无源器件。怎么区分有源器件和无源器件。 最早的半导体器件，金属半导体接触器件最早的半导体器件，金属半导体接触器件。 1874年，德国的布劳恩(F.Buran)观察到金属 硫化物单向导通特性，并利用这个特性制成了

7、无线 通信技术中不可或缺的检波器，开创了人类研究半 导体的先例。布劳恩也制造了第一个阴极射线管 （CRT）示波器。卡尔 费迪南德 布劳恩 （1850-1918），德国物理学家。1909年诺贝尔物 理学奖授予英国伦敦马克尼无线电报公司的意大利 物理学家马克尼和德国阿尔萨斯州拉斯堡大学的布 劳恩，以承认他们在发展无线电报上所作的贡献。 半导体器件发展史半导体器件发展史 具有里程碑意义的几件事具有里程碑意义的几件事 第一个三极晶体管 1947.12.23 Willianm Schockley 领导的研究小组 研制出了第一个三极晶体 管。很快取代了当时主流 的真空电子管。由此引发 了一场电子革命，把人

8、类 文明带进现代电子时代， 被媒体和科学界称为“20 世纪最重要的发明”，获 得了1956年的诺贝尔物理 奖。 半导体器件发展历程及其展望， 固体电子学研究与进展，2006 年，26卷，4期，510页 集成数个晶体管和电阻、电容的集成电路。从而开创了称为微电子技术发展进 步和广泛深入应用的新纪元，微电子革命。基尔比因此项贡献获得2000 年 度的诺贝尔物理奖。 平面加工工艺（光刻）的发明平面加工工艺（光刻）的发明 使集成电路技术和产业迅速使集成电路技术和产业迅速 发展的关键。发展的关键。 1957年，美国年，美国DOF实验室首实验室首 先将光刻技术引入到半导体先将光刻技术引入到半导体 技术中。

9、技术中。1959年年Fairchild公公 司的司的Noyce将光刻技术和将光刻技术和 SiO2巧妙结合起来，实现了巧妙结合起来，实现了 精细晶体管和集成电路图形精细晶体管和集成电路图形 结构。由此导致了平面工艺结构。由此导致了平面工艺 的诞生。的诞生。 平面工艺的诞生是实现大规平面工艺的诞生是实现大规 模、低成本制造集成电路的模、低成本制造集成电路的 基础。基础。 1960年年, 由于表面态问题得到了有限控制由于表面态问题得到了有限控制, 贝贝 尔实验室的尔实验室的Kahng 和和Atalla 成功地研制出第成功地研制出第 一只实用型一只实用型金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效

10、应晶体管 MOSFET。这种晶体管后来这种晶体管后来主导了集成电路和主导了集成电路和 微芯片的命运微芯片的命运。自自MOSFET研制成功后研制成功后, 它得它得 到了到了迅猛发展迅猛发展并且成为微处理器并且成为微处理器(Microp rocessor)与存储器与存储器(Memory)等先进集成电路等先进集成电路 中最重要的器件中最重要的器件, 与其相关的集成电路产品占与其相关的集成电路产品占 有有半导体市场半导体市场90% 的份额的份额。 集成电路技术节点 Intel创始人之一戈登 摩尔：当价格不变时，集成电路上可容纳 的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提 升一倍。 最

11、新工艺 IBM宣布研发出宣布研发出7纳米工艺纳米工艺芯片（芯片（2015年年7月月9日）日） 2016年年10月月13 日中国大陆最大晶圆代工厂中芯国际上海新日中国大陆最大晶圆代工厂中芯国际上海新 12 寸晶圆厂开工，寸晶圆厂开工，初期就瞄准初期就瞄准 14 纳米制程纳米制程，且产能规划，且产能规划 涵盖涵盖 10/7 纳米，力拼半导体群雄。新厂投资金额约纳米，力拼半导体群雄。新厂投资金额约 675 亿亿 人民币，这是中芯国际第一条人民币，这是中芯国际第一条 14 纳米生产线。产线预计纳米生产线。产线预计 2017 年底完工、年底完工、2018 年正式投产，初期月产能约在年正式投产，初期月产能

12、约在 7 万万 片，与台积电以片，与台积电以 16 纳米登陆南京建厂在同一个制程时代。纳米登陆南京建厂在同一个制程时代。 在2016年ITF（the Imec technology forum） (IMEC全球科技论坛)上，世界领先的独立纳米技 术研究机构IMEC （国家微电子学中心）的 首席执行官Luc van den Hove指出，“scaling(尺 寸缩小)还会继续，我不仅相信它将会继续，而且 我认为它不得不继续。” 他认为，目前从技术层 面来说，FINFET、Lateral Nanowire(横向纳米线 )和Vertical Nanowire(纵向纳米线)已经可以帮我 们持续推进到3

13、nm的制程节点。EUV光刻技术将 是未来的唯一选择。根据过去几个月的进展，他 相信EUV光刻技术能够进入制造业。 什么是半导体材料？What？ 1、掺杂特性 2、光敏特性 3、热敏特性 半导体？ Si 、Ge 晶体结构 金刚石结构 为什么具有半导体特性？Why？ GaAs晶体结构 闪锌矿结构 ZnO晶体结构 六角纤锌矿结构 原子中的电子状态及能级 主量子数：n：1，2，3 角量子数：l：0，1，2， 能量最小原理 不相容原理 为什么具有半导体特性？Why？ 晶体中电子的能带结构。晶体中的电子既有绕原子运动的属性， 又有在原子间作共有化运动的属性。因此，其能谱分布就应该在 原子能级的基础上按电子

14、共有化运动的不同分裂成若干组，每一 组中的能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的“带”，称能带， 而不同能带间的能量间隔则为电子的能量禁区 。 晶体中的电子态和能带 为什么具有半导体特性？Why？ Si Ge GaAs 直接带隙半导体、间接带隙半导体 为什么具有半导体特性？Why？ 为什么具有半导体特性？Why？ 掺杂 P型Si N型硅 热特性 光特性 怎么表征半导体特性？How ？ 1、结构特性：X射线衍射谱（XRD） 2、能带特性：光致发光谱 3、电阻率：载流子浓度：四探针测试、 霍尔测试（判断P型或N型） 需要掌握的知识点（非常重要）：需要掌握的知识点（非常重要）： 半导体的能带结构。半导体

15、中电子的运半导体的能带结构。半导体中电子的运 动状态和能量分布特点。从能带的角度区分动状态和能量分布特点。从能带的角度区分 金属、半导体、绝缘体。金属、半导体、绝缘体。 中国数字图书馆 ex_04_06_03_02.html 清洗 氧化 掺杂（扩散和离子注入） 光刻 世界上第一台通用计算机“ENIAC于1946年在美国宾 夕法尼亚大学诞生。发明人是美国人约翰 阿塔那索夫 （Atanasoff）教授。美国国防部用它来进行弹道计算。 它是一个庞然大物，用了18000个电子管，占地170平 方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦，每秒钟可进行 5000次运算，这在现在看来微不足道，但在当时却是 破天

16、荒的。 ENIAC以电子管作为元器件，所以又被称 为电子管计算机，是计算机的第一代。电子管计算机 由于使用的电子管体积很大，耗电量大，易发热，因 而工作的时间不能太长。 半导体工艺简介半导体工艺简介 微电子学院微电子学院 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, 第第7、8、9和和11章章 10nm(10-6cm) 半导体工艺尺寸 粗头发 100m（10-2cm） 10-3cm(10 m) 1000倍 10万倍（105倍） 0.1cm 1000cm(10m) 10c

17、m 灰尘颗粒的直径一般在10-3cm(10m) 室内环境：要求很严，恒温、恒湿、气流室内环境：要求很严，恒温、恒湿、气流 洁净度等级 中国国家标准 GB50073-2001（国际标准ISO14644-1） 美国联邦标准209E 洁净度等级 环境 级别 最大颗粒尺寸 （m） 甚大规模集成电路 生产车间(107109) 1 0.1 超大规模集成电路 生产车间(105107) 10 0.3 封装区域 100010000 0.5 住房 100 000 室外 500 000 硅热氧化 什么是硅的热氧化？什么是硅的热氧化？What？ 氧化(oxidation)： 狭义地，氧元素与其他的物质元素发生的化 学

18、反应，称其为氧化。 广义地，指物质失电子（氧化数升高） 的过程。 硅的热氧化：在一定温度下，硅发生化学反应形成SiO2过程。 清洗清洗工艺工艺 二氧化硅层的用途二氧化硅层的用途 1、表面钝化 2、掺杂阻挡层 3、表面绝缘体 4、器件绝缘体 为什么对硅进行氧化？为什么对硅进行氧化？Why？ 怎样进行氧化怎样进行氧化？How？ 流量控制 硅片 滤气球 二通 氧化炉 石英管 温度控制 温度控制 O2 1、氧化反应过程；控制机制 2、氧化厚度与哪些因素有关？ 3、氧化质量？均匀性，厚度，绝缘性 任选一种氧化设备，制备1000nm厚的氧化层， 在氧化前后你会关注哪些问题？ O2 O2 O2 100nm

19、Tox (t)1/2 抛物线阶段 干氧热氧化的控制机制 受限反应，受限扩散反应 Si (S) + O2 (V) SiO2 (S) 氧气流量充足 高温高温 Dry Oxidation Si (S) + O2 (V) SiO2 (S) Wet Oxidation（stream Oxidation） Si (S) + H2 O (V) SiO2 (S) + H2 (V) 氧化率的影响 900-1200oC 900-1200oC 1、氧化源： 干氧 湿氧(发泡、干法) Cl参入氧化 干氧氧化 优点：结构致密、均匀性和重复性好、与光刻胶 黏附好且应力小。 缺点：生长温度高、生长速度慢。 氧化率的影响 2

20、 2、高压氧化、高压氧化 在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速率，或者降低氧化温度而保在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速率，或者降低氧化温度而保 持同样的氧化速率都是经常采用方法。持同样的氧化速率都是经常采用方法。 优点：有利于降低材料中的位错缺陷。优点：有利于降低材料中的位错缺陷。 缺点：在利用高压氧化时要注意安全问题和高压系统带来的污染问题。缺点：在利用高压氧化时要注意安全问题和高压系统带来的污染问题。 常压 低掺杂 n型掺杂物：P、As、Sb p型掺杂物：B 4、多晶硅、多晶硅 与单晶硅相比氧化率更快与单晶硅相比氧化率更快 氧化率的影响 实际工艺中由于各个部分材料不同，

21、造成氧化层厚度不实际工艺中由于各个部分材料不同，造成氧化层厚度不 均匀，出现台阶。均匀，出现台阶。 5、温度、温度 6、晶向、晶向 氧化质量评估氧化质量评估 氧化后要对氧化质量进行评估，因为有些检测是破坏性的，所以在把一批晶 园送入炉管的同时，在不同位置放置一定数量的专门用来测试的样片。 一般情况下主要包括表面检测表面检测和厚度检测厚度检测 表面检测表面检测 通常在高亮的紫外线下对每片晶园进行检测，包括表面颗粒、不规则度、 污点都会在紫外线下显现。 厚度检测厚度检测 对厚度的检测非常重要，因为不同的器件或者不同目的要求，比如，MOS 栅极氧化层的厚度要求就很严格。检测的技术包括：颜色比较颜色比

22、较、边沿记数边沿记数、干涉干涉、 椭偏仪及电子扫描显微镜等椭偏仪及电子扫描显微镜等。 知识点： 1、在硅工艺中，SiO2的用途或作用。 2、干氧氧化的控制机制。 3、影响热氧化速率或厚度的因素。 4、会描述曲线图。 半导体工艺简介半导体工艺简介 掺杂工艺掺杂工艺 微电子学院微电子学院 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, 第第7、8、9和和11章章 什么是掺杂工艺？What ？ 集成电路生产过程中要对半导体基集成电路生产过程中要对半导体基 片的一定区域掺入一定浓

23、度的杂质片的一定区域掺入一定浓度的杂质 元素（元素（什么是掺杂？什么是掺杂？What?），）， 形形 成不同类型的半导体层，成不同类型的半导体层， 来制作各来制作各 种器件种器件(为什么掺杂？为什么掺杂？Why?)， 这这 就是掺杂工艺。就是掺杂工艺。 怎么掺杂？How ？ 1、扩散 2、离子注入 3、生长中直接掺入 什么是扩散？什么是扩散？What？ 物质的微粒总是时刻不停地处于运动之中，物质的微粒总是时刻不停地处于运动之中， 这这 可称之为热运动。可称之为热运动。 在热运动的作用下，在热运动的作用下， 物质物质 的微粒都有一种从浓度高的地方向浓度低的地的微粒都有一种从浓度高的地方向浓度低的

24、地 方运动的趋势，方运动的趋势， 这就是扩散。这就是扩散。 为什么扩散？Why ？ 固态扩散的目的： 1、在晶圆表面产生具有掺杂原子的数量。 2、在晶圆表面下特定位置处形成NP或PN结。 3、在晶圆表面形成特定的掺杂原子分布。 扩散形成的掺杂区和结 怎么扩散？怎么扩散？How？ 扩散过程扩散过程 1、淀积 2、推进氧化 清洗和去除氧化物 问题！ 1、扩散方式； 2、扩散杂质分布； 3、有杂质的Si 半导体 氧化后杂质分布； 4、扩散源。 扩散方式 晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的晶体内扩散是通过一系列随机跳跃来实现的， 这些跳跃在整个三维方向进行这些跳跃在整个三维方向进行，有多种方式有多

25、种方式， 最主要有：最主要有： A 填隙式扩散填隙式扩散 B 替位式扩散替位式扩散 C 填隙填隙-替位式扩散替位式扩散 A 填隙式扩散填隙式扩散 B 替位式扩散替位式扩散 淀积过程中杂质的分布淀积过程中杂质的分布 1、特定杂质的扩散率、特定杂质的扩散率 x txN Dj NDj ),( 菲克第一定律菲克第一定律 菲克第二定律菲克第二定律 扩散方程：扩散方程： 2 2 ),(),( x txN D t txN 2、杂质的最大固溶度、杂质的最大固溶度 0510152025 0.00E+000 2.00E+018 4.00E+018 6.00E+018 8.00E+018 1.00E+019 Den

26、sity(cm -3) x(nm) 20min 30min 60min P diffusion in Silicon 0510152025 100 1000 10000 100000 1000000 1E7 1E8 1E9 1E10 1E11 1E12 1E13 1E14 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 Density(cm -3) x(nm) 20min 30min 60min P diffusion in Silicon 02004006008001000 10 100 1000 10000 100000 1000000 1E7 1E8 1E9 1E1

27、0 1E11 1E12 1E13 1E14 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 Density(cm -3) x(nm) D(nm 2/h) 4.44e3 5e3 6e3 P diffusion in Silicon 02004006008001000 10 100 1000 10000 100000 1000000 1E7 1E8 1E9 1E10 1E11 1E12 1E13 1E14 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 Density(cm -3) x(nm) Ns(cm -3) 1e17 1e18 1e19 P dif

28、fusion in Silicon 去釉去釉 预淀积过程中杂质的分布预淀积过程中杂质的分布 检测检测 推进氧化的影响 施主施主 受主受主 扩散源 1、液态源、液态源 氯化物氯化物 溴化物（溴化物（BBr3，POCl3） 加热加热 反应气体反应气体 4BBr3+3O22B2O3+6Br2 均匀性、安全性、填料沾污均匀性、安全性、填料沾污 扩散源 2、气态源、气态源 氢化物氢化物 AsH3 B2H6 优势：优势： 精确控制精确控制 洁净度好洁净度好 缺点：缺点： 管路中容易形成二氧化硅粉尘管路中容易形成二氧化硅粉尘 扩散源 3、固态源、固态源 最原始最原始 氧化物氧化物 匙匙 远程固态源远程固态源

29、 近邻源近邻源 旋转涂覆源旋转涂覆源 半导体工艺简介半导体工艺简介 掺杂工艺掺杂工艺-离子注入离子注入 微电子学院微电子学院 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, 第第7、8、9和和11章章 为什么要用离子注入进行掺杂？为什么要用离子注入进行掺杂？ Why? （1）热扩散的限制）热扩散的限制 1.横向扩散和位错横向扩散和位错 2.位错晶体损伤位错晶体损伤 3.实现浅结困难实现浅结困难 4.掺杂浓度控制精度掺杂浓度控制精度 5.表面污染表面污染 （2）离子注入优点

30、）离子注入优点 1.无侧向扩散无侧向扩散 2.精确控制掺杂的数量及位置精确控制掺杂的数量及位置 3.离子注入浓度最大值不在表面离子注入浓度最大值不在表面 4.掩膜（光刻胶、金属膜和二氧化掩膜（光刻胶、金属膜和二氧化 硅）硅） 5.低温工艺低温工艺 什么是离子注入？什么是离子注入？What？ 离子注入是将含所需杂质的离子注入是将含所需杂质的化合物分化合物分 子子（BCl3、BF3）电离为杂质）电离为杂质离子离子后，后， 聚集成束用强电场加速，使其成为聚集成束用强电场加速，使其成为高高 能离子束能离子束，直接轰击半导体材料，当，直接轰击半导体材料，当 离子进入其中时，受半导体材料原子离子进入其中时

31、，受半导体材料原子 阻挡阻挡，而停留在其中，而停留在其中，成为半导体内成为半导体内 的杂质的杂质。 怎么进行离子注入？怎么进行离子注入？How？ 离子注入系统离子注入系统 离化反离化反 应室应室 15-40KeV 质谱分析仪质谱分析仪 AsH3 PH3 BF3 怎么进行离子注入？怎么进行离子注入？How？ 静电或磁透镜静电或磁透镜 静电场电极板静电场电极板 终端终端/靶室靶室 离子束与晶圆作用：离子束与晶圆作用： 1、晶圆电荷积累。利用电子枪提供电子、晶圆电荷积累。利用电子枪提供电子 2、晶体损伤。高温处理、晶体损伤。高温处理 离子注入系统离子注入系统 离子注入区杂质浓度离子注入区杂质浓度 投

32、影射程投影射程 1、重离子注入、重离子注入 （Si、Ge）损伤层）损伤层 2、 3o - 7o 3、表面不定型层、表面不定型层 二氧化硅二氧化硅 图形化工艺图形化工艺光刻光刻 (What? Why?)(What? Why?) 图形化工艺目标：图形化工艺目标： 1 1、在晶圆中和表面上形成图形，图形的尺、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设寸在集成电路或器件的设 计阶段形成；计阶段形成； 2 2、将电路图形精确的定位在晶圆的表面。、将电路图形精确的定位在晶圆的表面。 光刻是一种复印图形与化学腐蚀相结合的综合性技术。它将光刻版上光刻是一种复印图形与化学腐蚀相结合的综合性技术。

33、它将光刻版上 的图形精确地复印在涂有感光胶的基片上。然后利用光刻胶的保护作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。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。 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 光刻过程：光刻过程： 以SiO2 做掩膜为例 1、去油：甲

34、苯、丙酮、乙醇、去油：甲苯、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 2 2、涂胶：旋转式、蒸气式、浸涂、涂胶：旋转式、蒸气式、浸涂 光刻胶又称感光胶，一般由光刻胶又称感光胶，一般由感光剂、增感感光剂、增感 剂和溶剂剂和溶剂所组成；感光剂是一种对光特别所组成；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

35、性能。 胶膜均匀，达到预定的厚度，无灰尘等。胶膜均匀，达到预定的厚度，无灰尘等。 常用的是旋转法，它又分为旋转板式和自转式 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。 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 的是的是促使胶膜体内的溶剂部分挥发促使胶膜体内的溶剂部分挥发，使胶膜干燥，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

36、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。进行。 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恒温干燥箱中烘十至十五分钟，具体条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质而定；第二种是用红外灯烘焙，即把衬底放在干净的容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基底与胶器中，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基底与胶 的交界面开始，溶剂逐渐从内部

37、向表面挥发，干燥效果较好而且烘焙时间短。的交界面开始，溶剂逐渐从内部向表面挥发，干燥效果较好而且烘焙时间短。 影响前烘效果的主要因素是温度和时间。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

38、 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，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。 可采用的曝光的方法包括：可采用的曝光的方法包括：接触曝光

39、法、接触曝光法、 投影曝光法、投影曝光法、电子束曝光法、离子束曝光电子束曝光法、离子束曝光 法和法和X X射线曝光法等；射线曝光法等； 曝光时间过短，胶感光不足，光刻胶的光化学曝光时间过短，胶感光不足，光刻胶的光化学 反映不充分，光刻胶的抗蚀性能就会降低，显反映不充分，光刻胶的抗蚀性能就会降低，显 影时部分胶会溶解；曝光时间过长，会使光刻影时部分胶会溶解；曝光时间过长，会使光刻 胶不感光部分的边缘微弱感光，产生胶不感光部分的边缘微弱感光，产生“光晕光晕” 现象，腐蚀后边界模糊或出现皱纹，使分辩率现象，腐蚀后边界模糊或出现皱纹，使分辩率 降低。降低。 1. 1. 图形必须严格套准；图形必须严格套

40、准； 2. 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。形产生畸变。 光刻掩膜版 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。 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，

41、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。 正胶：被光照部分在正胶显影液显影后，被溶解去除。 光刻板 光刻胶 正胶，显影后图形 光刻胶

42、被去 除 负胶：不被光照部分在负胶显影液显影后，被溶解去除。 光刻板 负胶，显影后图形 光刻胶被去 除 光刻胶 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； 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

43、 膜及红外灯坚膜。膜及红外灯坚膜。 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 8、去胶、去胶 知识点： 1、离子注入的优点。 2、离子注入设备个部分的作用。 3、离子注入到晶圆中与晶圆发生了什么作用，怎么消除不良影 响？ 4、离子注入产生的沟道效应怎么消除？ 3、光刻用正胶或负胶在显影后的图形。能够画出俯视图和截面 图。 CM

44、OS工艺 Complementary MetalOxideSemiconductor Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P- P- Well N- Well N+ Drain N+ Source P+ Drain P+ Source BPSG W Contact Plug Metal1 IMD1 W Via Plug Passivation Bond Pad Poly Gate Gate Oxide Spacer Metal2 初始清洗初始清洗 初始清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的方法将在晶圆表面 的尘粒或杂质去除，防止这些杂质尘粒，对后

45、续的工艺造成影响，使得器件无法正 常工作。 实验室：实验室： 去油及金属离子、灰尘等：去油及金属离子、灰尘等： 甲苯、丙酮、乙醇依次超声甲苯、丙酮、乙醇依次超声5-10min， 去离子水冲洗去离子水冲洗10遍以上。遍以上。 脱水烘焙（注意不要影响表面特性）脱水烘焙（注意不要影响表面特性） Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P Pad Oxide 热氧化 热氧化 形成一个SiO2薄层，厚度约20nm 高温，H2O或O2气氛 缓解后续步骤形成的Si3N4对Si衬底造成的应力 Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P

46、- Silicon Nitride Si3N4淀积 Si3N4淀积 厚度约250nm 化学气相淀积(CVD) 作为后续化学机械研磨（CMP）的停止层 Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P- Silicon Nitride Photoresist 光刻胶成形 光刻胶成形 厚度约0.51.0um 光刻胶涂敷、曝光和显影 用于隔离浅槽的定义 Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P- Silicon Nitride Photoresist Si3N4和SiO2刻蚀 Si3N4和SiO2刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀 (R

47、IE，Reactive Ion Etching) Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P- Silicon Nitride Photoresist Transistor Active Areas Isolation Trenches 隔离浅槽刻蚀 隔离浅槽刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀(RIE) 定义晶体管有源区 Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P- Silicon Nitride Transistor Active Areas Isolation Trenches 除去光刻胶 除去光刻胶 氧等离子体去胶，把光刻胶成分氧化为气体 Silicon Substrate P+ Silicon Epi Layer P- Silicon Nitride Future PMOS Transistor Silicon Dioxide Future NMOS Transistor No curr