现代微纳米半导体加工工艺探析

2020-09-10 11:16程健李珊珊
内燃机与配件 2020年11期
关键词:半导体纳米加工

程健 李珊珊

摘要:随着集成电路的不断发展,现如今集成电路体积越来越小集成度越来越高,功能与速度也得到了进一步发展与进步。微纳米半导体作为集成电路主要组成部分,其发展速度越来越快。分析微纳米半导体加工工艺,对于优化半导体加工,提升半导体质量满足未来集成电路发展对半导体元件要求具有重要意义。本文从半导体加工工艺与半导体加工工艺发展两方面进行分析,希望可以为未来半导体加工发展与优化提供一定借鉴。

关键词:半导体;纳米;加工;工艺

0  引言

优化半导体加工工艺可以提升半导体加工速度与质量,当前半导体加工工艺主要为传统加工工艺,在此工艺基础上优化加工,是促进半导体发展与应用的基本保障。加强对微纳米半导体加工工艺深入研究,分析未来半导体加工工艺发展趋势,方便相关企业抓住半导体加工工艺趋势,提升自身微纳米半导体加工质量与速度。

1  加工工艺分析——微纳米半导体

当前微纳米半导体加工工艺主要为传统加工工艺,加工流程包括光刻加工过程、半导体薄膜沉积处理、扩散掺杂处理、溅射处理等环节。在加工工艺分析上要从微纳米半导体加工流程全程进行分析,以便于全面掌握半导体加工,为微纳米半导体加工优化提供一定依据。

1.1 光刻加工工艺

光刻加工工艺主要指利用光照作用,在掩膜版上利用光刻胶将图形转移到基片上的技术。一般光刻加工工艺主要包括如下四个步骤:第一步,涂光刻胶薄膜。将一定厚度的光刻胶薄膜涂在基片表面,通过掩模版的光线对着基片表面照射,促使光刻胶表面发生一定的化学反应,如此一来可以保障遮光区域与未遮光区域的光刻胶化学性质出現一定差异,为下一步加工处理打下良好基础[1];第二步,正负性光刻胶。可以利用显影技术将上一步的未曝光区与曝光区暴露,使得未曝光区域光刻胶溶解直至去除,该工艺也被称之为负性光刻胶工艺,与负性光刻胶相对曝光区域光刻胶溶解直至去除工艺则称之为正性光刻胶,通过正负性光刻胶将图形(掩模版上)转移到光刻胶上。第三步,刻蚀。当正负性光刻胶处理完毕后,利用物理或者化学方法,去除处于光刻胶薄层上没有被掩蔽晶片的介质层或者表面层,确保光刻胶薄层图形印在晶片介质层或者表面层,完成光刻过程[2]。第四步,光刻胶去除。当晶片介质层或者表面层已经具备图形之后,溶解去除剩余所有的光刻胶。

随着光化学分辨率技术的不断发展,微纳米半导体光刻工艺也有了进一步发展,当前在光化学分辨率增强情况下常用微纳米半导体光刻工艺包括两次曝光工艺、移相掩模工艺、浸没透镜工艺、光学校正(应对邻近效应)工艺四种不同光刻工艺类型,每种不同类型微纳米半导体光刻工艺具有不同特点:①两次曝光工艺。两次曝光工艺是指将掩模上的图形一分为二,分两次进行曝光操作,可以将掩模上图形的分辨率减小至一半,有利于将之前不易于分辨图形更为精准的转移到光刻胶上,可以对图形修正同时降低保管设备压力,确保光刻质量。该项技术可以促进在现有技术基础上,生产下一节点的产品。②移相掩模工艺。移相掩模工艺主要指通过减少或者增加光掩模透明区透明介质,改变透明区(相邻)的相位,抵消一定量的衍射,产生一定的光干涉效用,达到提升分辨效果的目的,进而达到优化传统光刻技术的目的。移相掩模工艺较为复杂,其又包括复合移相、透明移相、交替移相、边缘增强移相、衰减移相等方式。其中复合移相主要指二元铬掩模+交替移相+衰减移相+全透明移相的综合移相掩模方式。③浸没透镜工艺。浸没透镜工艺是指将析射率增大的相关液体介质注入到硅片与最后一个曝光镜头之间,形成一定厚度液膜,起到增加光的折射的目的,实现提升分辨率的目的。在液体介质介入同时增大镜头口径或与数值孔径,提升EL(曝光宽容度)与DOF(焦深)。该工艺利用原理主要为随着波长变化微纳米半导体特征尺寸会发生相应变化,两者之间呈现一定正相关关系,利用折射率高液体介入实现光波长减小,达到减小微纳米半导体特征尺寸与加工尺寸目的。④光学校正工艺。光学曝光邻近效用指当光通过小孔(掩模)之后,会发生一定衍射效应降低图像的分辨率,严重时导致图片模糊。为了解决这一问题可以利用光学校正工艺或者上述移相掩模工艺。光学校正工艺是指对图形进行畸变预测,提前测定好由于光的衍射可能导致导致图像出现偏差的具体情况,并据此适当调整掩模版制作,从而使得图形曝光发生临近效应之后,得到相应符合要求光刻图形。

1.2 半导体薄膜沉积处理

薄膜沉积的方式大多应用于栅极制备,制备的栅极主要是金属氧化物半导体的。一般在栅极的制备要求使用不易击穿、电阻率高的材料,硅晶元上二氧化硅较为理想,利用处于硅片上的硅氧化便可以得到二氧化硅[3]。薄膜沉积工艺除了可以制备栅极之外,还可以制备集成电路上的金属连线、隔离层、绝缘层等基本组成部分。

当前常用的薄膜沉积处理工艺分为电化学沉积法与物理沉积法,其中物理沉积法主要为物理气相沉积,指利用物理过程实现分子或者原子转移到硅表面,进而完成沉积膜处理过程。电化学沉积相对物理沉积而言要复杂一点,其主要步骤分为三个步骤:第一步,硅膜形成。在基板上涂覆含有一定量聚硅烷化合物的专用溶液,使得基板上形成一定的涂层膜,待涂层膜形成后进行第一次热处理,第一次热处理是在惰性气氛下进行,使得涂层膜转化为硅膜;第二步,前体膜(氧化硅)。当硅膜形成后进行第二次热处理,第二次热处理是在还原气氛下或者惰性气氛下进行的,将硅膜转变为前体膜;第三步,致密化。当前体膜形成后进行第三次热处理,第三次热处理是在氧化气氛下进行的,将前体膜转化为氧化硅膜同时使硅膜致密化。

当前常用的膜沉积工艺包括CVD(化学气相)、PVD(物理气相)、ALD(原子层)三种沉积方式,其中ALD是在CVD与PVD基础上发展而来。①CVD,该种方式主要利用一种或者多种气相单质或者化合物,在膜表面形成多种化学反应实现膜沉积的方法。此种方式可制备合金、砷化物、硫化物、氮化物等薄膜材料。②PVD,该种方式主要在真空条件下进行,利用材料气化,形成相应也分、原子、电离子等,之后利用等离子体或者低压气体过程,在膜表面形成具有特殊功能的膜,该种方式可以沉积金属膜与半导体、聚合物膜等。③ALD,该技术结合上两种膜沉积技术,主要应用于半导体、超导体材料膜沉积处理。该种方式利用通入气相脉冲,在沉积基础上进行化学反应与吸附形成沉积膜的一种方式,此种方式在膜沉积上属于交替沉积方式,每次质沉积一层原子,每层原子沉积关联性较大,有效提升膜沉积质量。

1.3 扩散掺杂处理

掺杂处理主要指在硅片中按要求的分布与浓度将所需杂质掺入,以实现改变材料电学性能的目的,形成相应的半导体器件。掺杂处理可以分为离子注入与热扩散两种不同方式,其中离子注入是指将特定元素的分子或者原子利用电离化使其变成带电离子,再利用电场加速将其射入材料表层实现改变材料理化性质的目的,进而完成不同半导体器件加工。热扩散掺杂主要指利用温度升高后材料扩散的原理,使得经过高温加热后的杂质扩散到材料内部,进而实现改变材料性能目的,完成不同半导体器件加工[4]。

1.4 溅射处理

溅射处理是优化半导体性能的主要步骤,该工艺主要指在半导体表面利用粒子轰击,让固体表面粒子取得一定能量,最终使得粒子逸出半导体表面,形成优良、导电导热、高温抗氧化的半导体器件。整个溅射工艺是在真空条件下进行的。

2  创新加工工艺分析——微纳米半导体

2.1 半导体材料的转变

随着半导体加工工艺的不断进步,传统的硅晶管材料逐渐体现局限性,为了满足微纳米半导体进一步发展,硅晶管材料的创新必不可少。且传统硅晶管材料防电击穿能力有限,进一步限制其在半导体加工中深入应用。碳纳米发展前景比较客观,这种碳纳米材料为人工合成纳米材料,在电子迁移率上要远高于硅纳米,碳纳米甚至可以实现弹道运输,电子漂移速度快更有利于半导体或超导体加工与制作[5]。

2.2 电路转变

集成电路发展的微型集成化发展是必然趋势,未来半导体体积必然会更小,要求必然会更高,利用三维立体电路可以有效确保电路带宽能力与开关速度提升,对于集成电路发展具有重要推动作用。三维立体电路特点可以让不同不同基板芯片、不同功能性质等,利用各自最为适宜的制作流程,制作完毕之后,再通过TSV(硅基板穿孔)技术实现整合立体堆栈目的,可大大缩短联机电阻与金属导线长度,有效缩减芯片在集成电路中所占面积,实现集成电路微型集成化发展。

2.3 半导體加工工艺优化

随着半导体加工工艺发展,未来更多先进半导体加工工艺应用于半导体加工之中,有效提升半导体加工质量,促进半导体加工业的发展与进步。例如在光刻加工工艺中,利用离子束光刻工艺,通过多级电离子透镜,进一步缩小掩模图像,将缩小后的图像在抗蚀剂硅片上,之后再进行步进与曝光操作。利用离子束可以大大提升图像分辨率,进一步优化微纳米半导体加工。

3  结束语

综上所述,现代微纳米半导体加工工艺按照微纳米半导体加工流程可以分为光刻工艺、薄膜沉积工艺、扩散掺杂工艺、溅射工艺等。不同工艺具有不同特点,各种工艺相互配合,共同促进了微纳米半导体加工。在半导体加工未来发展中可以通过半导体材料的转变、电路转变、半导体加工工艺优化等方式,进一步促进半导体加工工艺进步与发展。

参考文献:

[1]章城,文东辉,杨兴.基于直写技术的微纳掩模制作技术研究进展[J].传感器与微系统,2019(7):1-4.

[2]赵正平.超宽禁带半导体Ga2O3微电子学研究进展(续)[J].半导体技术,2019(2):81-86.

[3]刁华彬,杨凯,赵超.新一代功率半导体β-Ga2O3器件进展与展望[J].微纳电子技术,2019(11):875-887.

[4]张雨茜,陆志成,张伟.硅基纳米柱GaN-LED的制备与光谱特性分析[J].光谱学与光谱分析,2019,39(8):2450-2453.

[5]曹未未,门传玲.宽谱响应的混合碳纳米管光电探测器的制备和性能[J].广州化学,2019,44(4):7-12.

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