現(xiàn)代微納米半導(dǎo)體加工工藝探析

程健 李珊珊

摘要：隨著集成電路的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今集成電路體積越來越小集成度越來越高，功能與速度也得到了進(jìn)一步發(fā)展與進(jìn)步。微納米半導(dǎo)體作為集成電路主要組成部分，其發(fā)展速度越來越快。分析微納米半導(dǎo)體加工工藝，對于優(yōu)化半導(dǎo)體加工，提升半導(dǎo)體質(zhì)量滿足未來集成電路發(fā)展對半導(dǎo)體元件要求具有重要意義。本文從半導(dǎo)體加工工藝與半導(dǎo)體加工工藝發(fā)展兩方面進(jìn)行分析，希望可以為未來半導(dǎo)體加工發(fā)展與優(yōu)化提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;納米;加工;工藝

0? 引言

優(yōu)化半導(dǎo)體加工工藝可以提升半導(dǎo)體加工速度與質(zhì)量，當(dāng)前半導(dǎo)體加工工藝主要為傳統(tǒng)加工工藝，在此工藝基礎(chǔ)上優(yōu)化加工，是促進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)展與應(yīng)用的基本保障。加強對微納米半導(dǎo)體加工工藝深入研究，分析未來半導(dǎo)體加工工藝發(fā)展趨勢，方便相關(guān)企業(yè)抓住半導(dǎo)體加工工藝趨勢，提升自身微納米半導(dǎo)體加工質(zhì)量與速度。

1? 加工工藝分析——微納米半導(dǎo)體

當(dāng)前微納米半導(dǎo)體加工工藝主要為傳統(tǒng)加工工藝，加工流程包括光刻加工過程、半導(dǎo)體薄膜沉積處理、擴(kuò)散摻雜處理、濺射處理等環(huán)節(jié)。在加工工藝分析上要從微納米半導(dǎo)體加工流程全程進(jìn)行分析，以便于全面掌握半導(dǎo)體加工，為微納米半導(dǎo)體加工優(yōu)化提供一定依據(jù)。

1.1 光刻加工工藝

光刻加工工藝主要指利用光照作用，在掩膜版上利用光刻膠將圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)。一般光刻加工工藝主要包括如下四個步驟：第一步，涂光刻膠薄膜。將一定厚度的光刻膠薄膜涂在基片表面，通過掩模版的光線對著基片表面照射，促使光刻膠表面發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，如此一來可以保障遮光區(qū)域與未遮光區(qū)域的光刻膠化學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)一定差異，為下一步加工處理打下良好基礎(chǔ)[1];第二步，正負(fù)性光刻膠?？梢岳蔑@影技術(shù)將上一步的未曝光區(qū)與曝光區(qū)暴露，使得未曝光區(qū)域光刻膠溶解直至去除，該工藝也被稱之為負(fù)性光刻膠工藝，與負(fù)性光刻膠相對曝光區(qū)域光刻膠溶解直至去除工藝則稱之為正性光刻膠，通過正負(fù)性光刻膠將圖形（掩模版上）轉(zhuǎn)移到光刻膠上。第三步，刻蝕。當(dāng)正負(fù)性光刻膠處理完畢后，利用物理或者化學(xué)方法，去除處于光刻膠薄層上沒有被掩蔽晶片的介質(zhì)層或者表面層，確保光刻膠薄層圖形印在晶片介質(zhì)層或者表面層，完成光刻過程[2]。第四步，光刻膠去除。當(dāng)晶片介質(zhì)層或者表面層已經(jīng)具備圖形之后，溶解去除剩余所有的光刻膠。

隨著光化學(xué)分辨率技術(shù)的不斷發(fā)展，微納米半導(dǎo)體光刻工藝也有了進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)前在光化學(xué)分辨率增強情況下常用微納米半導(dǎo)體光刻工藝包括兩次曝光工藝、移相掩模工藝、浸沒透鏡工藝、光學(xué)校正（應(yīng)對鄰近效應(yīng)）工藝四種不同光刻工藝類型，每種不同類型微納米半導(dǎo)體光刻工藝具有不同特點：①兩次曝光工藝。兩次曝光工藝是指將掩模上的圖形一分為二，分兩次進(jìn)行曝光操作，可以將掩模上圖形的分辨率減小至一半，有利于將之前不易于分辨圖形更為精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移到光刻膠上，可以對圖形修正同時降低保管設(shè)備壓力，確保光刻質(zhì)量。該項技術(shù)可以促進(jìn)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，生產(chǎn)下一節(jié)點的產(chǎn)品。②移相掩模工藝。移相掩模工藝主要指通過減少或者增加光掩模透明區(qū)透明介質(zhì)，改變透明區(qū)（相鄰）的相位，抵消一定量的衍射，產(chǎn)生一定的光干涉效用，達(dá)到提升分辨效果的目的，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化傳統(tǒng)光刻技術(shù)的目的。移相掩模工藝較為復(fù)雜，其又包括復(fù)合移相、透明移相、交替移相、邊緣增強移相、衰減移相等方式。其中復(fù)合移相主要指二元鉻掩模+交替移相+衰減移相+全透明移相的綜合移相掩模方式。③浸沒透鏡工藝。浸沒透鏡工藝是指將析射率增大的相關(guān)液體介質(zhì)注入到硅片與最后一個曝光鏡頭之間，形成一定厚度液膜，起到增加光的折射的目的，實現(xiàn)提升分辨率的目的。在液體介質(zhì)介入同時增大鏡頭口徑或與數(shù)值孔徑，提升EL（曝光寬容度）與DOF（焦深）。該工藝?yán)迷碇饕獮殡S著波長變化微納米半導(dǎo)體特征尺寸會發(fā)生相應(yīng)變化，兩者之間呈現(xiàn)一定正相關(guān)關(guān)系，利用折射率高液體介入實現(xiàn)光波長減小，達(dá)到減小微納米半導(dǎo)體特征尺寸與加工尺寸目的。④光學(xué)校正工藝。光學(xué)曝光鄰近效用指當(dāng)光通過小孔（掩模）之后，會發(fā)生一定衍射效應(yīng)降低圖像的分辨率，嚴(yán)重時導(dǎo)致圖片模糊。為了解決這一問題可以利用光學(xué)校正工藝或者上述移相掩模工藝。光學(xué)校正工藝是指對圖形進(jìn)行畸變預(yù)測，提前測定好由于光的衍射可能導(dǎo)致導(dǎo)致圖像出現(xiàn)偏差的具體情況，并據(jù)此適當(dāng)調(diào)整掩模版制作，從而使得圖形曝光發(fā)生臨近效應(yīng)之后，得到相應(yīng)符合要求光刻圖形。

1.2 半導(dǎo)體薄膜沉積處理

薄膜沉積的方式大多應(yīng)用于柵極制備，制備的柵極主要是金屬氧化物半導(dǎo)體的。一般在柵極的制備要求使用不易擊穿、電阻率高的材料，硅晶元上二氧化硅較為理想，利用處于硅片上的硅氧化便可以得到二氧化硅[3]。薄膜沉積工藝除了可以制備柵極之外，還可以制備集成電路上的金屬連線、隔離層、絕緣層等基本組成部分。

當(dāng)前常用的薄膜沉積處理工藝分為電化學(xué)沉積法與物理沉積法，其中物理沉積法主要為物理氣相沉積，指利用物理過程實現(xiàn)分子或者原子轉(zhuǎn)移到硅表面，進(jìn)而完成沉積膜處理過程。電化學(xué)沉積相對物理沉積而言要復(fù)雜一點，其主要步驟分為三個步驟：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專用溶液，使得基板上形成一定的涂層膜，待涂層膜形成后進(jìn)行第一次熱處理，第一次熱處理是在惰性氣氛下進(jìn)行，使得涂層膜轉(zhuǎn)化為硅膜;第二步，前體膜（氧化硅）。當(dāng)硅膜形成后進(jìn)行第二次熱處理，第二次熱處理是在還原氣氛下或者惰性氣氛下進(jìn)行的，將硅膜轉(zhuǎn)變?yōu)榍绑w膜;第三步，致密化。當(dāng)前體膜形成后進(jìn)行第三次熱處理，第三次熱處理是在氧化氣氛下進(jìn)行的，將前體膜轉(zhuǎn)化為氧化硅膜同時使硅膜致密化。

當(dāng)前常用的膜沉積工藝包括CVD（化學(xué)氣相）、PVD（物理氣相）、ALD（原子層）三種沉積方式，其中ALD是在CVD與PVD基礎(chǔ)上發(fā)展而來。①CVD，該種方式主要利用一種或者多種氣相單質(zhì)或者化合物，在膜表面形成多種化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)膜沉積的方法。此種方式可制備合金、砷化物、硫化物、氮化物等薄膜材料。②PVD，該種方式主要在真空條件下進(jìn)行，利用材料氣化，形成相應(yīng)也分、原子、電離子等，之后利用等離子體或者低壓氣體過程，在膜表面形成具有特殊功能的膜，該種方式可以沉積金屬膜與半導(dǎo)體、聚合物膜等。③ALD，該技術(shù)結(jié)合上兩種膜沉積技術(shù)，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體、超導(dǎo)體材料膜沉積處理。該種方式利用通入氣相脈沖，在沉積基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)與吸附形成沉積膜的一種方式，此種方式在膜沉積上屬于交替沉積方式，每次質(zhì)沉積一層原子，每層原子沉積關(guān)聯(lián)性較大，有效提升膜沉積質(zhì)量。

1.3 擴(kuò)散摻雜處理

摻雜處理主要指在硅片中按要求的分布與濃度將所需雜質(zhì)摻入，以實現(xiàn)改變材料電學(xué)性能的目的，形成相應(yīng)的半導(dǎo)體器件。摻雜處理可以分為離子注入與熱擴(kuò)散兩種不同方式，其中離子注入是指將特定元素的分子或者原子利用電離化使其變成帶電離子，再利用電場加速將其射入材料表層實現(xiàn)改變材料理化性質(zhì)的目的，進(jìn)而完成不同半導(dǎo)體器件加工。熱擴(kuò)散摻雜主要指利用溫度升高后材料擴(kuò)散的原理，使得經(jīng)過高溫加熱后的雜質(zhì)擴(kuò)散到材料內(nèi)部，進(jìn)而實現(xiàn)改變材料性能目的，完成不同半導(dǎo)體器件加工[4]。

1.4 濺射處理

濺射處理是優(yōu)化半導(dǎo)體性能的主要步驟，該工藝主要指在半導(dǎo)體表面利用粒子轟擊，讓固體表面粒子取得一定能量，最終使得粒子逸出半導(dǎo)體表面，形成優(yōu)良、導(dǎo)電導(dǎo)熱、高溫抗氧化的半導(dǎo)體器件。整個濺射工藝是在真空條件下進(jìn)行的。

2? 創(chuàng)新加工工藝分析——微納米半導(dǎo)體

2.1 半導(dǎo)體材料的轉(zhuǎn)變

隨著半導(dǎo)體加工工藝的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的硅晶管材料逐漸體現(xiàn)局限性，為了滿足微納米半導(dǎo)體進(jìn)一步發(fā)展，硅晶管材料的創(chuàng)新必不可少。且傳統(tǒng)硅晶管材料防電擊穿能力有限，進(jìn)一步限制其在半導(dǎo)體加工中深入應(yīng)用。碳納米發(fā)展前景比較客觀，這種碳納米材料為人工合成納米材料，在電子遷移率上要遠(yuǎn)高于硅納米，碳納米甚至可以實現(xiàn)彈道運輸，電子漂移速度快更有利于半導(dǎo)體或超導(dǎo)體加工與制作[5]。

2.2 電路轉(zhuǎn)變

集成電路發(fā)展的微型集成化發(fā)展是必然趨勢，未來半導(dǎo)體體積必然會更小，要求必然會更高，利用三維立體電路可以有效確保電路帶寬能力與開關(guān)速度提升，對于集成電路發(fā)展具有重要推動作用。三維立體電路特點可以讓不同不同基板芯片、不同功能性質(zhì)等，利用各自最為適宜的制作流程，制作完畢之后，再通過TSV（硅基板穿孔）技術(shù)實現(xiàn)整合立體堆棧目的，可大大縮短聯(lián)機電阻與金屬導(dǎo)線長度，有效縮減芯片在集成電路中所占面積，實現(xiàn)集成電路微型集成化發(fā)展。

2.3 半導(dǎo)體加工工藝優(yōu)化

隨著半導(dǎo)體加工工藝發(fā)展，未來更多先進(jìn)半導(dǎo)體加工工藝應(yīng)用于半導(dǎo)體加工之中，有效提升半導(dǎo)體加工質(zhì)量，促進(jìn)半導(dǎo)體加工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。例如在光刻加工工藝中，利用離子束光刻工藝，通過多級電離子透鏡，進(jìn)一步縮小掩模圖像，將縮小后的圖像在抗蝕劑硅片上，之后再進(jìn)行步進(jìn)與曝光操作。利用離子束可以大大提升圖像分辨率，進(jìn)一步優(yōu)化微納米半導(dǎo)體加工。

3? 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代微納米半導(dǎo)體加工工藝按照微納米半導(dǎo)體加工流程可以分為光刻工藝、薄膜沉積工藝、擴(kuò)散摻雜工藝、濺射工藝等。不同工藝具有不同特點，各種工藝相互配合，共同促進(jìn)了微納米半導(dǎo)體加工。在半導(dǎo)體加工未來發(fā)展中可以通過半導(dǎo)體材料的轉(zhuǎn)變、電路轉(zhuǎn)變、半導(dǎo)體加工工藝優(yōu)化等方式，進(jìn)一步促進(jìn)半導(dǎo)體加工工藝進(jìn)步與發(fā)展。

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