摘要：本文集中关注于半导体制造工艺步骤中的显影步骤，详细分析该步骤中最长发生的异常现象，气泡（本文所说的气泡是指显影工序完成后，显影区域内出现的显影液确实区域，因其形状像气泡，故而本文称此类失效为气泡）。揭示了气泡产生的各种原因及其相关改善方法，供业内同行交流讨论。
关键词：显影 气泡 E2型喷嘴
Developing bubble and its countermeasure
Chuang Liu, Qiao Zhi, Wang Zhengfang, Li changliang
( Unit:Tianjin HuanXin Science and Technology Development Co.LTD. Tel: 022-23789766 )
Abstract: This work focused on the developing process in the semiconductor manufacturing fab. We analyzed the failure model of bubble and its countermeasure. (the bubble cited in this work is meaning a kind of failure on which there is no developing solution. It looks like bubble, so we call this failure as bubble)
Keywords：Developing Bubble E2 Nozzle
1 引言
在半导体硅片上制作器件或电路时，都会用到图形转移工序，光刻或叫微影。正是光刻或微影的能力在很大程度上决定了一个制造工厂的线宽能力和技术层次。常规光刻工艺过程包括晶圆表面清洗烘干、涂光刻胶(匀胶)、软烘焙、对准和曝光、显影、硬烘焙、刻蚀、光刻胶去除、检测等多道工序[1]。
显影工艺是光刻工艺中的重要一环,显影质量的好坏决定了芯片特征尺寸能否达到预定要求,它的功用就是用显影液把前续工艺中被光照到的部分光刻胶溶解掉（以正性光刻胶为例，负性光刻胶的效果与之相反），留下的部分光刻胶的图形就实现了图形从掩膜版到硅片上的转移[2]。
显影过程中,显影液与曝光区域的光刻胶会发生酸碱中和反应,显影后要通过去离子水清除反应中的残留物。这个酸碱中和反应进行条件是显影液均匀地与光刻胶接触，但因显影设备硬件上或软件设置上的问题，这一条件往往出现事与愿违的情况，就形成了显影不良。在诸多显影不良现象中，较为宏观的不良的典型代表是气泡，即在气泡区域内，显影液未与光刻胶因为空气存在而不能接触，导致气泡区域内的光刻胶被异常的留下来，导致后续的图形异常和芯片失效。这些显影的不良产生的原因跟设备硬件有很大关联性，不同的设备硬件配置出现不良的风险和原因也都各不相同。
早期的显影设备采用浸没式显影,它通过将一盒硅片固定浸没在显影液中实现显影。浸没式显影会使用很多显影液,且显影过程中显影液浓度会发生变化,工艺稳定性和成本角度都存在较为明显的弱点。后续出现一种连续喷雾显影的设备，是将显影液以雾状形式喷洒到晶圆上,同时晶圆以100 r/min~500 r/min的速度旋转。此种设备容易导致显影单元内有过多的小水滴式的显影液,它们类似一个个透镜,对后续的工艺会造成不良影响。本文涉及的显影设备是东京电子公司（TEL）生产的Mark系列显影机，采用旋转浸没式显影，主要有4个步骤,首先将显影液通过管路和E2型喷头喷到晶圆上,此时晶圆跟随载台进行低速旋转;因E2型喷头的尺寸比晶圆直径大，显影液会铺满整个晶圆,静置一段时间使显影液与光刻胶发生充分反应;接下来用DI水清洗晶圆表面,最后旋转晶圆进行甩干。本文以分立器件产品的实例和对应的设备类型，分析了其中一种气泡不良现象发生的原因，并提出了对应的改进措施，供大家参考。[3]
2 失效分析及改善
本文涉及一种分立器件，功率肖特基二极管。该产品在进行封装测试过程中，被检测出失效率偏高，经过对失效样品的分析发现，失效的原因是芯片势垒区域的氧化层残留导致。因为此产品的势垒层工艺被高度怀疑，并经过工程师在线检测，发现了导致该氧化层残留的原因，就是显影工序的气泡所致。经过工程团队的集思广益，我们对产生该失效的方方面面的因素进行排查，发现硬件及软件设置上的一些隐患，并逐一采用了改善措施，杜绝了此类问题的再发生。
2.1问题描述和失效分析
本文涉及的功率肖特基二极管为平面结构的功率肖特基二极管，其剖面结构如图1所示。芯片中间最大面积的区域是肖特基势垒区域。该区域内，金属或金属硅化物与N型掺杂的半导体之间形成肖特基势，该势垒高度跟金属和对应的N型半导体的功函数的差强相关。[4]
图1 平面结构功率肖特基二极管的剖面示意图
对失效的功率肖特基二极管进行失效分析发现，势垒区存在异常的氧化层残留，如图2~4所示。该处残留的氧化层区域未形成正常的肖特基势垒，在器件反向偏置时，半导体区域的耗尽层宽度加大，而该处氧化层残留的边缘会出现电场的集中，直至漏电持续加大而失效。
图2 正常特性曲线
图3 异常特性曲线
图4 失效分析后的芯片
通过对在线工艺过程的仔细排查，在加工到氧化层腐蚀那一层的显影工序，发现了异常。该异常区域的光刻胶因为存在气泡，导致光刻胶未被显影液腐蚀，残留了下来。如图5所示
图5 显影工序发现的气泡型异常（简称为气泡）
2.2 根本原因分析及实验
如前所述的气泡异常，导致了严重的显影异常和产品失效，务必尽快找到根本原因并加以改善。通过对显影系统的仔细分析，我们为该气泡异常的发生建立了多个失效模式，这些模式都可能发生并且有必要采取相应的预防措施，也就是健全或完善这个步骤的FMEA（失效模式及效果分析）。本文所述的异常现象发生在TEL公司的Mark II型显影机上，该机器采用的显影液碰头为E2型碰头，但本文所分析的原因及相关措施，对其他类型的显影设备或不同类型的显影液碰头，都有普遍的参考价值。本文所述的显影系统简要示意图，如图6所示。
图6 显影系统简图
首先，通过对生产过程中的晶圆的检查，在显影后的晶圆上发现了气泡，在这个显影系统中距离晶圆最近的碰头是否有可能引入气泡呢
回吸正常的喷头 回吸异常的喷头（带气泡）
本文所做的实验分析中，回吸情况基本正常（注：因E2型喷头包含的喷嘴比较多，逐一检查每个喷嘴的回吸情况为设备调试时重要的位置参数，这里不在赘述）。通过恶化实验，的确发现，该气泡的发生与回吸状态有关。实验数据如下：
3 效果确认
经过团队的努力，我们对显影液喷头的回吸量控制方法，气动阀门的检查及性能判断，过滤器检查及更换等方面积累的必要的经验，在设备硬件系统和软件设定都达到没有气泡的目的后，我们跟踪了产品的流片过程，都未再发现该类异常，重要的是在产品上也都未检出同样的异常，历经连续3个月的时间考验，我们完整的结束了该客户投诉的8D报告，客户也都给与了充分的肯定。
4 结论
本文针对半导体制造工序中的某个微小组成部分的个别现象进行了详细的解剖和分析，同时，工程人员针对该问题的措施都实施后，几个月以来都未发现如文中2.1所述的失效现象，进一步维护了公司产品的质量信誉。
同时，该文中所列的分析过程，也可做为同行从业人员面临相同问题的参考。具体到各自的问题点上，大概都会有不同的产生原因，但是大体的思路都基本相同。
半导体制造当属制造业中的技术含量最高的一种，制造业皇冠上的明珠。希望本文能够抛砖引玉， 触发制造领域内的同行们广泛交流信息，推动行业的发展更加快速，为《中国制造2025》的实施过程贡献这个行业应当具备的领头羊作用。
参考文献:
[1]庄同曾 集成电路制造技术---原理与实践 北京：电子工业出版社，1987.
[2]庄达人 VLSI制造技术 台湾：高立图书有限公司，2005.
[3]刘学平 朱珂 半导体制造领域显影工艺及显影喷嘴的发展，机械工程与自动化， 2017年10月.
[4]Donald A.Neamen. Semiconductor Physics and Devices，电子工业出版社，2005.2.
论文作者:刘闯,
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/11
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