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集成电路工艺原理
“集成电路工艺原理”集成电路工艺原理
复习
2
第一章导论
半导体产业
3
11引言1.1引言
p微电子学:
Microelectronics-微型电子学
微电子学是研究在固体(主要是半导体)材料上构
成的微小型化电路及系统的电子学分支
p微电子学:
Microelectronics微型电子学
成的微小型化电路及系统的电子学分支。
电
子
学
4
核心:
集成电路。
微电子学
11引言1.1引言
集成电路:
ICIntegratedCircuit
通过一系列特定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源
件容等件连
集成电路:
IC,IntegratedCircuit
器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互连,
“集成”在一块半导体单晶片(如Si、GaAs)上,封装
在个外壳内执行特定电路或系统功能在一个外壳内,执行特定电路或系统功能。
封装后的
集成电路
5
11特征尺寸
CommonICFeatures
1.1特征尺寸
ContactHole
LineWidthSpace
关键尺寸(CD):
集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。
它是衡量集成电路设计和制造水平的重要尺度,关键尺寸越小,
6
它是衡量集成电路设计和制造水平的重要尺度,关键尺寸越小,
芯片的集成度越高,速度越快,性能越好
11特征尺寸1.1特征尺寸
关键尺寸(CD)的发展
7
11特征尺寸
晶体管集成数量的发展
1.1特征尺寸
1971年,Intel的第一个微处理器4004:
10微米工艺,仅包含2300多只晶体管;
8
2010年,Intel的最新微处理器Corei7:
32纳米工艺,包含近20亿只晶体管。
12摩尔定律
TheMoore’sLaw-摩尔定律
1.2摩尔定律
Moore定律是在
1965年由INTEL公司
的GdM提的GordonMoore提
出的,其内容是:
硅
集成电路按照4年为集成电路按照年为
一代,每代的芯片集
成度要翻两番、工艺
线宽约缩小30%IC线宽约缩小30%,IC
工作速度提高1.5倍
等发展规律发展。
主要有以下三种"版本":
1、芯片上所集成的晶体管的数目,每隔18个月就翻一番。
、微处理器的性能每隔个月提高一倍,而价格下降一倍。
9
2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍,而价格下降一倍。
3、用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18个月翻两番。
13硅片尺寸1.3硅片尺寸
硅片尺寸(WaferSize)的发展
2008年
片尺寸的发展
2000年
1992年
1987年
年1981年
1975年
1965年1965年
10
50mm100mm125mm150mm200mm300mm450mm
2吋4吋5吋6吋8吋12吋18吋
14半导体产业发展趋势1.4半导体产业发展趋势
SiP+3D集成
融合
11
ITRS国际半导体技术蓝图
14MoreMoore1.4MoreMoore
“MoreMoore”-芯片特征尺寸的不断缩小。
l从几何学角度指的是为了提高密度性能和可靠性在晶圆水平和l从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和
垂直方向上的特征尺寸的继续缩小
l与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影
12
关结构改善等非几何学技术新材料用来
响晶圆的电性能。
14MoreMoore
MoreMoore
1.4MoreMoore
High-K材料:
高介电常数,取代SiO
2作栅介质,降低漏电。
High-K材料相对介电常数为25左右,甚至可以到37。
13
g
Low-K材料:
低介电常数,减少铜互连导线间的电容,提
高信号速度。
Low-K材料相对介电常数在3左右。
14
ITRS国际半导体技术蓝图
14MoreThanMoore1.4MoreThanMoore
More
Than
Moore
功能多样化的“MoreThanMoore”指的是用各种方法给最终用户提供附
加价值,不一定要缩小特征尺寸,如从系统组件级向3D集成或精确的封装
15
加价值,不一定要缩小特征尺寸,如从系统组件级向3D集成或精确的封装
级(SiP)或芯片级(SoC)转移。
14MoreThanMoore1.4MoreThanMoore
功率系统集成芯片
(PowerSoCorSiP)
功率器件
16
15集成电路IC企业划分
◎集成电路IC企业大致上可分为以下几类
1.5集成电路IC企业划分
p通用电路生产厂,典型—生产存储器和CPU;
p集成器件制造商(IDM-IntegratedDeviceManufactoryp集成器件制造商(IDMIntegratedDeviceManufactory
Co.),从晶圆之设计、制造到以自有品牌行销全球
皆一手包办,如Intel,Mortorola;
pFoundry厂,标准工艺加工厂或称专业代工厂商,
如TSMC、SMIC;
pFabless:
IC设计公司,只设计不生产。
如AMD;
pChipless:
既不生产也不设计芯片,而是设计IP内
核授权给半体公使如核,授权给半导体公司使用。
如RAM(Advanced
RISCMachines);
pFbli轻晶片厂有少量晶圆制造厂的IC公司
17
pFablite:
轻晶片厂,有少量晶圆制造厂的IC公司。
第二章
硅和硅片的制备
18
21半导体级硅2.1半导体级硅
SiHCl
3
Polycrystalline
siliconrod多晶硅棒
ü西门子工艺提纯的
材料有很高纯度:
siliconrod多晶硅棒
99.9999999%(共9个9);
ü没有按照希望的晶体
顺序排列原子还不顺序排列原子,还不
能直接使用。
SGS的西门子反应器
19
SGS的西门子反应器
22晶体结构-多晶和单晶结构2.2晶体结构多晶和单晶结构
多晶结构单晶结构多晶结构
Polycrystallinestructure
单晶结构
Monocrystallinestructure
单晶硅结构:
晶胞重复的单晶结构能够制作工艺和器
件特性所要求的电学和机械性能。
糟糕的晶体结构
和缺陷会导致微缺陷的形成并将影响晶片制备
20
和缺陷会导致微缺陷的形成,并将影响晶片制备
23单晶硅生长-CZ法2.3单晶硅生长CZ法
CZ法(Czochralski切克劳斯基)法(切克劳斯
pCZ法生长单晶硅把熔化的半导体级硅液体变
成有正确晶向并且被掺杂成n或p型的固体硅锭;
p85%以上的单晶硅是采用CZ法生长;以的单晶是采用法长;
p籽晶为所需晶向的单晶硅。
CZ法生长的硅锭
SiliconIngotGrown
byCZMethod
21
23单晶硅生长-CZ单晶炉2.3单晶硅生长CZ单晶炉
Crystalpullerand
Crystalseed
籽晶
Crystalpullerand
rotationmechanism
单晶拉伸与转动机械
Singlecrystalsilicon
Moltenpolysilicon
熔融多晶硅
Singlecrystalsilicon
单晶硅
Heatshield
热屏蔽
Quartzcrucible
石英坩锅
Carbonheatingelement
拉单晶炉
Waterjacket
水套
Carbonheatingelement
碳加热部件
22
CZ拉单晶炉-CZCrystalPuller
23单晶硅生长-CZ单晶炉2.3单晶硅生长CZ单晶炉
p直拉法目的实现均匀掺杂和复p直拉法目的:
实现均匀掺杂和复
制籽晶结构,得到合适的硅锭直径,
限制杂质引入;
p关键参数:
拉伸速率和晶体旋转p关键参数:
拉伸速率和晶体旋转
速度。
300mmSicrystalpuller
23
yp
Photographcourtesyof
KayexCorp.,
24单晶硅生长-区熔法
区熔法(FloatZone)晶体生长气体入口
2.4单晶硅生长区熔法
区熔法(FloatZone)晶体生长气体入口
Gasinlet(inert)
卡盘
Chuck
熔融区
Moltenzone
多晶硅(硅)棒
rod
可移动RF线圈
TravelingRFcoil
RF
p纯度高,含氧量低
p晶圆直径小
籽晶
Seedcrystal
卡盘
Chuck
晶圆直径小
24
惰性气体出口
Inertgasout
Chuck
25硅片制备-晶向选取
常用的硅片
2.5硅片制备晶向选取
常用的硅片
pCMOS电路pCMOS电路
Ptype(Borondoped)
(100)晶向
电阻率:
10~50Ω•cm
pBJTpBJT
(111)晶向
25
第三章
集成电路制造工艺概况
26
31硅片制造厂的分区概述
亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型
3.1硅片制造厂的分区概述
亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型
硅片制造前端
抛光
硅片起始
薄膜
硅片制造前端
抛光
无图形的硅片
薄膜
扩散刻蚀光刻完成的硅片
测试/拣选t
注入
27
32CMOS工艺流程3.2CMOS工艺流程
Passivation
BondPad
IMD1WViaPlug
Metal2
BPSG
WContactPlug
Metal1
PolyGate
Spacer
N
+
SourceN
+
Drain
P
+
Source
P
+
Drain
g
Gate
Oxide
p
SiliconSubstrateP
+
SiliconEpiLayerP
-P
-WellN
-Well
28
ScoSubstate
33CMOS工艺流程3.3CMOS工艺流程
UVlight
Siliconsubstrate
Silicondioxide
oxygen
oxide
photoresist
Mask
exposed
photoresist
exposed
photoresist
CMOS
工艺
流程
Oxidation
(Fieldoxide)
Photoresist
Develop
Photoresist
Coating
Mask-Wafer
AlignmentandExposure
Exposed
Photoresist
流程
中的
主要
polysilicon
Silanegas
Dopantgas
gateoxide
oxygen
oxide
Ionizedoxygengas
photoresist
oxide
IonizedCF
4
gas
oxide
IonizedCCl
4
gas
主要
制造
步骤
Scanning
ion
Polysilicon
Deposition
Oxidation
(Gateoxide)
Photoresist
Strip
Oxide
Etch
Polysilicon
MaskandEtch
步骤
G
SD
topnitride
SD
G
siliconnitride
Contact
holes
SD
Gox
D
G
ion
beam
S
drain
SD
G
Metal
contacts
29
Active
Regions
Nitride
Deposition
Contact
Etch
Ion
Implantation
Metal
Depositionand
Etch
第四章氧化第章氧化
氧化物
30
41二氧化硅的生成方法4.1二氧化硅的生成方法
p热生长:
ü在高温环境里通过外部供给高纯氧气ü在高温环境里,通过外部供给高纯氧气
使之与硅衬底反应,得到一层热生长的
SiO
2。
p淀积:
ü通过外部供给的氧气和硅源,使它们在
腔体中方应,从而在硅片表面形成一层
薄膜。
31
42热氧化生长-化学反应4.2热氧化生长化学反应
氧化的化学反应
p干氧:
Si(固)+O
2(气)->SiO
2
(固)
氧化速度慢氧化层干燥致密均匀性重复性氧化速度慢,氧化层干燥、致密,均匀性、重复性
好,与光刻胶的粘附性好.
p水汽氧化Si(固)+HO(水汽)>p水汽氧化:
Si(固)+H
2
O(水汽)->
SiO
2(固)+H
2(气)
氧化速度快,氧化层疏松,均匀性差,与光刻胶的
粘附性差。
p湿氧:
氧气携带水汽,故既有Si与氧气反应,又
有与水汽反应。
氧化速度、氧化质量介于以上两种
方法之间
32
方法之间。
43二氧化硅的基本特性4.3二氧化硅的基本特性
热SiO
2是无定形的(熔融石英1710℃)
p密度=22gm/cm
3
p密度=2.2gm/cm
3
p分子密度=2.3E22molecules/cm
3
p晶体SiO
2
[Quartz]=2.65gm/cm
3
良的电绝材料作介良好的电绝缘材料(作介质层)
Ø带隙EnergyGap~9eVØ带隙EnergyGap9eV
ØResistivity>1E20ohm-cm(高电阻率)
33
43二氧化硅的基本特性4.3二氧化硅的基本特性
高击穿电场(不容易被击穿)
l>10MV/cm
稳定和可重复的Si/SiO
2界面;
硅表面的生长基本是保形的。
34
43二氧化硅的基本特性4.3二氧化硅的基本特性
v对杂质阻挡特性好
v硅和SiO
2的腐蚀选择特性好(HF等)v硅和SiO
2的腐蚀选择特性好(HF等)
35
43二氧化硅的基本特性
v硅和SiO
2有类似的热膨胀系数
4.3二氧化硅的基本特性
v硅和SiO
2有类似的热膨胀系数
36
44二氧化硅的用途
保护器件免划伤和隔离沾污(钝化)
4.4二氧化硅的用途
保护器件免划伤和隔离沾污(钝化)
nSiO
2是坚硬和无孔(致密)的材料
37
44栅氧电介质
GateOxideDielectric
4.4栅氧电介质
Gateoxide
PolysiliconGate
n-wellp-well
p+Siliconsubstrate
p-Epitaxiallayer
V的调整V
T的调整:
1.阱掺杂浓度
2二氧化硅厚度
38
2.二氧化硅厚度
44掺杂阻挡
OxideLayerDopantBarrier
4.4掺杂阻挡
yp
l作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料
39
44金属间介质层4.4金属间介质层
Metal-2
ILD-3
Metal-1
1ILD
-2gapfillILD-2
LIoxide
ILD-1
n-wellp-well
p+Siliconsubstrate
p-Epitaxiallayer
40
45垫氧化层
氮化硅缓冲层以减小应力(很薄)
4.5垫氧化层
氮化硅缓冲层以减小应力(很薄)
41
46氧化生长模式4.6氧化生长模式
氧化层厚度与消耗掉的硅厚度的关系
2
0SiSiO
NxNx·=·
223223
5010/2210/NcmNcm=´=´2
5.010/2.210/SiSiO
NcmNcm=´=´
0
0.45xx=
42
47氧化速率4.7氧化速率
:
描述氧化物在硅片上生长的快慢:
描述氧化物在硅片上生长的快慢
p氧化物生长模型是由迪尔(Deal)和格罗夫(Grove)
发展的线性抛物线性模型发展的线性一抛物线性模型;
2
()tAtBtt+=+()oxox
tAtBtt+=+
vt为硅片经过t时间后SiO的生长厚度(μm)vt
ox为硅片经过t时间后SiO
2的生长厚度(μm)
vB为抛物线速率系数(μm
2
/h)
vB/A为线性速率系数(μm/h)vB/A为线性速率系数(μm/h)
vt
0为初始氧化层厚度(μm)
v为生成初始氧化层t(μm)所用的时间(h)t
43
v为生成初始氧化层t
o
(μm)所用的时间(h)t
47氧化速率
2
4.7氧化速率
2
()oxox
tAtBtt+=+
氧化层足够氧化层足够
薄时tox很小
厚时tox值大
()t+@t
A
B
t
ox
()t+»tBt
ox
2
44
A
48选择性氧化4.8选择性氧化
®选择性氧化区域是利用SiO
2来实现对硅
表面相邻器件间的电隔离。
p局部氧化工艺LOCOS(Llidtip局部氧化工艺-LOCOS(Localoxidation
ofsilicon)工艺;0.25μm以上工艺常用
p浅槽隔离技术-STI(ShallowTrench
Ilti)工艺025以下工艺常用Isolation)工艺。
0.25μm以下工艺常用
45
48局部氧化工艺
LOCOSProcess
4.8局部氧化工艺
1.Nitridedeposition2.Nitridemask&etch
SiliconNitride
3.Localoxidationofsilicon
SiO
2
growth
Padoxide
(iitilid)
SiO
2
SiO(initialoxide)
4.Nitridestrip
SiO
2
Nitride
Sili
CrosssectionofLOCOSfieldoxide
(Atlthfidiiditil)
Silicon
46
(Actualgrowthofoxideisomnidirectional)
48局部氧化工艺
SelectiveOxidationandBird’sBeakEffect
4.8局部氧化工艺
氮氧化硅,Siliconoxynitride
氮化硅掩蔽氧化
Nitrideoxidationmask
鸟嘴区,Bird’sbeakregion
选择性氧化
Nitrideoxidationmask
选择性氧化
Selectiveoxidation
垫氧化层
Padoxide
Silicondioxide
Padoxide
Siliconsubstrate
p普遍采用SiO
2
/Si
3
N
4覆盖开窗口,进行局部氧化。
问题:
1.存在鸟嘴,氧扩散到Si
3
N
4膜下面生长SiO
2,有
47
题存在鸟嘴氧扩散到34膜下面2有
效栅宽变窄,增加电容;2.缺陷增加。
48浅槽隔离工艺
STIProcess-浅槽隔离工艺
4.8浅槽隔离工艺
1.Nitridedeposition2.Trenchmask&etch
SiliconNitride
3.Sidewalloxidationandtrenchfill
Oxideover
nitride
Padoxide
(initialoxide)
4.Oxideplanarization(CMP)5.Nitridestrip
Oxide
Trenchfilledwith
depositedoxide
Sidewallliner
Silicon
48
Crosssectionofshallow
trenchisolation(STI)
48浅槽隔离工艺4.8浅槽隔离工艺
优点:
u消除了鸟嘴现象;
u表面积显著减少;u表面积显著减少;
u超强的闩锁保护能力;
沟道有侵u对沟道没有侵蚀;
u与CMP兼容。
49
49热氧化生长-氧化生长模式4.9热氧化生长氧化生长模式
SiO
2
/Si界面的电荷积累
OxygenSilicon
2
u距Si/SiO
2界面2nm
以内的Si的不完全氧以内的Si的不完全氧
化是带正电的固定氧
化物电荷区;
Positive
SiO
2
化物电荷区;
对于器件的正常工
作,界面处的电荷堆
Positive
charge
积累
积是不受欢迎的;
通过在氢气或氢一
Silicon
氮混合气中低温450℃
退火,可以减少这种
不可接受的电荷
50
不可接受的电荷。
410热氧化生长-氧化生长模式4.10热氧化生长氧化生长模式
氯化物在氧化中的应用
p在氧化工艺中用含氯气体可以中和界面处的电荷堆p在氧化工艺中用含氯气体可以中和界面处的电荷堆
积,氯离子能扩散进入正电荷层,并形成中性层;
p在热氧化工艺中加入氯化物离子的另一重要优点是
它们能使氧化速率提升10%一15%;它们能使氧化速率提升10%15%;
p氯的存在实际上能固定〔称为俘获)来自炉体、工
艺原材料和处理的可动离子沾污。
51
第五章淀积第五章淀积
表面薄膜的形成-表面薄膜的形成
52
51引言
ULSI硅片上的多层金属化
5.1引言
片的多层属化
Bondingpadmetal
ILD-6
Passivationlayer
多层金化
ILD-4
ILD-5
多层金属化
-MultilayerMetallization
1ILD2fillILD2
ILD-3
指用来连接硅片上高密度堆积器件
的那些金属层和绝缘介质层。
LIoxide
1ILD-2gapfillILD-2
ILD
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