集成电路工艺原理.docx

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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