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1、微电子制造原理与技术第二部分 芯片制造原理与技术,李 明,材料科学与工程学院,芯片发展历程与莫尔定律晶体管结构与作用芯片微纳制造技术,主要内容,薄膜技术光刻技术互连技术氧化与掺杂技术,IC中的薄膜,Oxide,Nitride,USG,W,P-wafer,N-well,P-well,BPSG,p,+,p,+,n,+,n,+,USG,W,Metal 2,AlCu,P-epi,Metal 1,AlCu,AlCu,STI,浅槽隔离,金属前介质层 or 层间介质层1,IMD or ILD2,抗反射层,PD1,钝化层2,Sidewall spacer,WCVD,TiN CVD,1.薄膜技术,外延Si介质膜
2、：场氧化、栅氧化膜、USG、BPSG、PSG、层间介质膜、钝化膜、high k、low k、浅槽隔离金属膜：Al、Ti、Cu、Wu、Ta多晶硅金属硅化物,IC中的薄膜,1.薄膜技术,作为MOS器件的绝缘栅介质,氧化膜的应用例,1.薄膜技术,作为选择性掺杂的掩蔽膜,作为缓应力冲层作为牺牲氧化层，消除硅表面缺陷,1.薄膜技术,氧化膜的应用例,STI潜槽隔离，LOCOS晶体管之间的电隔离，局部氧化垫氧为氮化硅提供应力减小,氧化膜的应用例,1.薄膜技术,薄膜材料及性能的要求,厚度均匀性台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力高纯度和高密度化学剂量结构完整性和低应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的粘附性,
3、1.薄膜技术,各种成膜技术及材料,SiO2膜,W膜、高温氧化膜多结晶Si膜、Si3N4膜,有机膜、SiO2膜非晶态Si膜,SiO2膜、氮化膜、有机膜,SiO2氧化膜,氧化膜、金属膜等,Al膜、Cu膜、Ti膜、TiN膜、W膜,CVD：Chemical Vapor Deposition AP-CVD：Atmospheric Pressure CVDPVD：Physical Vapor Deposition P-CVD：Plasma CVDLP-CVD：Low Pressure CVD HDP-CVD：High Density Plasma CVD,Cu膜、Ni膜、Au膜等,1.薄膜技术,物理气相沉
4、积PVD蒸发法,早期金属层全由蒸发法制备现已逐渐被溅射法取代无化学反应peq.vap.=10-3 Torr,台阶覆盖能力差合金金属成分难以控制,扩散泵、冷泵P 1mTorr可有4个坩锅，装入24片圆片,1.薄膜技术,1852年第1次发现溅射现象溅射的台阶覆盖比蒸发好辐射缺陷远少于电子束蒸发制作复合膜和合金时性能更好是目前金属膜沉积的主要方法,物理气相沉积PVD溅射法,1.薄膜技术,高能粒子（Ar离子）撞击具有高纯度的靶材料固体平板，撞击出原子。这些原子再穿过真空，淀积在硅片上凝聚形成薄膜。,阴极靶材,优点：,具有保持复杂合金原组分的能力 能够沉积难熔金属；能够在大尺寸硅片上形成均匀薄膜；可多腔
5、集成，有清除表面与氧化层能力；有良好台阶覆盖和间隙填充能力。,1.薄膜技术,物理气相沉积PVD溅射法,化学气相沉积CVD,通过化学气相反应形成薄膜的一种方法,1.薄膜技术,1.薄膜技术,例：外延硅、多晶硅、非晶硅,化学气相沉积CVD,TiN,化学气相沉积CVD,1.薄膜技术,Ti,硅膜外延硅、多晶硅、非晶硅介质膜氧化硅氮化硅氮氧化硅磷硅玻璃PSG、BPSG金属膜W、Cu、Ti、TiN,化学气相沉积CVD,1.薄膜技术,适用范围广泛（绝缘膜、半导体膜等），是外延生长的基础,CVD制备的薄膜及采用的前驱体,1.薄膜技术,化学气相沉积CVD,最早的CVD工艺、反应器设计简单APCVD发生在质量输运限
6、制区域允许高的淀积速度,1000Amin，一般用于厚膜沉积APCVD的主要缺点是颗粒的形成,化学气相沉积AP-CVD,1.薄膜技术,AP-CVD：常压化学气相沉积（Atmospheric Pressure CVD）,产量高、均匀性好，可用于大尺寸硅片主要用于沉积SiO2和掺杂的SiO2气体消耗高，需要经常清洁反应腔沉积膜通常台阶覆盖能力差。,Canon APT 4800 APCVD tools,化学气相沉积AP-CVD,1.薄膜技术,连续加工的APCVD系统,化学气相沉积AP-CVD,1.薄膜技术,化学气相沉积LP-CVD,LP-CVD：低压化学气相沉积（Low Pressure CVD）,1
7、.薄膜技术,SiO2：做层间介质、浅槽隔离的填充物和侧墙氮化硅：做钝化保护层或掩膜材料多晶硅：做栅电极或电阻氧化氮化硅：兼有氧化硅和氮化硅的优点，改善了热稳定性、抗断裂能力、降低膜应力,1.薄膜技术,化学气相沉积LP-CVD,更低的工艺温度（250450）对高的深宽比间隙有好的填充能力优良的粘附能力 高的淀积速率 少的针孔和空洞，高的膜密度主要用于淀积绝缘层，RF频率通常低于1MHz,1.薄膜技术,化学气相沉积PE-CVD、HDP-CVD,PE-CVD：等离子体增强CVDHDP-CVD：高密度等离子体CVD,沉积金属互连间的绝缘层SiO2：硅烷氧化剂沉积金属W：WF6+3H2=W+6HF沉积铜
8、阻挡层TiN：6TiCl4+8NH36TiN+24HCl,化学气相沉积PE-CVD、HDP-CVD,应用例：,1.薄膜技术,W,2.光刻技术,是高精密图形转移的有效方法,光刻光刻的基本过程对准和曝光光学基础光刻设备光学增强技术对准先进光刻技术刻蚀刻蚀工艺干法和湿法刻蚀的应用,通过光刻技术进行图形转移的基本过程,2.光刻技术,2.光刻技术,是微电子制造的关键技术：最复杂、昂贵,2.光刻技术,电子束光刻机,采用黄光的光刻室,昂贵的光刻机,光刻机:产量为其成本的6倍才有利润：Intel掩膜版：$1million光刻区洁净度要求最高、灯光昏黄,占总工艺费用的30，总工艺时间的40 50%,掩膜版的费用
9、呈指数式增长Mask 自1995年开始成为关键技术，可以实现亚波长光刻，如248nm的光源用于130nm技术,2.光刻技术,1973:投影光刻机（1X)，分辨率 4 m 波长320-440 nm.1976：采用G线的10倍缩小步进机.1980s：G线向I线转变（注：G、I对应高压汞灯的不同特征谱线，G线436nm、I线365nm）1995：深紫外应用于0.25m技术，并延续了4代技术现在：193nm,157nm，EUV,尺寸缩小依赖于光刻技术的发展,接触式光刻机接近投影光刻机投影光刻机第1个G线步进机先进G线步进机第1个I线步进机先进I线步进机深紫外步进机,2.光刻技术,曝光光源与其解像度大致
10、有如下关系,365nm线能刻出 0.250.35nm线宽;248nm线能刻出 0.130.18nm线宽;193nm线能刻出 0.100.13nm线宽;157nm线能刻出 0.07nm线宽;13nm线能刻出 0.05nm线宽;X光能刻出 0.10nm以下线宽;电子束能刻出 0.10.2nm线宽;离子束能刻出 0.08nm左右线宽。,2.光刻技术,图形转移光刻工艺的8个基本步骤,1）气相成底膜处理2）旋转涂胶3）软烘4）对准和曝光5）曝光后烘焙6）显影7）坚膜烘焙7）显影后检查,2.光刻技术,底膜涂覆,脱水烘焙,Wafer,处理腔,Primer Layer,1）气相成底膜处理,Wafer,Hot
11、Plate,Hot Plate,HMDS Vapor,增强硅片和光刻胶之间的粘附性,2.光刻技术,将光刻胶均匀地涂敷在硅片表面膜厚符合设计要求（1m)，膜厚均匀(25nm)，胶面上看不到干涉花纹；胶层内无点缺陷（针孔等）；涂层表面无尘埃，碎屑等；膜厚：T1/1/2,为转速，转/分钟。,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,PR dispenser nozzle,Chuck,Wafer,To vacuum pump,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术
12、,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chu
13、ck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum
14、pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,PR dispenser nozzle,Chuck,PR suck back,Wafer,2.光刻技术,2）旋转涂胶,边圈：光刻胶在硅片边缘和背面的隆起干燥时，边圈将剥落，产生颗粒旋转涂胶器配置了边圈去除装置（EBR）在旋转的硅片底部喷出少量溶剂丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐，或乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐,去除边圈,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,Chuck,Wafer,Solvent
15、,去除边圈,2.光刻技术,2）旋转涂胶,Spindle,To vacuum pump,Chuck,Wafer,Solvent,去除边圈,2.光刻技术,2）旋转涂胶,去除光刻胶中的溶剂，提高粘附性，提高均匀性,2.光刻技术,3）软烘,最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率,2.光刻技术,4）对准和曝光,2.光刻技术,4）对准和曝光,减小驻波，减少剩余溶剂25,2.光刻技术,5）曝光后烘烤,2.光刻技术,6）显影,Vacuum,Developer,Wafer,Chuck,Water sleeve,Drain,DI water,2.光刻技术,6）显影,负胶：未曝光区域溶解图形和掩膜版相反几乎不需要化
16、学反应，显影液为有机溶剂清洗去除显影液：丁基醋酸盐、乙醇问题：交联光刻胶在显影和清洗过程中吸收显影液而膨胀变形，是负胶不能用于2微米以下光刻的主要原因,2.光刻技术,6）显影,正胶：曝光区域溶解图形和掩膜版相同显影液和光刻胶之间有化学反应显影液：稀释的NaOH、KOH、四甲基氢氧化铵0.26当量浓度成为显影标准工艺,2.光刻技术,6）显影,2.光刻技术,7）Hard Bake坚膜,此时出现问题还可以返工,2.光刻技术,8）先影后检查,刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀。选择性地刻蚀掉未被保护的区域图形从光刻胶转移到晶圆
17、上干法和湿法,2.光刻技术,刻蚀技术,刻蚀工艺干法刻蚀湿法刻蚀：应用化学机械抛光去除光刻胶质量检测,2.光刻技术,刻蚀技术的主要工艺,湿法腐蚀：液体化学试剂（酸、碱和溶剂）以化学方式去除硅片表面的材料。用于大于3微米的刻蚀干法刻蚀：等离子体，亚微米以下的主要工艺,吸附,扩散到表面,解吸附,扩散到对流层,等离子体,产生刻蚀物质,1,6,5,2,3,Film,反应,边界层,副产物,离子轰击,4,气流,2.光刻技术,干法刻蚀技术-等离子体刻蚀,在半导体生产中，干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。完整地把掩膜图形复制到硅片表面上采用等离子体：中性、高能量、离子化的气体包含中性原子或分子、带电
18、离子、自由电子、分离的原子或分子（基）,2.光刻技术,干法刻蚀技术-等离子体刻蚀,干法刻蚀的优点,刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制好的关键尺寸控制最小的光刻胶脱落或粘附问题片内、片间、批次间的刻蚀均匀性较低的化学制品使用和处理费用,干法刻蚀缺点,对下层材料的差的刻蚀选择比等离子体带来的器件损伤昂贵的设备。,2.光刻技术,深反应离子刻蚀DRIE的应用,高选择比各向异性化学反应和物理离子轰击离子不是主要的刻蚀物质离子辅助刻蚀,2.光刻技术,刻蚀多晶硅形成栅极,2.光刻技术,刻蚀在CMOS技术中的应用,刻蚀多晶硅形成栅极,2.光刻技术,刻蚀在CMOS技术中的应用,刻蚀多晶硅形成栅极,2.
19、光刻技术,刻蚀在CMOS技术中的应用,刻蚀多晶硅形成栅极,2.光刻技术,刻蚀在CMOS技术中的应用,刻蚀技术的应用化学机械抛光CMP,全局平坦化，CMP最初用于互连平坦化，现在也用于器件隔离工艺，无划伤、无玷污CMP没有终点指示，必须开发有高选择比的工艺或达到高度重复的抛光速率 机械研磨、腐蚀剂、磨料,2.光刻技术,金属化？器件之间以及器件与外部之间的连接互连局域互连：栅极互连，多晶硅，硅化物层间互连：W塞plugs，通孔Vias等封装级别互连：长程互连Cu、Al、mm量级,2.互连技术,CMOS中的金属化,2.互连技术,铜互连,2.互连技术,多层互连：层间介质层隔离去除后的形貌,2.互连技术
20、,为什么要多层互连,减小芯片尺寸！,2.互连技术,金属化的要求,低电阻与器件的电学接触：欧姆或肖特级接触台阶的覆盖性刻蚀方法（刻蚀、CMP？）热、机械稳定性可靠性：电迁移,2.互连技术,电路延时正比于互连线长度的平方全局互连Al，Cu局部互连(短，电阻要求不高）多晶硅，10-4，可以经受高温，硅化物WSi2,TaSi2,MoSi2,TiSi。,Al互连,130nm以上工艺溅射Al膜干法刻蚀铝膜存在问题Al钉电迁移电阻高,2.互连技术,铝钉现象,450C，硅扩散到Al中577C，1.59at Al-Si共晶,硅向铝中扩散，形成孔隙，退火时，形成铝钉,2.互连技术,电迁移,电迁移：大电流密度下（I
21、C中电流密度可达105A/cm2），金属在电子碰撞下发生迁移，正极附近聚集，负极附近出现空洞Al电迁移Al中加入14Cu减少Al中的晶粒边界扩散效应加一层Ti，TiN，W减少电迁移W做一层互连金属：局部互连,2.互连技术,Cathode,Anode,e,电迁移测试结构,电迁移使导线断路或短路，从而引起IC失效。具体表现为：在互连引线中形成空洞，增加了电阻 空洞长大，最终贯穿互连引线，形成断路 在互连引线中形成晶须，造成层间短路 晶须长大，穿透钝化层，产生腐蚀源,2.互连技术,互连和门延迟,2.互连技术,铜互连,Cu：电阻率低、抗电迁移强，130nm以下使用,2.互连技术,刻蚀困难只能采用Dam
22、ance电镀工艺与硅和SiO2反应粘附性差需要阻挡层，WN，Ta，TaN。,铜互连,2.互连技术,芯片上Damance电镀铜互连工艺示意图,铜互连基本工艺,FSG,Cu,FSG,Cu,SiN,FSG,1）刻蚀沟槽和通孔,2.互连技术,在布线的地方挖好沟道,Ta,FSG,Cu,Cu,Cu,FSG,FSG,SiN,阻挡铜的扩散，提高结合力：Ti,TiN,Ta,TaN,W,WNCu 种籽层：500 2000(PVD)，电镀成核位置,2）阻挡层和种子层淀积,铜互连基本工艺,2.互连技术,FSG,Cu,SiN,Ta,FSG,Cu,Cu,FSG,Bottom up生长方式,3）电镀铜,铜互连基本工艺,2.
23、互连技术,抑制剂 S：抑制铜的生长，主要在TSV孔表面与侧壁吸附，加速剂 A：加速铜的生长，主要在TSV孔底吸附,镀铜填充的基本原理,铜互连基本工艺,2.互连技术,铜互连基本工艺,2.互连技术,镀铜填充的实际效果,FSG,Cu,SiN,Ta,FSG,Cu,Cu,SiN,4）化学机械研磨（CMP），CVD淀积钽,氮化硅,铜互连基本工艺,2.互连技术,铜互连基本工艺,2.互连技术,双镶嵌工艺：同时形成互连线和通孔填充,提高硅的导电性在硅中加入必要元素的过程掺杂掺杂区：掺杂物通过硅片上的掩模窗口进入硅的晶体结构区离子注入的掩模通常是光刻胶，也可以是其他掺杂区的类型可以和硅片不同也可以类型相同，浓度不
24、同掺杂方法：热扩散、离子注入,4.掺杂技术,用途,4.掺杂技术,将气化的掺杂元素离子化，并通过加速器获得高速度，打向硅片，实现掺杂。特点：掺杂层薄，浓度和厚度易控制，但需要热处理,掺杂方法与种类,热扩散掺杂示意图,掺杂物质,Silicon,4.掺杂技术,掺杂物质,Silicon,结深,结深：扩散的杂质浓度等于衬底杂质浓度时的深度,遵循菲克定律不同杂质扩散的机制不同：填隙型、空位型根据不同的边界条件，分为预淀积扩散和推进扩散，对应不同的结深各向同性过程不能同时控制结深和掺杂浓度浓度受固溶度限制超浅结制备困难,热扩散掺杂技术,4.掺杂技术,卧式系统的石英管,To Exhaust,Process T
25、ube,Wafer Boat,Paddle,Process gases,Wafers,温度控制：0.5 C，清洗：HF，等离子体,热扩散设备,4.掺杂技术,离子注入,Poly Si,n+,P-type Silicon,n+,SiO2,P+,4.掺杂技术,离子注入通过高压离子轰击把杂质引入硅片离子能量5 keV200 keV物理过程杂质可控数量10111018 cm-2)，误差2，分布可控：控制静电场来控制穿透深度低温工艺、无固溶度限制生物改良、材料表面处理,离子注入,4.掺杂技术,离子注入和扩散的区别,PR,SiO2,Si,Si,掺杂区域,结深,离子注入,4.掺杂技术,离子注入系统,4.掺杂技术,最典型应用举例阱区掺杂阈值电压调节源漏注入先进制造中离子注入的应用,离子注入应用,4.掺杂技术,小结,薄膜技术光刻技术互连技术氧化与掺杂技术,
