微电子制造原理与技术微电子制造原理与技术第二部分第二部分第二部分 芯片制造原理与技术芯片制造原理与技术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1.薄膜技术2.光刻技术3.互连技术4.氧化与掺杂技术IC中的薄膜OxideNitrideUSGWP-waferN-wellP-wellBPSGp+p+n+n+USGWMetal 2, AlCuP-epiMetal 1, AlCu AlCuSTI浅槽隔离浅槽隔离金属前介金属前介质层质层 or 层层间介质层间介质层1IMD or ILD2抗反射层抗反射层PD1钝化层钝化层2Sidewall spacerWCVDTiN CVD1.薄膜技术l外延Sil介质膜：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l金属膜：Al、Ti 、Cu、Wu、Tal多晶硅l金属硅化物IC中的薄膜1.薄膜技术l作为MOS器件的绝缘栅介质氧化膜的应用例1.薄膜技术SiDopantSiO2SiO2l作为选择性掺杂的掩蔽膜Silicon nitrideSilicon SubstrateSi Oxidel作为缓应力冲层l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半导体应用半导体应用典型的氧化物厚度（典型的氧化物厚度（）栅氧（栅氧（0.18 m工艺）工艺）2060电容器的电介质电容器的电介质5100掺杂掩蔽的氧化物掺杂掩蔽的氧化物4001200依赖于掺杂剂、注入能依赖于掺杂剂、注入能量、时间、温度量、时间、温度STI隔离氧化物隔离氧化物150LOCOS垫氧垫氧200500场氧场氧250015000STI潜槽隔离，潜槽隔离，LOCOS晶体管之间的电隔离，局部氧化晶体管之间的电隔离，局部氧化垫氧垫氧为氮化硅提供应力减小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1.薄膜技术各种成膜技术及材料热氧化法热氧化法蒸发法蒸发法LP-CVD热热CVD法法CVD法法PVD法法SiO2膜等离子等离子CVD溅射法溅射法AP-CVDP-CVDHDP-CVDW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电沉积电沉积Cu膜、Ni膜、Au膜等1.薄膜技术物理气相沉积PVD蒸发法l早期金属层全由蒸发法制备l现已逐渐被溅射法取代l无化学反应lpeq.vap.=10-3Torr,l台阶覆盖能力差l合金金属成分难以控制扩散泵、冷泵P1mTorr可有4个坩锅，装入24片圆片1.薄膜技术l1852年第1次发现溅射现象l溅射的台阶覆盖比蒸发好l辐射缺陷远少于电子束蒸发l制作复合膜和合金时性能更好l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离离子子）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。阴极阴极靶材靶材优点优点：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CVDlTiN化学气相沉积CVD1.薄膜技术lTil硅膜外延硅、多晶硅、非晶硅l介质膜氧化硅氮化硅氮氧化硅磷硅玻璃PSG、BPSGl金属膜W、Cu、Ti、TiN化学气相沉积CVD1.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-CVD1.薄膜技术AP-CVD ：常压化学气相沉积（Atmospheric Pressure CVD）u产量高、均匀性好，可产量高、均匀性好，可用于大尺寸硅片用于大尺寸硅片u主要用于沉积主要用于沉积SiO2和掺和掺杂杂的的SiO2u气体消耗高，需要气体消耗高，需要经常经常清洁反应清洁反应腔腔u沉积膜沉积膜通常台阶覆盖能通常台阶覆盖能力差。力差。 Canon APT 4800 APCVD tools 化学气相沉积AP-CVD1.薄膜技术连续加工的APCVD系统化学气相沉积AP-CVD1.薄膜技术化学气相沉积LP-CVDLP-CVD ：低压化学气相沉积（Low Pressure CVD）1.薄膜技术uSiO2：做层间介质、浅槽隔离的填充物和侧墙u氮化硅：做钝化保护层或掩膜材料u多晶硅：做栅电极或电阻u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-CVDl更低的工艺温度（250450）l对高的深宽比间隙有好的填充能力l优良的粘附能力l高的淀积速率l少的针孔和空洞，高的膜密度l主要用于淀积绝缘层，RF频率通常低于1MHz1.薄膜技术化学气相沉积PE-CVD、HDP-CVDPE-CVD：等离子体增强CVDHDP-CVD：高密度等离子体CVDl沉积金属互连间的绝缘层SiO2：硅烷氧化剂l沉积金属W：WF6+3H2=W+6HFl沉积铜阻挡层TiN：6TiCl4+8NH36TiN+24HCl化学气相沉积PE-CVD、HDP-CVD应用例 ：1.薄膜技术W2.光刻技术是高精密是高精密图形转移图形转移的有效方法的有效方法l光刻光刻光刻的基本过程光刻的基本过程对准和曝光对准和曝光l光学基础光学基础l光刻设备光刻设备l光学增强技术光学增强技术l对准对准先进光刻技术先进光刻技术l刻蚀刻蚀刻蚀工艺刻蚀工艺干法和湿法刻蚀的应用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电子束光刻机采用黄光的光刻室采用黄光的光刻室昂贵的光刻机昂贵的光刻机l光刻机:产量为其成本的6倍才有利润：Intell掩膜版：$1millionl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4050%掩膜版的费用呈指数式增长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（投影光刻机（1X)，分，分辨率辨率 4 m 波长波长320-440 nm. 1976 ：采用：采用G线的线的10倍缩小步倍缩小步进机进机. 1980s：G线向线向I线转变（注：线转变（注：G、I对应高压汞灯的不同特征对应高压汞灯的不同特征谱线，谱线，G线线436nm、I线线365nm ）1995：深紫外应用于：深紫外应用于0.25m技技术，并延续了术，并延续了4代技术代技术现在：现在：193nm, 157nm ，EUV 尺寸缩小依赖于光刻技术的发展1.接触式光刻机2.接近投影光刻机3.投影光刻机4.第1个G线步进机5.先进G线步进机6.第1个I线步进机7.先进I线步进机8.深紫外步进机2.光刻技术曝光光源与其解像度大致有如下关系l365nm线能刻出 0.250.35nm线宽; l248nm线能刻出 0.130.18nm线宽;l193nm线能刻出 0.100.13nm线宽; l157nm线能刻出 0.07nm线宽;l13nm线能刻出 0.05nm线宽; l X光能刻出 0.10nm以下线宽;l电子束能刻出 0.10.2nm线宽; l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.光刻技术底膜涂覆底膜涂覆脱水烘焙脱水烘焙Wafer处理腔处理腔Primer Layer1）气相成底膜处理WaferHot PlateHot PlateHMDS Vapor增强硅片和光刻胶之间的粘附性2.光刻技术l将光刻胶均匀地涂敷在硅片表面l膜厚符合设计要求（1m)，膜厚均匀(25nm)，胶面上看不到干涉花纹；l胶层内无点缺陷（针孔等）；l涂层表面无尘埃，碎屑等；l膜厚：T1/1/2,为转速，转/分钟。2.光刻技术2）旋转涂胶P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistPrimerSpindlePR dispenser nozzleChuckWaferTo vacuum pump2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2）旋转涂胶l边圈：光刻胶在硅片边缘和背面的隆起l干燥时，边圈将剥落，产生颗粒l旋转涂胶器配置了边圈去除装置（EBR）l在旋转的硅片底部喷出少量溶剂l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去除边圈WaferEdge Bead2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpChuckWaferSolvent去除边圈去除边圈2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTo vacuum pumpChuckWaferSolvent去除边圈去除边圈2.光刻技术2）旋转涂胶P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist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P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistGate Mask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Gate MaskP-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist2.光刻技术4）对准和曝光P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist减小驻波，减少剩余溶剂252.光刻技术5）曝光后烘烤P-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技术6）显影VacuumDeveloperWaferChuckWater sleeveDrainDI water2.光刻技术6）显影负胶：未曝光区域溶解l图形和掩膜版相反l几乎不需要化学反应，显影液为有机溶剂l清洗去除显影液：丁基醋酸盐、乙醇l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l图形和掩膜版相同l显影液和光刻胶之间有化学反应l显影液：稀释的NaOH、KOH、四甲基氢氧化铵0.2-0.3g/ll0.26当量浓度成为显影标准工艺2.光刻技术6）显影P-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技术7）HardBake坚膜P-WellUSGSTIPolysiliconPR此时出现问题还可以返工2.光刻技术8）先影后检查u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。u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u图形从光刻胶转移到晶圆上u干法和湿法2.光刻技术刻蚀技术l刻蚀工艺l干法刻蚀l湿法刻蚀：应用l化学机械抛光l去除光刻胶l质量检测2.光刻技术刻蚀技术的主要工艺l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l干法刻蚀：等离子体，亚微米以下的主要工艺吸附吸附扩散到表面扩散到表面解吸附解吸附扩散到对流层扩散到对流层等离子体等离子体产生刻蚀物质产生刻蚀物质16523Film反应反应边界层边界层副产物副产物离子轰击离子轰击4气流气流2.光刻技术干法刻蚀技术-等离子体刻蚀u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。u完整地把掩膜图形复制到硅片表面上u采用等离子体：u中性、高能量、离子化的气体u包含中性原子或分子、带电离子、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l刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制l好的关键尺寸控制l最小的光刻胶脱落或粘附问题l片内、片间、批次间的刻蚀均匀性l较低的化学制品使用和处理费用干法刻蚀缺点l对下层材料的差的刻蚀选择比l等离子体带来的器件损伤l昂贵的设备。2.光刻技术深反应离子刻蚀DRIE的应用l高选择比l各向异性l化学反应和物理离子轰击l离子不是主要的刻蚀物质l离子辅助刻蚀2.光刻技术刻蚀多晶硅形成栅极P-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技术刻蚀在CMOS技术中的应用P-WellUSGSTIPRPRPolysilicon刻蚀多晶硅形成栅极2.光刻技术刻蚀在CMOS技术中的应用P-WellUSGSTIGate OxidePolysiliconPR刻蚀多晶硅形成栅极2.光刻技术刻蚀在CMOS技术中的应用P-WellUSGSTIGate OxidePolysilicon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CMPl全局平坦化，CMPl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lCMP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l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P-waferN-WellP-WellSTIn+n+USGp+p+Metal 1, AlCuBPSGWP-epiTiSi2TiN, ARCTi/TiN2.互连技术铜互连P-EpiP-WaferN-WellP-Welln+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta or TaNTi/TiNSiNCuCuFSG2.互连技术多层互连：层间介质层隔离去除后的形貌2.互连技术为什么要多层互连Cell size with 1 layer metal减小芯片尺寸！减小芯片尺寸！2.互连技术金属化的要求u低电阻u与器件的电学接触：欧姆或肖特级接触u台阶的覆盖性u刻蚀方法（刻蚀、CMP？）u热、机械稳定性u可靠性：电迁移2.互连技术u电路延时正比于互连线长度的平方u全局互连Al，Cuu局部互连(短，电阻要求不高）u多晶硅，10-4，可以经受高温，u硅化物WSi2,TaSi2,MoSi2,TiSi。Al互连l130nm以上工艺以上工艺l溅射溅射Al膜膜l干法刻蚀铝膜干法刻蚀铝膜l存在问题存在问题Al钉钉电迁移电迁移电阻高电阻高2.互连技术铝钉现象450C，硅扩散到，硅扩散到Al中中577C， 1.59at Al-Si共晶共晶硅向铝中扩散，形成孔隙，退火时，形成铝钉2.互连技术电迁移l电迁移：大电流密度下（IC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lAl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electronCathodeAnodeeFailureee电迁移测试结构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(a) 小丘的生长(b) 晶须的桥接(c) 物质的堆积与耗散Al引线的电迁移现象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u刻蚀困难只能采用Damance电镀工艺u与硅和SiO2反应u粘附性差u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FSGCuFSGCuSiNFSG1 1）刻蚀沟槽和通孔）刻蚀沟槽和通孔2.互连技术在布线的地方挖好沟道在布线的地方挖好沟道TaFSGCuCuCuFSGFSGSiN阻挡铜的扩散，提高结合力：阻挡铜的扩散，提高结合力：Ti, TiN, Ta, TaN, W, WNCu 种籽层：种籽层： 500 2000 (PVD)，电镀成核位置，电镀成核位置2 2）阻挡层和种子层淀积）阻挡层和种子层淀积铜互连基本工艺2.互连技术FSGCuSiNTaFSGCuCuFSGBottom up生长方式生长方式 3 3）电镀铜）电镀铜铜互连基本工艺2.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FSGCuSiNTaFSGCuCuSiN4 4）化学机械研磨（）化学机械研磨（CMPCMP），），CVDCVD淀积钽淀积钽, ,氮化硅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双镶嵌工艺：同时形成互连线和通孔填充N-WellP-WellP+P+N+N+IMD 1LinerIMD2 M2M1V1u提高硅的导电性u在硅中加入必要元素的过程掺杂u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u离子注入的掩模通常是光刻胶，也可以是其他u掺杂区的类型可以和硅片不同也可以类型相同，浓度不同u掺杂方法：热扩散、离子注入4.掺杂技术用途4.掺杂技术热扩散法热扩散法离子注入法离子注入法半导体类型掺杂元素化合物源状态（常温下）N型SbSb2O3固态AsAs2O3固态AsH3气态PPOCl3液态PH3气态P型BBBr3液态B2H6气态BCl3气态BN固态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 Silicon4.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结深：扩散的杂质浓度等于衬底杂质浓度时的深度u遵循菲克定律u不同杂质扩散的机制不同：填隙型、空位型u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u各向同性过程u不能同时控制结深和掺杂浓度u浓度受固溶度限制u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 ExhaustProcess TubeWafer BoatPaddleProcess gasesWafers温度控制：温度控制： 0.5 0.5 C C，清洗，清洗：HFHF，等离子体，等离子体热扩散设备4.掺杂技术离子注入Poly Sin+P-type Siliconn+SiO2P+4.掺杂技术u离子注入通过高压离子轰击把杂质引入硅片u离子能量5keV200keVu物理过程u杂质可控数量10111018cm-2)，误差2，u分布可控：控制静电场来控制穿透深度u低温工艺、无固溶度限制u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PRSiO2SiSi掺杂区域掺杂区域结深结深离子注入4.掺杂技术离子注入系统4.掺杂技术l最典型应用举例最典型应用举例阱区掺杂阱区掺杂阈值电压调节阈值电压调节源漏注入源漏注入l先进制造中离子注入的应用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