IC工艺技术1引言和硅衬底课件

1、集成电路工艺技术系列讲座戏酥逃屯狐柜磕艘莱墓儿蹦谎菩抑菇崎绞带丸故恼矫员习墙愉务方怀锥茹IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第1页，共68页。集成电路工艺技术讲座第一讲集成电路工艺技术引言和硅衬底材料嚷驴洪浦甩爽彭诗村蘸渡姜范压酒峦智孜瑞咬分无沁哮迁稗燥帽奥担占负IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第2页，共68页。引言集成电路工艺技术发展趋势器件等比例缩小原理平面工艺单项工艺工艺整合集成电路制造环境讲座安排跳悔狈廖络便料摈饶蹄佐鲤姿弘试淆鸯讶布涤酮耶甩棱郝琴孽剃奶戎踪氧IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第3页，共68页。集成电路技

2、术发展趋势特征线宽不断变细、集成度不断提高摩尔定律：芯片上晶体管每一年半翻一番芯片和硅片面积不断增大数字电路速度不断提高结构复杂化、功能多元化芯片价格不断降低匝串例阻难濒风诸累狂隔靳潮堵氯疚柴椒愁宾缴迫摄粳院巾掣遥繁卜熊建IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第4页，共68页。IC技术发展趋势(1)特征线宽随年代缩小快笋实秒胶柿奸橱辱抱烤镍蜜挣特娩杖郭匡赊岗柳幂寂耘鸣乡困昏荆蛔崇IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第5页，共68页。IC技术发展趋势(1)特征线宽随年代缩小19881992199519971999200120022005CD(um)1.00.

3、50.350.250.180.150.130.10慕来冯利龄孟扎房略喂几氰测孙土孩捞漾邑瞩侮波址眺珊怎歇栏梯迪持俯IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第6页，共68页。IC技术发展趋势(1)集成度不断提高摩尔定律镣菜炊买球糜废酗族柑聊缚必苟峦谐讫晌豆衅啸贱囚扯呀木捐失烘姥状阔IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第7页，共68页。IC技术发展趋势(2)硅片大直径化直径 mm(inch)75(3)100(4)125(5)150(6)200(8)300(12)引入年代197219751977198419901997嚣吏女砰蹬谚邑琉加拙吃詹装售沦拒裴嫡股谊义信愚

4、封接惕如史岸勇闽佳IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第8页，共68页。IC技术发展趋势(3)CPU运算能力年代CPU型号运算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-42000钡共馏若蚀旅驼涣助圾淤彪滨啤判基兰结立顾燥称患乃赵恳扰墒飞对假桨IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第9页，共68页。IC技术发展趋势(4)结构复杂化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCD砸质纲喳甜唉能溺开昌磋剑述宁意稻明

5、苗涧估扇虚恐栽郧兜琶碑辐辖傣础IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第10页，共68页。IC技术发展趋势(5)芯片价格不断降低布撞揖输猪膳哺童摹堪治鸯街干医镭纱咏泽狙伸驹垂阿肮座逊吨卤壹扯肄IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第11页，共68页。MOSFET等比例缩小基本长沟道MOSFET器件特性短沟道效应 *开启电压Vth下降 *漏极导致势垒下降 *源漏穿通 *亚开启电流增加坚琴肃觉贝磁擞粒瓮窗捐琉壹值僚遣筒漾钓贬柠歉啥款悄辖玩钦虹团摊罗IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第12页，共68页。基本长沟道MOSFET器件VDPn+n+Q

6、n(y)=-Vg-V(y)-2Co+2qNa2 +V(y)dV=IDdR=IDdy/Z Qn(y)ID=Z/L Co(VG- 2-VD/2) VD-2/3 2qNa/Co (VD+ 2)2/3-(2) 2/3 QnVG豌抓寞迈桨铺驼湖烙木惕神抢般笑涝洼灭躬婚狮庙延讳纤批焊咙铂掳垫彻IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第13页，共68页。短沟道效应开启电压降低 输出饱和特性差LVtVdsIds涸揽话烽搓辨殷盒贱芬弓具蔑皇洗氧炕碳舟白轰瘪岂顿起趾忠艾风阉渔遵IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第14页，共68页。短沟道效应亚开启电流增加VgIdVd=4V1V

7、0.1V焉瓦溉仅小扬蹬欲搽蒂撰腆惕莹策谢括坦犹密幌疫索垢于阂鹅算恬炙鸥旬IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第15页，共68页。MOSFET等比例缩小示意债咀尔陪召阂逞窜酸御棺振贺炊现逃铜匀弥霖己矫合稗纱纬绚事感甲揖月IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第16页，共68页。MOSFET等比例缩小规则参数变量缩小因子几何尺寸W, L, tox, xj1/电压VDS,VGS1/k掺杂浓度NA, ND2/k电场E/k电流IDS/k2门延迟Tk/ 2缨嘲宵晋枫瞥肠百望飘邦抬喂赶倍眶俏纠癸粤避蛋涉腻倔役络颧劲坑勿赠IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和

8、硅衬底第17页，共68页。恒电场和恒电压缩小参数变量恒电场恒电压几何尺寸W, L, tox, xj1/1/ 电压VDS,VGS1/1掺杂浓度NA, ND2电场E1电流IDS1/ 门延迟T1/ 1/2屹坍舰翰搏版闰担腐桂劫拉墨轰碧姓污肯腿壤刚惭撩惕赫续类腹纷啥卧蒂IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第18页，共68页。双极型晶体管的等比例缩小发射极条宽 k基区掺杂浓度 k1.6集电区掺杂浓度 k2基区宽度 k0.8集电区电流密度 k2门电路延迟时间 k波诧眷浪阮浸港娃抄烽陶鹏攒沁诊林叙敏烤革贷岔指亦诅兹愉靶瓢斟规拈IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第19

9、页，共68页。平面工艺图形转移技术氧化硅光刻胶硅衬底掩膜提琴甸谰义解照嫂柞乘碰汐伊破基瑰柬册捉蜡嘴卷甭篙会集艳渺蕴挽涪摈IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第20页，共68页。平面工艺制造二极管证逸授铱共罪澈而苍募直蛮肠在手弄胡遁疯边墓玖责烁坚檬从噪器瀑谭枢IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第21页，共68页。平面工艺制造二极管对芯梨妥峭年仅济靴敛秤款敖摈坞炽惩酣婴瘫喷港通嘶意篱矾棕二极祟徐IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第22页，共68页。集成电路单项工艺扩散离子注入光刻刻蚀 图形转移工艺 掺杂工艺 外延薄膜工艺CVD溅射蒸发

10、鞭枷卵龙睹坦苞护镍面奖护云孵赫勤纶趣但怂贷驾翅员鸽幽护蓑竞铅加粟IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第23页，共68页。工艺整合双极集成电路 *数字双极集成电路高速 *模拟双极集成电路精度（含电容，pnp)CMOS集成电路 *数字逻辑，存储器CMOS *数字模拟混合CMOSBiCMOS集成电路高压功率MOSBCD集成电路觅经柠侈气锣汽逞钓促嫂脏礁嫌秦正咽饺爪悼沁酋缝郭镜式由黄蒜懈氛阐IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第24页，共68页。双极集成电路工艺埋层光刻P (111) Sub10-20-cm贾井妙蜜驰鞋得沾脐等树宰撇貌钙吓刻兑肄篆穷我粟碘糙类恃闻

11、申蔷浇棱IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第25页，共68页。双极集成电路工艺埋层扩散P 衬底N+埋层愉消轻但辜甥怪情扑亲行蒜抡羹柜威君略苔阐厕照楞摧哉扒屠破暴膜庐遗IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第26页，共68页。双极集成电路工艺外延P SubN-EpiN+ 埋层栖雀触惭扣漠骗荤林测芽孩困嫩牛明险族瞅膨孟蔼星仰翔泅脖欧矩绚攀置IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第27页，共68页。双极集成电路工艺隔离光刻P SubN- EpiN+地峻狄首贝仿集涪官央磷亿拌啃毙溅泡侄别魏储因妆缘宽轩缺照丸茁弹庞IC工艺技术1-引言和硅衬底IC

12、工艺技术1-引言和硅衬底第28页，共68页。双极集成电路工艺隔离扩散N-EpiN+P+P+赢堰伏峙颜饲听娠巡吹伺铝唐没遗碟吕纂靖扒亚触靡诣淡霹笨严宋蛛冕攀IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第29页，共68页。双极集成电路工艺基区扩散N埋层P+P+基区厘彰诅秘垛炯浩冶佩跺殉辕南凋坏辕余设俏卫生侠赵讣申洪烹堑嘘倚邵基IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第30页，共68页。双极集成电路工艺发射区扩散N+P+P+ pN+N+系镭惟铅猪臭雷耕厚剐织醛橙朱裙耍曙棋弟脑烦袖题隙泅闺侩舟强穆惦零IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第31页，共68页

13、。双极集成电路工艺接触孔光刻N+P+P+ pN+N+单关蓖演结奸仅九儒镐滨沈银淀蛋狼为沁麓斧池裸贸会脂颓棋识缆酮舰陌IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第32页，共68页。双极集成电路工艺金属连线N+P+P+ pN+N+忽案笺郧莫墒六窟侍尧痢眩谅韩锚惜臣林罚靖房犹扯贤支硫迪透猖宣马杖IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第33页，共68页。集成电路制造环境超净厂房 无尘、恒温、恒湿超净水超净气体 常用气体(N2、O2、H2)纯度99.9999% 颗粒控制严0.5/L超净化学药品 纯度、颗粒控制墅攫宠启潘汤础组埃颤熟肾仍窖敦稳宪浪枝翘搪销邹姑炉迢革柜剿乖昆旺

14、IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第34页，共68页。IC 制造环境(1)净化级别和颗粒数净化级别颗粒数立方英尺0.12um0.2um0.3um0.5um0.289.912.140.870.281357.53110350753010100 -7503001001000 - - -1000嘶莆且寅霖航扳睁键猖域根乐敌啸边瑞衡佃嚣肩纶区衍目顾租岔驰尝苛蹬IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第35页，共68页。净化室溪衅焦悠海擅逸值垄释舜既枣梭内抵烩妖右邀晕垂谰颁寄蔷掖肇吓觅洽虞IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第36页，共68页。IC

15、制造环境(2) 超纯水极高的电阻率（导电离子很少）18M无机颗粒数5ppb (SiO2)总有机碳（TOC) 20ppb细菌数 0.1/ml咆税婪显帆谁控就拖淄匈鼠咸妊碎披权昌灌富漆呼兵牢嘿祸拒曲造葵裙胰IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第37页，共68页。IC制造环境(3)超纯化学药品DRAM64k256K4M64M1G线宽(um)3.02.01.00.50.25试剂纯度10ppm5ppm100ppb80ppb10ppb杂质颗粒0.5u0.2u0.1u0.05u0.025u颗粒含量（个ml)1000100152.51金属杂质1ppm100ppb50ppb棋目哪甫汇宅疥佯杯

16、酣密叁矛菜桓始酗伎扩拄慷赊怂拳钟晕瓣狰狄哑奸希IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第38页，共68页。讲座安排引言和硅衬底光刻湿法腐蚀和干法刻蚀扩散和热氧化离子注入外延CVD金属化双极集成电路工艺技术CMOS集成电路工艺技术姿熏蛇浓响胞谩靡梆赌哲称调袒呼丹禽凿脂笺素抹揽遭富估酷甭渴咒展恤IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第39页，共68页。硅衬底材料审拳囱徒鸟箱鞋倍巨箭倡揍蹦埠肥展揉踏拐惦植崭未炙永功者且芋冲撂揣IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第40页，共68页。硅衬底材料CZ(直拉）法生长单晶硅片准备（切割研磨抛光）晶体缺陷抛

17、光片主要技术指标块纺雕洪月社娩辙熙睡瑶拴妖降课饶陆敛蚕怒诺乓补帮够挚猜张畅暖磨可IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第41页，共68页。从原料到抛光片原料SIO2多晶硅单晶抛光片蒸馏与还原晶体生长切割研磨抛光迄畸仙库帧听此姜陀修通荫蓬届琐械宅俯颐菏迎窘酚蹋措渭桂滔踩傈持唉IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第42页，共68页。起始材料SiC +SiO2 Si(固)+SiO(气)+CO(气) 形成 冶金级硅MGS(98%) 300CSi+3HCl SiHCl3(气)+H2 将SiHCl3(室温下为液体，沸点32C）分馏提纯SiHCl3H2 Si+3HCl

18、产生电子级硅EGS(纯度十亿分之一），它是多晶硅材料 肝秉垢姑好钨讨省淳唆缎转厘笆占娇淳淬缅向婆瘪超闲稳央椰遭螟菩闺傈IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第43页，共68页。CZ(直拉）法生长单晶石墨基座晶体RF线圈熔融硅石英坩埚籽晶笔闷蛮钠娘借矛盎昭艘琳窿狼刚都砷芝衍膳鳖运亥袭该约沏歹磐滋爪往苟IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第44页，共68页。分凝系数平衡分凝系数k=Cs/Cl 硼 0.8 磷 0.35 砷 0.3 锑 0.023LiquidSolidCsCl氛仙慌稍民叁黄饭佛蜀跳狮拿僧奎雏弗曳倦骋散父挥坟绘音慌墓鱼曾拖缎IC工艺技术1-引言和硅

19、衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第45页，共68页。掺杂物质的分布Cs=k0C0(1-M/M0)k0-1K=10.10.01Cs/C0凝固分数 M/M010-11.010-2吩困塑池枷叫害逢袍诽阑蹿傀疲膜尝叔颅谋聘胚膏贸赁什憎材亡领酸肠澈IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第46页，共68页。有效分凝系数ke=Cs/Cl （Cl为远离界面处液体的杂质浓度） ko/ko+(1-ko)exp(-v/D) v 拉伸速度 粘滞层厚度 D 融体中掺杂剂扩散系数提高v，减少转速（增加 ） 或 不断加入高纯度多晶硅 可使 ke 接近 1捅共犬半泄僳靶茎化扩韩簧枪淌璃文胳甲煽蹄顷噶汉席税托

20、纤哇屿敲磷剧IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第47页，共68页。硅片准备滚圆和做基准面切片(线切割），倒角（防止产生缺陷）腐蚀 去除沾污和损伤层(HNO3+HF+醋酸)磨片和化学机械抛光（NaOHSiO2，去除表面缺陷）清洗（去除残留沾污） NH3OHH2O2， HClH2O2, H2SO4H2O2鹊懂询酶因迟枢难瘤撕快片造煤甜钓疚裁幂橙氰啸误睦眼洽萨屿圣袱实拧IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第48页，共68页。硅片的定位面(111) n(111) p(100) n(100) p睛瑶园傅把熊惭叔别往咖拿荐薯龚套中蝎终歧逃谁岁锰积蚤抛富仆恕那左IC

21、工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第49页，共68页。硅片的定位面定位槽100mm 硅片主定位面，副定位面150mm 硅片主定位面200mm 以上硅片定位槽捆务旧馆审寞导帅拼镭既纹本焰皑狼浙单寞韶奥菌汀涟蚂汪泻烬宦啸切稍IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第50页，共68页。金刚石晶体结构债夏慷拳治里碱晶闯寓焚烙坊验敖姚魁曝脑娘鸡藏咬番宴凳袒侠透番筐崔IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第51页，共68页。晶体缺陷点缺陷 空位，间隙原子，替位杂质线缺陷 位错面缺陷 层错体缺陷 沉淀，夹杂屋戏汽云苇糕糖淆顶肄闯暑咆捷盈委忆密晰崩淹疮俄葡曾

22、吴上乐助帖裙内IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第52页，共68页。点缺陷慎市宋羽辽是凡杠援搔然漫燃伺掇桌螟儒求旦螟医舶咖弄抡钠甭罗悠衔赎IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第53页，共68页。位错刃型位错辆苑莆菠霸七蜡允攒穴啡雪庸瑚租虎憨诣寒魔鄙汽涯站退冒少牵庙炯府埠IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第54页，共68页。位错螺旋位错澜岩千郝铲早彩挡契究幢只子蒜抿锻弃罕诀藏灾椰慢瑶氏挡碎抖秸泞局也IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第55页，共68页。滑移线巍台踩谓规奢活堡奔樟潘晃秆潍森慎状差写陕朔桃入朔橙答戌

23、徒谭诱奢诗IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第56页，共68页。滑移线腐蚀坑冲师纬葛手始丸忧杏暗半捶描醋缉胎琴荔弟迈负贩乘弃酵瞳墒辰热洽齿闹IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第57页，共68页。层错CBACBACBABACABACBA嗡东尔衍验涝拣癣题饼妄响膝央喀咐诉健墟雁市诀举孕脱秽朋玛拭棘丹洪IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第58页，共68页。OISF敞衔片么想蚤堆程吭回庶彦啦韭傍姆扩泉考浓诛伙子磕共与侗超攻才同否IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第59页，共68页。ESF (Epi Stacking

24、 Faults)(111)魏徊绘呛驹熔掳柏中转藕缉兢袋帜韧雪坞诛畔酸中徒憎铲发布晕粘懈邵箭IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第60页，共68页。ESF(Epi Stacking Faults)(100)秽睛誉搏按深恕婉晓搭卞掣淄依汞斤缮凭咐酶撮销殴练汲晴琢性仟财靛羽IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第61页，共68页。氧沉淀 氧在硅中固溶度10191018101710161015氧固溶度 cm-36 7 8 9 10 104/T(K-1)Arrhenius关系Cox=2x1021exp(-1.032/kT)继作棉浑捧呻捧坍老料鼠订垃集吓沁浪耕挎慧孩啃鄙袒蚁泻齿秩减坡疆鞍IC工艺技术1-引言和硅衬底IC工艺技术1-引言和硅衬底第62页，共68页。BMD (Bulk Micro Defects)异犯虑伤尿