集成电路工艺制造讲座课件

集成电路工艺制造自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子。微电子：信息社会发展的基石集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低半导体产业发展历史1947第一只晶体管问世1957FairchildSemiconductors公司成立（仙童－飞索）1958第一块集成电路问世1961仙童（半导体工艺）和德州仪器公司（电路形式）共同推出了第一颗商用集成电路（双极型模拟电路）1962TTL逻辑电路问世（双极型数字电路）1963仙童公司推出第一块CMOS集成电路19641英寸硅晶圆出现1965GordonMoore提出Moore’slaw（摩尔定律）1967专业半导体制造设备供应商—美国应用材料公司成立第一个晶体管BellLabs1948年双极逻辑电路1960年代ECL3输入门Motorola1966年摩尔定律芯片成本下降单个芯片成本下降圆片尺寸增大特征尺寸与晶圆特征尺寸越来越小1968Intel成立；NEC制作出日本第一颗IC1973商用的BiCMOS技术开发成功19795英寸的硅晶圆出现19858英寸硅晶圆开始使用；1987台湾台积电开创专业IC制造代工模式1988专业EDA工具开发商Cadence公司成立.199612英寸硅晶圆出现2000中芯国际IC制造公司（SMIC）在中国大陆成立2002Intel建成首个12英寸生产线半导体产业发展历史

2007年全球半导体厂商Top20排名厂商销售额百万美元排名厂商销售额百万美元1Intel（美）3397311AMD（美）57922Samsung（韩）2013712Qualcomm（美）56033Toshiba（日）1259013NEC（日）55554TI（美）1217214Freescale（美）53495ST（欧）999115Micron（美）49436Hynix（韩）961416Qimonda（欧）41867Renesas日）813717Matsushita（日）39468Sony（日）804018Elpida（日）38369NXP（欧）603819Broadcom（美）373110Infineon（欧）586420Sharp（日）3584数据来源：iSuppli美国7家，日本7家，欧洲4家，亚太2家集成度的发展单管成本0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.1119821985198819911994199720002003200620092012cost：¢-per-transistorFabricationcapitalcostpertransistor(Moore’slaw)CMOS工艺现代CMOS工艺双阱沟槽隔离CMOS工艺IntelPentiumIV集成电路设计版图光刻掩膜版制造掩模版（光刻版）包含了要在晶圆硅片上重复生成的图形的石英版一套掩模版包含几十个工艺层的一个或多个管芯的图形布局、尺标记与容差等应服从设计规则及光刻工艺设备的要求IC制造过程圆片制造工艺流程为什么采用硅材料？历史的选择储量丰富，便宜，取之不尽，用之不竭二氧化硅性质非常稳定，绝缘性能极好，且很容易通过热过程生长禁带宽度大，工作温度范围宽电学和机械性能优异单晶硅生长从砂子到硅片硅锭切片硅锭硅片硅片抛光300mmvs450mm氧化二氧化硅的主要特性密度：~2.20g/cm3折射率：~1.46（@550nm波长）电阻率：与制备方法、杂质含量有关。高温干氧>1016Ωcm介电强度：106～107V/cm102~103V/um介电常数：3.9氧化机理氧化反应始终发生在Si/SiO2的界面处氧化层越厚，氧化速率越低氧扩散穿透已有的氧化层与衬底硅反应需要更多的时间氧化工艺设备氧化工艺通常使用氧化炉氧化炉的组成：控制系统，气体传输系统，工艺炉管/工艺腔，装片系统，排风系统立式氧化炉由于占地面积小、沾污控制好、维护费用低等优点广泛使用精确的温度控制及温度均匀性对氧化工艺的成败至关重要卧式氧化炉立式氧化炉干氧氧化反应方程式：Si+O2→SiO2氧化膜质量最好应用：栅介质、氧化的起始阶段缺点：氧化速率慢，难以形成厚膜。湿氧（水蒸汽）氧化反应方程式：Si+2H2OSiO2+2H2在高温时，H2O解离为H+和H-O-与O2相比，H-O-在SiO2中扩散更快湿氧氧化的速率比干氧氧化快得多掺杂（HCl）氧化HCl用于降低可动离子沾污广泛应用于栅氧工艺改善硅/二氧化硅界面特性生长速率可提高1~5%氧化层的应用氧化层名称厚度应用自然氧化层15-20A屏蔽氧化层~200A注入掩蔽氧化层~5000A扩散场氧与LOCOS3000-5000A隔离垫氧层100-200A缓冲氮化硅应力牺牲氧化层<1000A去除缺陷栅氧化层30-120A栅介质阻挡氧化层100-200ASTI氧化层电荷与缺陷SiOxSiO2Si可动电荷：Qm，NmNa+Na+Na+K+K+氧化层陷阱电荷：Qot，Not（oxidetrap）--------氧化层陷阱电荷：Qot，Not（holetrap）++++++固定电荷：Qf，Nf++++++界面陷阱电荷：Qit，Nit界面陷阱密度：Ditxxxxxxxx氧化前硅片清洗颗粒有机残留无机残留自然氧化层未清洗干净的硅表面

生长的二氧化硅光刻工艺将掩模版上的几何图形转移到覆盖在半导体硅片表面的对光辐照敏感的光致抗蚀剂（光刻胶）上去的工艺过程。这些图形确定离子注入区域、刻蚀窗口光源（光刻机）掩模版光学系统（光刻机）涂胶硅片光刻胶光刻胶是一种感光有机聚合物基于材料的分类：正性光刻胶、负性光刻胶依据图形最小关键尺寸分类：传统光刻胶、化学放大（CA）光刻胶、非光学光刻用特殊光刻胶正性与负性光刻胶光刻胶涂布光刻的基本步骤匀胶硅片清洗前烘和前处理光刻胶涂布匀胶后烘对准和曝光对准和曝光曝光后烘显影显影显影后烘图形检查涂胶显影轨道光刻曝光光刻设备接触式光刻机（线宽5um，1x掩模版）接近式光刻机（线宽2-4um，1x掩模版）扫描投影光刻机（线宽1um，1x掩模版）步进式光刻机（线宽0.25um，4x或5x掩模版）步进扫描光刻机（线宽0.25um，4x掩模版）接触式光刻机接近式光刻机扫描投影光刻机步进式光刻机步进扫描光刻机分辨率可接受的可重复的最小特征尺寸由光源波长和光学系统的数值孔径决定分辨率可表示为：k1是光学系统工艺因子，0.6-0.8是光源波长NA是数值孔径掩模版上的分辨率图形焦深（DOF）焦点（Focus）：沿透镜中心出现最佳图像的点焦深（DepthofFocus）：成像时可得到持续清晰图像（好的分辨率）的焦距范围，焦深应穿越光刻胶层上下表面焦点与焦深焦深可表示为：焦深问题举例光刻光源光学光源可见光(Visible)近紫外光(NearUltra-Violet，NUV)中紫外光(MidUV，MUV)深紫外光(DeepUV，DUV)真空紫外光(VacuumUV，VUV)极短紫外光(ExtremeUV，EUV)X-光(X-Ray)非光学光源高能电子束(25~100keV)低能电子束(~100eV)镓离子(Ga+)聚焦离子束(10~100keV)光源波长范围光刻技术的发展趋势干法刻蚀腐蚀的定义通俗的讲就是去除某种薄膜，采用化学的，物理的或者两者结合的方法选择性腐蚀将IC设计的图象通过光刻胶转移到硅片表面层的薄膜上去，把不需要的薄膜去除。湿法腐蚀、干法刻蚀各向同性、各向异性选择性腐蚀、整片腐蚀腐蚀步骤光刻刻蚀去胶各向同性各向异性特征尺寸>3um湿法腐蚀干法刻蚀特征尺寸<1um干法刻蚀湿法腐蚀化学溶液溶解硅片表面的薄膜材料刻蚀后产品是气体，液体或是可溶解在腐蚀溶液中的物质三个基本步骤：腐蚀，清洗，干燥。湿法腐蚀1反应物输送到硅片表面2蚀刻剂与硅片表面薄膜发生选择性可控制的反应3反应副产物离开硅片表面湿法腐蚀的剖面纯化学性工艺，各向同性的侧壁形貌，高选择比不能使用在特征尺寸小于3um的工艺上被干法刻蚀所代替干法刻蚀主要为等离子体刻蚀等离子体中含有高活性自由基和离子自由基具有强烈的氧化性离子具有一定的动能仅利用活性自由基的纯化学刻蚀：PE同时进行化学和物理反应：RIE目前大部分图形刻蚀都采用RIE干湿法刻蚀的比较湿法腐蚀干法刻蚀适用范围特征尺寸大于3um特征尺寸小于3um侧壁形貌各向同性各向同性各向异性，可控腐蚀速率高可控选择比高可控设备成本低高产量高（批量处理）可控化学品使用量高低干法刻蚀的三种方式化学(PE，利用活性自由基)物理(IBE，利用赋能离子)化学＋物理(RIE，同时利用活性自由基和离子)三种刻蚀方式三种方式的比较化学腐蚀RIE物理刻蚀举例去胶、RP刻蚀等离子体图形刻蚀氩离子轰击刻蚀速率高低高，可控低选择比很好适当，可控很差刻蚀形貌各向同性各向异性，可控各向异性终点控制定时或目检光学定时常用IC材料的应用与腐蚀气体扩散掺杂最先被采用的半导体掺杂技术是早期集成电路制造中最重要的技术之一，高温炉通称为“扩散炉”。需在高温炉中进行需使用二氧化硅作掩膜无法独立控制结深和浓度各向同性杂质剂量控制精度较差多腔体设备1300LiterTurboSAAUpperChamberRoughCeramicPartsFastCooldownChamberE-DTCU&UniversalDomeVHP+DualArmRobot&HighThroughputSoftware氧化/扩散/CVD/离子注入离子注入掺杂使待掺杂原子（分子）电离；离子在电场中被加速；高速离子射入到半导体中；退火激活杂质。注入和扩散比较注入和扩散比较扩散离子注入高温，硬掩膜低温，光刻掩膜各向同性杂质分布各向异性杂质分布不能同时控制杂质浓度和结深能同时控制杂质浓度和结深批处理工艺既有批处理也有单片工艺离子注入系统离子注入CMOS器件薄膜工艺化学气相淀积(CVD)外延物理气相淀积(PVD)溅射蒸发分子束外延(MBE)其他淀积技术电镀旋涂CVD的优点：获得良好的台阶覆盖可生长多种材料及化合物良好的工艺控制CVD氧化层与热氧化层热生长氧来自气相硅来自衬底氧进入硅中生长氧化层质量高CVD氧和硅均来自气相生成物沉积在衬底表面温度低于热生长生长速率高CVD氧化层与热氧化层热生长氧来自气相硅来自衬底氧进入硅中生长氧化层质量高CVD氧和硅均来自气相生成物沉积在衬底表面温度低于热生长生长速率高LPCVD卧式炉LPCVDTEOS台阶覆盖好：对台阶的保形覆盖淀积后USG密度较低，湿法腐蚀速率WERR~4（对应于热氧WERR=1）750-850C致密后USG密度提高，WERR~2片内均匀性好~

0.6%Width/Space=0.4/0.4;StepHeigth=0.6mPECVD更低温度下的更高淀积速率淀积气体的射频感生等离子体薄膜应力由射频控制腔体等离子体清洗PECVD反应器1980年代的CMOSIC1990年代的CMOSIC表面形貌类型化学机械抛光（CMP）平坦化技术：CMP金属淀积AMATEnduraPVDSystem铝金属化铝金属化铜金属化铜金属化铜与低k介质降低金属电阻率和金属层间绝缘介质的介电常