IC工艺技术1-引言和硅衬底课件

集成电路工艺技术

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第一讲集成电路工艺技术引言和

硅衬底材料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IC技术发展趋势(1)

特征线宽随年代缩小IC技术发展趋势(1)

特征线宽随年代缩小19881992199519971999200120022005CD(um)1.00.50.350.250.180.150.130.10IC技术发展趋势(1)

集成度不断提高－摩尔定律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-42000IC技术发展趋势(4)

结构复杂化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCDIC技术发展趋势(5)

芯片价格不断降低基本长沟道MOSFET器件VDPn+n+Qn(y)=-[Vg-V(y)-2]Co+2qNa[2+V(y)]dV=IDdR=IDdy/ZQn(y)ID=Z/LCo{(VG-2-VD/2)VD-2/32qNa/Co

[(VD+

2)2/3-(2)2/3]}

QnVG短沟道效应开启电压降低输出饱和特性差LVtVdsIds短沟道效应亚开启电流增加VgIdVd=4V1V0.1VMOSFET等比例缩小规则参数变量缩小因子几何尺寸W,L,tox,xj1/λ电压VDS,VGS1/k掺杂浓度NA,NDλ2/k电场Eλ/k电流IDSλ/k2门延迟Tk/λ2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/λ1/λ电压VDS,VGS1/λ1掺杂浓度NA,NDλλ2电场E1λ电流IDS1/λλ门延迟T1/λ1/λ2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平面工艺－制造二极管平面工艺－制造二极管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溅射蒸发双极集成电路工艺埋层光刻P(111)Sub10-20-cm双极集成电路工艺埋层扩散P衬底N+埋层双极集成电路工艺外延PSubN-EpiN+埋层双极集成电路工艺隔离扩散N-EpiN+P+P+双极集成电路工艺基区扩散N埋层P+P+基区双极集成电路工艺发射区扩散N+P+P+

pN+N+双极集成电路工艺接触孔光刻N+P+P+

pN+N+双极集成电路工艺金属连线N+P+P+

pN+N+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净化室IC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/mlIC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集成电路工艺技术硅衬底材料硅衬底材料CZ(直拉）法生长单晶硅片准备（切割－研磨－抛光）晶体缺陷抛光片主要技术指标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／抛光起始材料SiC+SiO2Si(固)+SiO(气)+CO(气)形成冶金级硅MGS(98%)

300CSi+3HClSiHCl3(气)+H2将SiHCl3(室温下为液体，沸点32C）分馏提纯SiHCl3＋H2Si+3HCl产生电子级硅EGS(纯度十亿分之一），它是多晶硅材料

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（NaOH＋SiO2，去除表面缺陷）清洗（去除残留沾污）NH3OH＋H2O2，HCl＋H2O2,H2SO4＋H2O2硅片的定位面(111)n(111)p(100)n(100)p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以上硅片定位槽金刚石晶体结构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，夹杂点缺陷位错刃型位错位错螺旋位错滑移线滑移线腐蚀坑层错CBACBACBABACABACBAOISFESF(EpiStackingFaults)(111)ESF(EpiStackingFaults)(100)氧沉淀–氧在硅中固溶度10191018101710161015氧固溶度cm-3678910104/T(K-1)Arrhenius关系Cox=2x1021exp(-1.032/kT)BMD(BulkMicroDefects)缺陷的两重性缺陷往往是复合中心，是PN结漏电和低击穿的原因，特别是缺陷和重金属的交互作用会加深这种作用（降低寿命）所以不希望在有源区有缺陷。在非有源区，缺陷能吸引杂质聚集，即有吸杂作用，是有好处的。吸杂(Gettering)吸杂－晶体中的杂质和缺陷扩散并被俘获在吸杂中心非本征吸杂：在远离有源区（如背面）引入应变或损伤区本征吸杂：利用硅片体内氧沉淀，点缺陷和残余杂质（如重金属）被俘获和限制在沉淀处，从而降低有源区的浓度。DZ

(DenudedZone)抛光片主要技术指标晶体参数-晶向(111)/(100)电学参数