(整理)集成电路工艺个人总结

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1、曹飞个人版总结引言第一只晶体管?第一只晶体管，AT&TBellLab,1947?第一片单晶错，1952?第一片单晶硅，1954（25mm，1英寸）?第一只集成电路（IC）,TI,1958?第一只IC商品，Fairchild,1961摩尔定律晶体管最小尺寸的极限?价格保持不变的情况下晶体管数每12月翻一番，1980s后下降为每18月翻一番；?最小特征尺寸每3年减小70%?价格每2年下降50%；IC的极限?硅原子直径：2.35?；?形成一个器件至少需要20个原子；?估计晶体管最小尺寸极限大约为5（0D0或um，或5nm。电子级多晶硅的纯度一般要求含si99.9999以上，提高纯度达到99.9999

2、99999.999999999%（9-11个9）。其导电性介于10-4-101011/cm。电子级高纯多晶硅以9N以上为宜。1980s以前半导体行业的模式1980s以前：大多数半导体公司自己设计、制造和测试IC芯片，如Intel，IBM1990s以后半导体行业的模式F&F模式，即Foundry（代工）+Fabless（无生产线芯片设计）,什么是Foundry有晶圆生产线，但没有设计部门；接受客户订单，为客户制造芯片；IC流程图:接受设计订单t芯片设计fEDA编辑版图t将版图交给掩膜版制造商t制造晶圆f芯片测试f芯片封装硅片制备与高温工艺单晶生长：直拉法区熔法高温工艺:氧化，扩散，退火。Si集成

3、电路芯片元素组成半导体（衬底与有源区）：单晶Si杂质（N型和P型）:P（As）、B导体（电极及引线）：Al、Wu（Cu、Ti）、poly-Si绝缘体（栅介质、多层互连介质）：SiO2、Si3N4硅的重要性储量丰富，便宜；（27.6%）SiO2性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长；较大的禁带宽度（1.12eV），较宽工作温度范围硅提纯I的工艺步骤、化学反应式及纯度从石英砂到硅锭石英砂（SiO2）-冶金级硅（MGS）HCI与MGS粉反应形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷）利用汽化和冷凝提纯TCSCS与H2反应形成多晶硅（EGS）熔融EGS和拉单晶硅锭从硅锭到硅片单晶硅锭-整型-切片

4、-磨片倒角-刻蚀-抛光-清洗-检查-包化学反应式SiO2+C血英砂碳加热到2000CSi+CO.冶金级硅二氧化碳纯度:98%硅提纯I多晶硅淀积SiHC13+h2TGS氢气1000-1200CSi+电子级硅EGS纯度:99.9999999%直拉法的拉晶过程拉晶过程熔硅引晶（下种）收颈放肩直拉法的拉晶过程中收颈的作用目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸直拉法与区熔法的对比直拉法，更为常用（占75以上）便宜更大的圆片尺寸（300mm已生产）剩余原材料可重复使用位错密度：0104cm2区熔法高纯度的硅单晶（不使用坩锅）（电阻率2000Q-mm）成本高，可生产圆片尺寸较小（150mm）主要用于功率器件位错密度

5、：103105cm2定位边或定位槽的作用识别晶向、导电类型及划片方向硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；硅片装架的接触位置外延的定义：外延、外延层、外延片、同质外延、异质外延外延层：单晶衬底上单晶薄膜层外延：同质外延和异质外延同质外延：衬底与外延层为相同晶体，晶格完全匹配异质外延：衬底与外延层为不同晶体，晶格不匹配双极晶体管（电路）和CMO器件（电路）中外延层的应用双极晶体管（电路）中外延层的应用高阻的外延层可提高集电结的击穿电压低阻的衬底（或埋层）可降低集电极的串联电阻CMOS器件（电路）中外延层的应用减小pnpn寄生闸流管效应降低漏电流Si外延的源材料Si源气体：SiH4（硅烷）,SiH2C

6、I2（二氯硅烷）,SiHCI3（三氯硅烷）,SiCI4（四氯硅烷）掺杂剂N型掺杂剂：PH3,AsH3P型掺杂剂：B2H6分子束外延（MBE的特点高温工艺设备小结温工艺通常使用炉管反应室；应炉通常由控制系统、气体输运系统、反应腔、装卸片系统和尾气处理系统构成竝式炉管使用最广泛，因为其占地面积小、污染控制好、维护量小褴度控制的精确性和均匀性对于高温工艺的成功至关重要氧化膜在IC中的应用杂阻挡层夷面钝化（保护）|隔离层册氧化层MOS电容的介质材料各种氧化层在工艺中的应用、厚度及工艺掺杂阻挡氧化层应用MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSBiO2ca

7、nbeusedasdiffusionmask表面钝化（保护）氧化层应用adOxide衬垫（缓冲）氧化层，ScreenOxide屏蔽氧化层SacrificialOxide牺牲氧化层，BarrierOxide阻挡氧化层formallythinoxidelayer（150?）toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress器件隔离氧化层应用ElectronicisolationofneighboringdevicesBianketfieldoxideLocaloxidationofsilicon（LOCOS）Thickoxide,usual

8、ly3,000to10,000?栅氧化层应用Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric应用厚度说明自然氧化层不希望的15-20A屏蔽氧化层注入隔离“减小损伤-200A热生长掺杂阻挡层掺杂掩蔽400-1200A选择性扩散场氧化层LOCOS器件隔离3000-5000A湿氧氧化衬垫氧化层为SI3N4提供应力减小100-200A热生长很薄拥牲氧化层去除抉陷ks，反应控制过程，故G与T呈指数关系；高温下，hgvvks,质量输运控制过程，hg对T不敏感，故G趋于平稳离子注入离子注入与热扩散的对比扩散离子注入高温，硬掩膜900-1200

9、C低温，光刻胶掩膜室温或低于40（rc各向同性，横向扩散大，深结各向异性，横向扩散小，浅结不能独立控制结深和浓度可以独立控制结深和浓度离子注入的两种阻挡机制核碰撞和电子碰撞避免沟道效应的方法倾斜硅片，7最常用屏蔽氧化层（无定形）注入前预先无定型处理离子注入机的原理GasCabinElectricalSystemAnalvzera离子注入工艺的应用及技术趋势MagnetBeamLineIonSourceVacuumPumpWatersElectricalSystemPlasmaFloodingSvstemracuumPumpEndAnalyzer离子注入工艺CMOS工艺应用CMOS离子注入的工艺

10、要求离子注入工艺的评价技术趋势超浅结(USJ)绝缘体上硅(SOI)等离子体沉浸离子注入(PHI)SOI的优势芯片速度更快，耗电更少电路密度提高SOI尤其在RF与SoC方面表现出色SOI圆片的制造：智能剥离与注氧隔离离子注入特点：注入温度低掺杂数目受控横向扩散小不受固溶度限制注入深度随离子能量增加而增加适合化合物掺杂光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）光刻的需要及光刻三要素高分辨率光刻胶高光敏性精确对准正胶与负胶的比较NegativePhotoresist负性光刻月交-负胶PositivePhotoresist正性光刻胶-正胶曝光后不可溶解曝光后可溶解显影时未曝光的被溶解显影时曝光的被溶解便宜高分辨率光

11、刻工艺的1（个步骤（1）硅片清洗（2）预烘和底膜涂覆（3）涂光刻胶（4）前烘（5）对准（6）曝光（7）后烘（8）显影（9）坚膜（10）图形检测前烘、后烘及坚膜工艺目的（作用）的比较前烘作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性后烘作用：平衡驻波效应，提高分辨率。坚膜的作用蒸发PR中所有有机溶剂提高刻蚀和注入的抵抗力提高光刻胶和表面的黏附性聚合和使得PR更加稳定PR流动填充针孔4种曝光机接触式曝光机接近式曝光机投影式曝光机步进式曝光机分辨率与波长及NA的关系（最小线宽）R由曝光系统的光波长入和数值孔径NA决定，R=K1XNAK1为系统常数，入光波长N

12、A=2r/D;NA:凸镜收集衍射光的能力如何提高分辨率？提高NA更大的凸镜,可能很昂贵而不实际减小DOF（焦深），会引起制造困难减小光波长开发新光源，PR和设备波长减小的极限：UV到DUV,至到EUV,到X-Ray 减小K1相移掩膜移相掩模的原理与应用移相掩模是一种双层设计结构,通过利用干涉技术抵消某些衍射效应,可使光刻分辨率的改进达到25%100%两种紫外线和三种深紫外线的名称、波长及对应的最小特征尺寸汞灯i-line,365nm:-常用在0.35卩光刻 DUVKrF受激准分子激光器，248nm：应用0.25卩m,0.18mgnd0.13匕光刻 ArF受激准分子激光器，193nm：-应用：0

13、.13 F2受激准分子激光器：157nm：-仍处于研发阶段，0.10应用 157nmF2激光器光刻：使用相移掩膜，即使0.035呵都是可以的下一代光刻超紫外X射线电子束干法刻蚀与湿法刻蚀的对比湿法刻蚀的优点高选择性设备成本较低批处理，高产量湿法刻蚀的缺点各向同性不能刻蚀3叩以下图形化学品使用量高化学品危险干法刻蚀优点：各向异性腐蚀强；分辨率高；刻蚀3呵以下线条WetEtchDryEtchEtchBiaslinaccepkibleibiL3|jii)MinimumEtchProfilesotrupivAnisotropictoisotropic,controllablerate1【毎hAccep

14、table,conirollablcSelecthitr11唯hAcceptable,conirollablcEquipmentcost1owH电hTllRHIgllpUlHigh(batch)Acceptub1e,cunirollab1cl.heinical|讪1_Low湿法刻蚀SiO2、Si、Poly-Si及Si3N4的配方及反应式湿法刻蚀SiO2常用配方（KPR胶）：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml（HF溶液浓度为48%）SiO2+6HFfH2SiF6+2H2O湿法刻蚀Si、Poly-SiHNO3-HF-H2O(HAC)混合液Si+2HNO3+6IIFT邸叫+2HNO,+2

15、H2O湿法刻蚀SiliconNitride热(150to200C)磷酸H3PO4溶液Si3N4+4H3PO4tSi3(PO4)4+4NH3干法刻蚀的原理与种类等离子体刻蚀：化学性刻蚀溅射刻蚀：纯物理刻蚀反应离子刻蚀(RIE):结合、干法刻蚀Si02、Si、Poly-Si及Si3N4的腐蚀剂刻蚀气体：CF4、BCI3、CCI4、CHCl3、SF6金属化与多层互连金属化的应用、三种最常用的金属及三种不同的金属化方法应用栅电极材料金半接触电极材料互连材料常用的金属性材料掺杂的poly-Si金属硅化物金属合金金属化方法多晶硅重掺杂，LPCV淀积金属硅化物-淀积合金=淀积（PVD,CVD）集成电路对金属

16、化的基本要求1.形成低阻欧姆接触；2.提供低阻互连线；3.抗电迁移；4.良好的附着性；5.耐腐蚀；6.易于淀积和刻蚀；7.易键合；8.层与层之间绝缘要好90年代CMO酥准金属化：栅材料，接触孔（通孔）填充材料，阻挡层（势垒层）、黏附层、焊接层、及防反射层材料，互连材料，金半接触电极材料及工艺Al-Si接触的尖楔现象、影响及抑制Al/Si接触的尖楔现象：Si在Al中的溶解度及快速扩散影响：PN结穿刺-M刺穿过掺杂PN结，使源/漏与衬底短路抑制：400C热退火在Si-Al界面形成Si-Al合金AI的电迁移现象、影响及抑制电迁移：大电流密度下发生质量（离子/晶粒）输运现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶

17、，造成电极间短路；在阴极端形成空洞，导致电极开路影响；电迁移使金属线变窄变薄残留引线中电流密度更高电迁移影响IC的可靠性电迁移抑制少量铜与铝形成的合金将大大提供Al对电迁移的抵抗，铜作为Al晶粒间的粘合剂，防止Al晶粒因电子轰击而迁移Al-Cu(0.5%)最常用使用Al-Si-Cu合金TiN的作用TiN:阻挡层，防止W扩散TiN:粘合层，帮助W与SiO2表面粘合在一起TiN:防反射涂层ARC(Anti-reflectioncoating)，防止反射提高光刻分辨率Cu淀积的大马士革镶嵌工艺在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用的沟槽；CV淀积一层薄的金属势垒层：防止Cu的扩散溅射淀积cu的籽晶层：电镀

18、或化学镀cu需要沟槽和通孔淀积Cu:电镀或化学镀；400C下退火；Cu的CMP工艺集成MOSIC与双极IC的隔离MOS集成电路的隔离：LOCOS隔离工艺；侧墙掩蔽的隔离工艺；浅槽隔离等.双极集成电路的隔离：pn结隔离工艺；深槽隔离工艺防止寄生场效应晶体管开启及提高寄生晶体管阈值电压的工艺方法防止寄生场效应晶体管开启的方法提高寄生场效应晶体管的阈值电压使寄生场效应晶体管的阈值电压高于集成电路的工作电压4.提高寄生晶体管阈值电压的方法1）、增加场区SiO2的厚度；（但是过厚的氧化层将产生过高的台阶，从而引起台阶覆盖的问题）2）、增大氧化层下沟道的掺杂浓度，即形成沟道阻挡层局部氧化（LOCOS）、侧

19、墙掩蔽的隔离（SWAMI）及浅槽隔离（STI,ShallowTrenchIsolation）工艺的特点、工艺流程及示意图局部氧化工艺SiO2缢冲屋/化冃$v一-j_去除飙化硅$一.盖6厂优点：1可以减小表面的台阶高度；2.和高浓度杂质注入是一次光刻完成的3、杂质重新分布4）侧墙掩蔽的隔离工艺（SWAMI）浅槽隔离工艺(ST1,ShallowTrenchIsolation)0.25mm以下IC的标准器件隔离淀积惺护底（Si）+缓沖层siop光劇/劇蚀隔离凶則蚀洵槽P阱、N阱工艺特点P阱工艺：易实现nMOS和pMOS的性能匹配，适于静态逻辑电路n阱工艺：易获得高性能的nMOS,适于微处理器、DRA

20、M熟悉双阱CMOSIC工艺流程1）硅片准备2）阱的制备3）场区隔离：4）CMOS器件形成5）多层金属互联6）后部圭寸装工艺熟悉标准埋层双极集成电路工艺流程标准埋层双极集成电路工艺流程1）、衬底准备2）、埋层的制备3）、外延层生长4）、隔离区的形成（第二次光刻）5）、收集极接触的制备（第三次光刻）6）、基区的形成（第四次光刻）7）、发射区的形成（第五次光刻）8）、金属接触和互联（第六、七次光刻）9）、后续封装工艺CMOS：艺流程了解1960s、1970s和1980s集成电路工艺的特点1960s1970sPMOSNMOS-Diffusion-Ionimplantation -Metalgate-P

21、olysilicongate1980sTechnologyLCDreplacingLEDasindicatorsforelectronicwatchesandcalculatorsCMOSICreplacingNMOSICforlowerpowerconsumptionMinimumfeaturesize:from3pmto0.8pmWafersize:100mm(4in)lo150mm(6in)LOCOSPSGandreflowEvaporatorformetaldepositionPositivephotoresistProjectionprinterPlasmaetchandwetetc

22、h熟悉1990sCMO工艺的特点：特征尺寸、衬底、隔离、光刻、刻蚀、退火、W塞及平整化1990sCMOSTechnologyPhotolithography-G-line,l-line(365nm),andDUV248nm-Positivephotoresist-Steppersreplacedprojectionprinter-Track-stepperintegratedsystems?Plasmaetchesforpatternedetch?Wetetchesforblanketfilmstripping?Verticalfurnaces-smallerfootprints,better

23、contaminationcontrol.?RTPsystems-post-implantationannealing-silicideformation,-faster,betterprocessandthermalbudgetcontrol.?DCmagnetronsputteringreplacedevaporation?Mu-ltliayermetalinterconnection?WCVDandCMP(oretchback)toformplugs?TiandTiNbarrier/adhesionlayerforW?TiweldinglayerforAl-Cutoreduceconta

24、ctresistance?TiNARC?BPSGwaspopularlyusedasPMD.?DCVD:PE-TEOSandO3-TEOS-STI,sidewallspacer,PMD,andIMD?DCVD:PE-silane-PMDbarriernitride,dielectricARC,andPDnitride?TungstenCMPtoformplug?DielectricCMPforplanarization?Clustertoolsbecameverypopular?Singlewaferprocessingsystemsimprovewafer-to-waferuniformitycontrol?Batchsystemsisstillcommonlyemployedinmanynon-criticalprocessesfortheirhighthroughput.