芯片微納制造技術

微電子制造原理與技術第二局部芯片制造原理與技術芯片開展歷程與莫爾定律晶體管結(jié)構(gòu)與作用芯片微納制造技術主要內(nèi)容薄膜技術光刻技術互連技術氧化與摻雜技術2編輯pptIC中的薄膜OxideNitrideUSGWP-waferN-wellP-wellBPSGp+p+n+n+USGWMetal2,Al?CuP-epiMetal1,Al?Cu

Al?CuSTI淺槽隔離金屬前介質(zhì)層

or層間介質(zhì)層1IMDorILD2抗反射層PD1鈍化層2SidewallspacerWCVDTiNCVD1.薄膜技術3編輯ppt外延Si介質(zhì)膜：場氧化、柵氧化膜、USG、BPSG、PSG、層間介質(zhì)膜、鈍化膜、highk、lowk、淺槽隔離……金屬膜：Al、Ti、Cu、Wu、Ta……多晶硅金屬硅化物IC中的薄膜1.薄膜技術4編輯ppt氧化膜的應用例作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì)1.薄膜技術SiDopantSiO2SiO2作為選擇性摻雜的掩蔽膜5編輯pptSiliconnitrideSiliconSubstrateSi

Oxide作為緩應力沖層作為犧牲氧化層，消除硅外表缺陷1.薄膜技術氧化膜的應用例6編輯ppt半導體應用典型的氧化物厚度（?）柵氧（0.18m工藝）20～60電容器的電介質(zhì)5～100摻雜掩蔽的氧化物400～1200依賴于摻雜劑、注入能量、時間、溫度STI隔離氧化物150LOCOS墊氧200～500場氧2500～15000STI—潛槽隔離，LOCOS—晶體管之間的電隔離，局部氧化墊氧—為氮化硅提供給力減小氧化膜的應用例1.薄膜技術7編輯ppt薄膜材料及性能的要求厚度均勻性臺階覆蓋能力填充高的深寬比間隙的能力高純度和高密度化學劑量結(jié)構(gòu)完整性和低應力好的電學特性對襯底材料或下層膜好的粘附性1.薄膜技術8編輯ppt各種成膜技術及材料熱氧化法蒸發(fā)法LP-CVD熱CVD法CVD法PVD法SiO2膜等離子CVD濺射法AP-CVDP-CVDHDP-CVDW膜、高溫氧化膜多結(jié)晶Si膜、Si3N4膜有機膜、SiO2膜非晶態(tài)Si膜SiO2膜、氮化膜、有機膜SiO2氧化膜氧化膜、金屬膜等Al膜、Cu膜、Ti膜、TiN膜、W膜CVD：ChemicalVaporDepositionAP-CVD：AtmosphericPressureCVDPVD：PhysicalVaporDepositionP-CVD：PlasmaCVDLP-CVD：LowPressureCVDHDP-CVD：HighDensityPlasmaCVD電沉積Cu膜、Ni膜、Au膜等1.薄膜技術9編輯ppt物理氣相沉積PVD——蒸發(fā)法早期金屬層全由蒸發(fā)法制備現(xiàn)已逐漸被濺射法取代無化學反響peq.vap.=~10-3Torr,臺階覆蓋能力差合金金屬成分難以控制擴散泵、冷泵P<1mTorr可有4個坩鍋，裝入24片圓片1.薄膜技術10編輯ppt1852年第1次發(fā)現(xiàn)濺射現(xiàn)象濺射的臺階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠少于電子束蒸發(fā)制作復合膜和合金時性能更好是目前金屬膜沉積的主要方法物理氣相沉積PVD——濺射法1.薄膜技術高能粒子〔Ar離子〕撞擊具有高純度的靶材料固體平板，撞擊出原子。這些原子再穿過真空，淀積在硅片上凝聚形成薄膜。陰極靶材11編輯ppt優(yōu)點：具有保持復雜合金原組分的能力

能夠沉積難熔金屬；能夠在大尺寸硅片上形成均勻薄膜；可多腔集成，有去除外表與氧化層能力；有良好臺階覆蓋和間隙填充能力。1.薄膜技術物理氣相沉積PVD——濺射法12編輯ppt化學氣相沉積CVD通過化學氣相反響形成薄膜的一種方法1.薄膜技術13編輯ppt1.薄膜技術例：外延硅、多晶硅、非晶硅化學氣相沉積CVD14編輯pptTiN化學氣相沉積CVD1.薄膜技術Ti15編輯ppt硅膜外延硅、多晶硅、非晶硅介質(zhì)膜氧化硅氮化硅氮氧化硅磷硅玻璃PSG、BPSG金屬膜W、Cu、Ti、TiN化學氣相沉積CVD1.薄膜技術適用范圍廣泛〔絕緣膜、半導體膜等〕，是外延生長的根底16編輯pptCVD制備的薄膜及采用的前驅(qū)體1.薄膜技術化學氣相沉積CVD17編輯ppt最早的CVD工藝、反響器設計簡單APCVD發(fā)生在質(zhì)量輸運限制區(qū)域允許高的淀積速度,1000A／min，一般用于厚膜沉積APCVD的主要缺點是顆粒的形成化學氣相沉積——AP-CVD1.薄膜技術AP-CVD：常壓化學氣相沉積〔AtmosphericPressureCVD〕18編輯ppt產(chǎn)量高、均勻性好，可用于大尺寸硅片主要用于沉積SiO2和摻雜的SiO2氣體消耗高，需要經(jīng)常清潔反響腔沉積膜通常臺階覆蓋能力差。CanonAPT4800APCVDtools化學氣相沉積——AP-CVD1.薄膜技術19編輯ppt連續(xù)加工的APCVD系統(tǒng)化學氣相沉積——AP-CVD1.薄膜技術20編輯ppt化學氣相沉積——LP-CVDLP-CVD：低壓化學氣相沉積〔LowPressureCVD〕1.薄膜技術21編輯pptSiO2：做層間介質(zhì)、淺槽隔離的填充物和側(cè)墻氮化硅：做鈍化保護層或掩膜材料多晶硅：做柵電極或電阻氧化氮化硅：兼有氧化硅和氮化硅的優(yōu)點，改善了熱穩(wěn)定性、抗斷裂能力、降低膜應力1.薄膜技術化學氣相沉積——LP-CVD22編輯ppt更低的工藝溫度〔250~450℃〕對高的深寬比間隙有好的填充能力優(yōu)良的粘附能力高的淀積速率少的針孔和空洞，高的膜密度主要用于淀積絕緣層，RF頻率通常低于1MHz1.薄膜技術化學氣相沉積——PE-CVD、HDP-CVDPE-CVD：等離子體增強CVDHDP-CVD：高密度等離子體CVD23編輯ppt沉積金屬互連間的絕緣層SiO2：硅烷＋氧化劑沉積金屬W：WF6+3H2=W+6HF沉積銅阻擋層TiN：6TiCl4+8NH3—6TiN+24HCl化學氣相沉積——PE-CVD、HDP-CVD應用例：1.薄膜技術W24編輯ppt2.光刻技術光刻光刻的根本過程對準和曝光光學根底光刻設備光學增強技術對準先進光刻技術刻蝕刻蝕工藝干法和濕法刻蝕的應用是高精密圖形轉(zhuǎn)移的有效方法25編輯ppt通過光刻技術進行圖形轉(zhuǎn)移的根本過程2.光刻技術26編輯ppt2.光刻技術是微電子制造的關鍵技術：最復雜、昂貴27編輯ppt2.光刻技術電子束光刻機采用黃光的光刻室昂貴的光刻機

光刻機:產(chǎn)量為其本錢的6倍才有利潤：Intel掩膜版：$1million光刻區(qū)潔凈度要求最高、燈光昏黃占總工藝費用的30％，總工藝時間的40～50%28編輯ppt掩膜版的費用呈指數(shù)式增長

Mask自1995年開始成為關鍵技術，可以實現(xiàn)亞波長光刻，如248nm的光源用于130nm技術2.光刻技術29編輯ppt1973:投影光刻機〔1X)，分辨率4μm波長320-440nm.1976：采用G線的10倍縮小步進機.1980s：G線向I線轉(zhuǎn)變〔注：G、I對應高壓汞燈的不同特征譜線，G線436nm、I線365nm〕1995：深紫外應用于0.25μm技術，并延續(xù)了4代技術現(xiàn)在：193nm,157nm，EUV

尺寸縮小依賴于光刻技術的開展接觸式光刻機接近投影光刻機投影光刻機第1個G線步進機先進G線步進機第1個I線步進機先進I線步進機深紫外步進機2.光刻技術30編輯ppt曝光光源與其解像度大致有如下關系365nm線能刻出0.25~0.35nm線寬;248nm線能刻出0.13~0.18nm線寬;193nm線能刻出0.10~0.13nm線寬;157nm線能刻出0.07nm線寬;13nm線能刻出0.05nm線寬;X光能刻出0.10nm以下線寬;電子束能刻出0.1~0.2nm線寬;離子束能刻出0.08nm左右線寬。2.光刻技術31編輯ppt圖形轉(zhuǎn)移——光刻工藝的8個根本步驟1〕氣相成底膜處理2〕旋轉(zhuǎn)涂膠3〕軟烘4〕對準和曝光5〕曝光后烘焙6〕顯影7〕堅膜烘焙7〕顯影后檢查2.光刻技術32編輯ppt底膜涂覆脫水烘焙Wafer處理腔PrimerLayer1〕氣相成底膜處理WaferHotPlateHotPlateHMDSVapor增強硅片和光刻膠之間的粘附性2.光刻技術33編輯ppt2〕旋轉(zhuǎn)涂膠將光刻膠均勻地涂敷在硅片外表膜厚符合設計要求〔～1m)，膜厚均勻(<2~5nm)，膠面上看不到干預花紋；膠層內(nèi)無點缺陷〔針孔等〕；涂層外表無塵埃，碎屑等；膜厚：T1/1/2,為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分鐘。2.光刻技術P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistPrimer34編輯pptSpindlePRdispensernozzleChuckWaferTovacuumpump2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠35編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠36編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠37編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠38編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠39編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠40編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠41編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠42編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠43編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠44編輯pptSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠45編輯ppt去除邊圈邊圈：光刻膠在硅片邊緣和反面的隆起枯燥時，邊圈將剝落，產(chǎn)生顆粒旋轉(zhuǎn)涂膠器配置了邊圈去除裝置〔EBR〕在旋轉(zhuǎn)的硅片底部噴出少量溶劑丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽，或乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽WaferαEdgeBead2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠46編輯pptSpindleTovacuumpumpChuckWaferSolvent去除邊圈2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠47編輯pptSpindleTovacuumpumpChuckWaferSolvent去除邊圈2.光刻技術2〕旋轉(zhuǎn)涂膠48編輯pptP-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist去除光刻膠中的溶劑，提高粘附性，提高均勻性2.光刻技術3〕軟烘49編輯pptP-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistGateMask最關鍵的工序，它直接關系到光刻的分辨率2.光刻技術4〕對準和曝光50編輯pptGateMaskP-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist2.光刻技術4〕對準和曝光51編輯pptP-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist減小駐波，減少剩余溶劑2％～5％2.光刻技術5〕曝光后烘烤52編輯pptP-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技術6〕顯影53編輯pptVacuumDeveloperWaferChuckWatersleeveDrainDIwater2.光刻技術6〕顯影54編輯ppt負膠：未曝光區(qū)域溶解圖形和掩膜版相反幾乎不需要化學反響，顯影液為有機溶劑清洗去除顯影液：丁基醋酸鹽、乙醇問題：交聯(lián)光刻膠在顯影和清洗過程中吸收顯影液而膨脹變形，是負膠不能用于2微米以下光刻的主要原因2.光刻技術6〕顯影55編輯ppt正膠：曝光區(qū)域溶解圖形和掩膜版相同顯影液和光刻膠之間有化學反響顯影液：稀釋的NaOH、KOH、四甲基氫氧化銨0.2-0.3g/l0.26當量濃度成為顯影標準工藝2.光刻技術6〕顯影56編輯pptP-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技術7〕HardBake堅膜57編輯pptP-WellUSGSTIPolysiliconPR此時出現(xiàn)問題還可以返工2.光刻技術8〕先影后檢查58編輯ppt刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從硅片外表去除不需要的材料的過程。有圖形的光刻膠層在刻蝕中不受到腐蝕源顯著的侵蝕。選擇性地刻蝕掉未被保護的區(qū)域圖形從光刻膠轉(zhuǎn)移到晶圓上干法和濕法2.光刻技術刻蝕技術59編輯ppt刻蝕工藝干法刻蝕濕法刻蝕：應用化學機械拋光去除光刻膠質(zhì)量檢測2.光刻技術刻蝕技術的主要工藝濕法腐蝕：液體化學試劑〔酸、堿和溶劑〕以化學方式去除硅片外表的材料。用于大于3微米的刻蝕干法刻蝕：等離子體，亞微米以下的主要工藝60編輯ppt吸附擴散到外表解吸附擴散到對流層等離子體產(chǎn)生刻蝕物質(zhì)16523Film反響邊界層副產(chǎn)物離子轟擊4氣流2.光刻技術干法刻蝕技術-等離子體刻蝕61編輯ppt在半導體生產(chǎn)中，干法刻蝕是最主要的用來去除外表材料的刻蝕方法。完整地把掩膜圖形復制到硅片外表上采用等離子體：中性、高能量、離子化的氣體包含中性原子或分子、帶電離子、自由電子、別離的原子或分子〔基〕2.光刻技術干法刻蝕技術-等離子體刻蝕62編輯ppt干法刻蝕的優(yōu)點刻蝕剖面是各向異性，具有非常好的側(cè)壁剖面控制好的關鍵尺寸控制最小的光刻膠脫落或粘附問題片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性較低的化學制品使用和處理費用干法刻蝕缺點對下層材料的差的刻蝕選擇比等離子體帶來的器件損傷昂貴的設備。2.光刻技術63編輯ppt深反響離子刻蝕DRIE的應用高選擇比各向異性化學反響和物理離子轟擊離子不是主要的刻蝕物質(zhì)離子輔助刻蝕2.光刻技術64編輯ppt刻蝕多晶硅形成柵極P-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用65編輯pptP-WellUSGSTIPRPRPolysilicon刻蝕多晶硅形成柵極2.光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用66編輯pptP-WellUSGSTIGateOxidePolysiliconPR刻蝕多晶硅形成柵極2.光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用67編輯pptP-WellUSGSTIGateOxidePolysilicon刻蝕多晶硅形成柵極2.光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用68編輯ppt刻蝕技術的應用——化學機械拋光CMP全局平坦化，CMP最初用于互連平坦化，現(xiàn)在也用于器件隔離工藝，無劃傷、無玷污CMP沒有終點指示，必須開發(fā)有高選擇比的工藝或到達高度重復的拋光速率機械研磨、腐蝕劑、磨料2.光刻技術69編輯ppt金屬化？器件之間以及器件與外部之間的連接互連局域互連：柵極互連，多晶硅，硅化物層間互連：W塞plugs，通孔Vias等封裝級別互連：長程互連Cu、Al、mm量級2.互連技術70編輯pptCMOS中的金屬化P-waferN-WellP-WellSTIn+n+USGp+p+Metal1,Al?CuBPSGWP-epiTiSi2TiN,ARCTi/TiN2.互連技術71編輯ppt銅互連P-EpiP-WaferN-WellP-Welln+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2TaorTaNTi/TiNSiNCuCuFSG2.互連技術72編輯ppt多層互連：層間介質(zhì)層隔離去除后的形貌2.互連技術73編輯ppt為什么要多層互連Cellsizewith1layermetal減小芯片尺寸！2.互連技術74編輯ppt金屬化的要求低電阻與器件的電學接觸：歐姆或肖特級接觸臺階的覆蓋性刻蝕方法〔刻蝕、CMP？〕熱、機械穩(wěn)定性可靠性：電遷移2.互連技術電路延時正比于互連線長度的平方全局互連Al，Cu局部互連(短，電阻要求不高〕多晶硅，10-4，可以經(jīng)受高溫，硅化物WSi2,TaSi2,MoSi2,TiSi。。。。。75編輯pptAl互連130nm以上工藝濺射Al膜干法刻蝕鋁膜存在問題Al釘電遷移電阻高2.互連技術76編輯ppt鋁釘現(xiàn)象450C，硅擴散到Al中577C，1.59at％Al-Si共晶硅向鋁中擴散，形成孔隙，退火時，形成鋁釘2.互連技術77編輯ppt電遷移電遷移：大電流密度下〔IC中電流密度可達105A/cm2〕，金屬在電子碰撞下發(fā)生遷移，正極附近聚集，負極附近出現(xiàn)空洞Al電遷移Al中參加1－4％Cu減少Al中的晶粒邊界擴散效應加一層Ti，TiN，W減少電遷移W做一層互連金屬：局部互連2.互連技術electronCathodeAnodeeFailureee電遷移測試結(jié)構(gòu)78編輯ppt電遷移使導線斷路或短路，從而引起IC失效。具體表現(xiàn)為：

—在互連引線中形成空洞，增加了電阻

—空洞長大，最終貫穿互連引線，形成斷路

—在互連引線中形成晶須，造成層間短路

—晶須長大，穿透鈍化層，產(chǎn)生腐蝕源(a)小丘的生長(b)晶須的橋接(c)物質(zhì)的堆積與耗散Al引線的電遷移現(xiàn)象2.互連技術79編輯ppt互連和門延遲2.互連技術80編輯ppt銅互連Cu：電阻率低、抗電遷移強，130nm以下使用2.互連技術81編輯ppt銅互連刻蝕困難——只能采用Damance電鍍工藝與硅和SiO2反響粘附性差需要阻擋層，WN，Ta，TaN。。。。。2.互連技術芯片上Damance電鍍銅互連工藝示意圖82編輯ppt銅互連根本工藝FSGCuFSGCuSiNFSG1〕刻蝕溝槽和通孔2.互連技術在布線的地方挖好溝道83編輯pptTaFSGCuCuCuFSGFSGSiN阻擋銅的擴散，提高結(jié)合力：Ti,TiN,Ta,TaN,W,WNCu種籽層：500~2000?(PVD)，電鍍成核位置2〕阻擋層和種子層淀積銅互連根本工藝2.互連技術84編輯pptFSGCuSiNTaFSGCuCuFSGBottomup生長方式

3〕電鍍銅銅互連根本工藝2.互連技術85編輯ppt抑制劑S：抑制銅的生長，主要在TSV孔外表與側(cè)壁吸附，加速劑A：加速銅的生長，主要在TSV孔底吸附鍍銅填充的根本原理銅互連根本工藝2.互連技術86編輯ppt銅互連根本工藝2.互連技術鍍銅填充的實際效果87編輯pptFSGCuSiNTaFSGCuCuSiN4〕化學機械研磨〔CMP〕，CVD淀積鉭,氮化硅銅互連根本工藝2.互連技術88編輯ppt銅互連根本工藝2.互連技術雙鑲嵌工藝：同時形成互連線和通孔填充N-WellP-WellP+P+N+N+IMD1LinerIMD2M2M1V189編輯ppt提高硅的