IC工藝技術(shù)1引言和硅襯底

集成電路工藝技術(shù)

系列講座?集成電路工藝技術(shù)

系列講座?1集成電路工藝技術(shù)講座

第一講集成電路工藝技術(shù)引言和

硅襯底材料?集成電路工藝技術(shù)講座

第一講集成電路工藝技術(shù)引言和

硅襯底2引言集成電路工藝技術(shù)發(fā)展趨勢器件等比例縮小原理平面工藝單項工藝工藝整合集成電路制造環(huán)境講座安排?引言集成電路工藝技術(shù)發(fā)展趨勢?3集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢特征線寬不斷變細、集成度不斷提高摩爾定律：芯片上晶體管每一年半翻一番芯片和硅片面積不斷增大數(shù)字電路速度不斷提高結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能多元化芯片價格不斷降低?集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢特征線寬不斷變細、集成度不斷提高?4IC技術(shù)發(fā)展趨勢(1)

特征線寬隨年代縮小?IC技術(shù)發(fā)展趨勢(1)

特征線寬隨年代縮小?5IC技術(shù)發(fā)展趨勢(1)

特征線寬隨年代縮小19881992199519971999200120022005CD(um)1.00.50.350.250.180.150.130.10?IC技術(shù)發(fā)展趨勢(1)

特征線寬隨年代縮小1988199216IC技術(shù)發(fā)展趨勢(1)

集成度不斷提高－摩爾定律?IC技術(shù)發(fā)展趨勢(1)

集成度不斷提高－摩爾定律?7IC技術(shù)發(fā)展趨勢(2)

硅片大直徑化直徑mm(inch)75(3)100(4)125(5)150(6)200(8)300(12)引入年代197219751977198419901997?IC技術(shù)發(fā)展趨勢(2)

硅片大直徑化直徑75100125158IC技術(shù)發(fā)展趨勢(3)

CPU運算能力年代CPU型號運算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-42000?IC技術(shù)發(fā)展趨勢(3)

CPU運算能力年代CPU型號運算能力9IC技術(shù)發(fā)展趨勢(4)

結(jié)構(gòu)復(fù)雜化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCD?IC技術(shù)發(fā)展趨勢(4)

結(jié)構(gòu)復(fù)雜化功能多元化Bipolar10IC技術(shù)發(fā)展趨勢(5)

芯片價格不斷降低?IC技術(shù)發(fā)展趨勢(5)

芯片價格不斷降低?11MOSFET等比例縮小基本長溝道MOSFET器件特性短溝道效應(yīng)*開啟電壓Vth下降*漏極導(dǎo)致勢壘下降*源漏穿通*亞開啟電流增加?MOSFET等比例縮小基本長溝道MOSFET器件特性?12基本長溝道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?基本長溝道MOSFET器件VDPn+n+Qn(y)=-[Vg13短溝道效應(yīng)開啟電壓降低輸出飽和特性差LVtVdsIds?短溝道效應(yīng)開啟電壓降低輸出飽和特14短溝道效應(yīng)亞開啟電流增加VgIdVd=4V1V0.1V?短溝道效應(yīng)亞開啟電流增加VgIdVd=4V1V0.1V?15MOSFET等比例縮小示意?MOSFET等比例縮小示意?16MOSFET等比例縮小規(guī)則參數(shù)變量縮小因子幾何尺寸W,L,tox,xj1/λ電壓VDS,VGS1/k摻雜濃度NA,NDλ2/k電場Eλ/k電流IDSλ/k2門延遲Tk/λ2?MOSFET等比例縮小規(guī)則參數(shù)變量縮小因子幾何尺寸W,L,17恒電場和恒電壓縮小參數(shù)變量恒電場恒電壓幾何尺寸W,L,tox,xj1/λ1/λ電壓VDS,VGS1/λ1摻雜濃度NA,NDλλ2電場E1λ電流IDS1/λλ門延遲T1/λ1/λ2?恒電場和恒電壓縮小參數(shù)變量恒電場恒電壓幾何尺寸W,L,t18雙極型晶體管的等比例縮小發(fā)射極條寬k基區(qū)摻雜濃度k1.6集電區(qū)摻雜濃度k2基區(qū)寬度k0.8集電區(qū)電流密度k2門電路延遲時間k?雙極型晶體管的等比例縮小發(fā)射極條寬19平面工藝－圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)氧化硅光刻膠硅襯底掩膜?平面工藝－圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)氧化硅光刻膠硅襯底掩膜?20平面工藝－制造二極管?平面工藝－制造二極管?21平面工藝－制造二極管?平面工藝－制造二極管?22集成電路單項工藝擴散離子注入光刻刻蝕圖形轉(zhuǎn)移工藝摻雜工藝外延薄膜工藝CVD濺射蒸發(fā)?集成電路單項工藝擴散離子注入光刻刻蝕圖形23工藝整合雙極集成電路*數(shù)字雙極集成電路－高速*模擬雙極集成電路－精度（含電容，pnp)CMOS集成電路*數(shù)字邏輯，存儲器CMOS*數(shù)字模擬混合CMOSBiCMOS集成電路高壓功率MOSBCD集成電路?工藝整合雙極集成電路?24雙極集成電路工藝埋層光刻P(111)Sub10-20-cm?雙極集成電路工藝埋層光刻P(111)Sub?25雙極集成電路工藝埋層擴散P襯底N+埋層?雙極集成電路工藝埋層擴散N+埋層?26雙極集成電路工藝外延PSubN-EpiN+埋層?雙極集成電路工藝外延N-EpiN+埋層?27雙極集成電路工藝

隔離光刻PSubN-EpiN+?雙極集成電路工藝

隔離光刻N-EpiN+?28雙極集成電路工藝隔離擴散N-EpiN+P+P+?雙極集成電路工藝隔離擴散N-EpiN+P+P+?29雙極集成電路工藝基區(qū)擴散N埋層P+P+基區(qū)?雙極集成電路工藝基區(qū)擴散N埋層P+P+基區(qū)?30雙極集成電路工藝發(fā)射區(qū)擴散N+P+P+

pN+N+?雙極集成電路工藝發(fā)射區(qū)擴散N+P+P+31雙極集成電路工藝接觸孔光刻N+P+P+

pN+N+?雙極集成電路工藝接觸孔光刻N+P+P+32雙極集成電路工藝金屬連線N+P+P+

pN+N+?雙極集成電路工藝金屬連線N+P+P+33集成電路制造環(huán)境超凈廠房無塵、恒溫、恒濕超凈水超凈氣體常用氣體(N2、O2、H2)純度>99.9999%顆?？刂茋?yán)0.5/L超凈化學(xué)藥品純度、顆?？刂?集成電路制造環(huán)境超凈廠房?34IC制造環(huán)境(1)

凈化級別和顆粒數(shù)凈化級別顆粒數(shù)／立方英尺0.12um0.2um0.3um0.5um0.289.912.140.870.281357.53110350753010100----7503001001000------------1000?IC制造環(huán)境(1)

凈化級別和顆粒數(shù)凈化顆粒數(shù)／立35凈化室?凈化室?36IC制造環(huán)境(2)

超純水極高的電阻率（導(dǎo)電離子很少）18M

無機顆粒數(shù)<5ppb(SiO2)總有機碳（TOC)<20ppb細菌數(shù)0.1/ml?IC制造環(huán)境(2)

超純水極高的電阻率（導(dǎo)電離子很少）137IC制造環(huán)境(3)

超純化學(xué)藥品DRAM64k256K4M64M1G線寬(um)3.02.01.00.50.25試劑純度10ppm5ppm100ppb80ppb10ppb雜質(zhì)顆粒0.5u0.2u0.1u0.05u0.025u顆粒含量（個／ml)1000100152.51金屬雜質(zhì)1ppm100ppb50ppb?IC制造環(huán)境(3)

超純化學(xué)藥品DRAM64k256K4M638講座安排引言和硅襯底光刻濕法腐蝕和干法刻蝕擴散和熱氧化離子注入外延CVD金屬化雙極集成電路工藝技術(shù)CMOS集成電路工藝技術(shù)?講座安排引言和硅襯底?39硅襯底材料?硅襯底材料?40硅襯底材料CZ(直拉）法生長單晶硅片準(zhǔn)備（切割－研磨－拋光）晶體缺陷拋光片主要技術(shù)指標(biāo)?硅襯底材料CZ(直拉）法生長單晶?41從原料到拋光片原料SIO2多晶硅單晶拋光片蒸餾與還原晶體生長切割／研磨／拋光?從原料到拋光片原料SIO2多晶硅單晶拋光片蒸餾與還原晶體生長42起始材料SiC+SiO2Si(固)+SiO(氣)+CO(氣)形成冶金級硅MGS(98%)

300CSi+3HClSiHCl3(氣)+H2將SiHCl3(室溫下為液體，沸點32C）分餾提純SiHCl3＋H2Si+3HCl產(chǎn)生電子級硅EGS(純度十億分之一），它是多晶硅材料

?起始材料SiC+SiO2Si(43CZ(直拉）法生長單晶石墨基座晶體RF線圈熔融硅石英坩堝籽晶?CZ(直拉）法生長單晶石墨基座晶體RF線圈熔融硅石英坩堝籽晶44分凝系數(shù)平衡分凝系數(shù)k=Cs/Cl

硼0.8磷0.35砷0.3銻0.023LiquidSolidCsCl?分凝系數(shù)平衡分凝系數(shù)LiquidSolidCsCl?45摻雜物質(zhì)的分布Cs=k0C0(1-M/M0)k0-1K=10.10.01Cs/C0凝固分數(shù)M/M010-11.010-2?摻雜物質(zhì)的分布Cs=k0C0(1-M/M0)k0-1K=1046有效分凝系數(shù)ke=Cs/Cl

（Cl為遠離界面處液體的雜質(zhì)濃度）＝ko/[ko+(1-ko)exp(-v/D)]v拉伸速度粘滯層厚度D融體中摻雜劑擴散系數(shù)提高v，減少轉(zhuǎn)速（增加）或不斷加入高純度多晶硅可使ke接近1?有效分凝系數(shù)ke=Cs/Cl（Cl為遠離界面處液體的雜質(zhì)47硅片準(zhǔn)備滾圓和做基準(zhǔn)面切片(線切割），倒角（防止產(chǎn)生缺陷）腐蝕去除沾污和損傷層(HNO3+HF+醋酸)磨片和化學(xué)機械拋光（NaOH＋SiO2，去除表面缺陷）清洗（去除殘留沾污）NH3OH＋H2O2，HCl＋H2O2,H2SO4＋H2O2?硅片準(zhǔn)備滾圓和做基準(zhǔn)面?48硅片的定位面(111)n(111)p(100)n(100)p?硅片的定位面(111)n(111)p(100)n(1049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?硅片的定位面／定位槽100mm硅片主定位面，副定位50金剛石晶體結(jié)構(gòu)?金剛石晶體結(jié)構(gòu)?51晶體缺陷點缺陷空位，間隙原子，替位雜質(zhì)線缺陷位錯面缺陷層錯體缺陷沉淀，夾雜?晶體缺陷點缺陷空位，間隙原子，替位雜質(zhì)?52點缺陷?點缺陷?53位錯刃型位錯?位錯刃型位錯?54位錯螺旋位錯?位錯螺旋位錯?55滑移線?滑移線?56滑移線腐蝕坑?滑移線腐蝕坑?57層錯CBACBACBABACABACBA?層錯CB?58OISF?OISF?59ESF(EpiStackingFaults)(111)?ESF(EpiStackingFaults)(111)60ESF(EpiStackingFaults)(100)?ESF(EpiStackingFaults)(100)?61氧沉淀–氧在硅中固溶度10191018101710161015氧固溶度cm-3678910104/T(K-1)Arrhenius關(guān)系Cox=2x1021exp(-1.032/kT)?氧沉淀–氧在硅中固溶度1019101710161015氧固62BMD(BulkMicroDefects)?BMD(BulkMicroDefects)?63缺陷的兩重性缺陷往往是復(fù)合中心，是PN結(jié)漏電和低擊穿的原因，特別是缺陷和重金屬的交互作用會加深這種作用（降低壽命）所以不希望在有源區(qū)有缺陷。在非有源區(qū)，缺陷能吸引雜質(zhì)聚集，即有吸雜作用，是有好處的。?缺陷的兩重性缺陷往往是復(fù)合中心，是PN結(jié)漏電和低擊穿的原因，64吸雜(Gettering)吸雜－晶體中的雜質(zhì)和缺陷擴散并被俘獲在吸雜中心非本征吸雜：在遠離有源區(qū)（如背面）引入應(yīng)變或損傷區(qū)本征吸雜：利用硅片體內(nèi)氧沉淀，點缺陷和殘余雜質(zhì)（如重金屬）被俘獲和限制在沉淀處，從而降低有源區(qū)的濃度。?吸雜(Gettering)吸雜－晶體中的雜質(zhì)和缺陷擴散并被65DZ

(DenudedZone)?DZ(DenudedZone)?66拋光片主要技術(shù)指標(biāo)晶體參數(shù)-晶向(111)/(100)電學(xué)參數(shù)-摻雜類型／摻雜劑P/N-電阻率機械參數(shù)－直徑／厚度150mm/67515um-平整度/彎曲度／翹曲度?拋光片主要技術(shù)指標(biāo)晶體參數(shù)?67拋光片主要技術(shù)指標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)－含氧量含碳量28

3ppma

－含碳量

<0.5ppma

位錯密度<10/cm2－層錯密度<50/cm2-表面顆粒>0.3um<15pcs/wafer－重金屬雜質(zhì)壽命?拋光片主要技術(shù)指標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)?68眼到、手到、心到，一個不良也逃不掉。3月-243月-24Sunday,March3