芯片微纳制造技术

微电子制造原理与技术第二部分芯片制造原理与技术李明材料科学与工程学院芯片发展历程与莫尔定律晶体管结构与作用芯片微纳制造技术主要内容1.薄膜技术2.光刻技术3.互连技术4.氧化与掺杂技术IC中的薄膜OxideNitrideUSGWP-waferN-wellP-wellBPSGp+p+n+n+USGWMetal2,Al•CuP-epiMetal1,Al•CuAl•CuSTI浅槽隔离金属前介质层or层间介质层1IMDorILD2抗反射层PD1钝化层2SidewallspacerWCVDTiNCVD1.薄膜技术外延Si介质膜：场氧化、栅氧化膜、USG、BPSG、PSG、层间介质膜、钝化膜、highk、lowk、浅槽隔离……金属膜：Al、Ti、Cu、Wu、Ta……多晶硅金属硅化物IC中的薄膜1.薄膜技术作为MOS器件的绝缘栅介质氧化膜的应用例1.薄膜技术SiDopantSiO2SiO2作为选择性掺杂的掩蔽膜SiliconnitrideSiliconSubstrateSiOxide作为缓应力冲层作为牺牲氧化层，消除硅表面缺陷1.薄膜技术氧化膜的应用例半导体应用典型的氧化物厚度（Å）栅氧（0.18m工艺）20～60电容器的电介质5～100掺杂掩蔽的氧化物400～1200依赖于掺杂剂、注入能量、时间、温度STI隔离氧化物150LOCOS垫氧200～500场氧2500～15000STI—潜槽隔离，LOCOS—晶体管之间的电隔离，局部氧化垫氧—为氮化硅提供应力减小氧化膜的应用例1.薄膜技术薄膜材料及性能的要求厚度均匀性台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力高纯度和高密度化学剂量结构完整性和低应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的粘附性1.薄膜技术各种成膜技术及材料热氧化法蒸发法LP-CVD热CVD法CVD法PVD法SiO2膜等离子CVD溅射法AP-CVDP-CVDHDP-CVDW膜、高温氧化膜多结晶Si膜、Si3N4膜有机膜、SiO2膜非晶态Si膜SiO2膜、氮化膜、有机膜SiO2氧化膜氧化膜、金属膜等Al膜、Cu膜、Ti膜、TiN膜、W膜CVD：ChemicalVaporDepositionAP-CVD：AtmosphericPressureCVDPVD：PhysicalVaporDepositionP-CVD：PlasmaCVDLP-CVD：LowPressureCVDHDP-CVD：HighDensityPlasmaCVD电沉积Cu膜、Ni膜、Au膜等1.薄膜技术物理气相沉积PVD——蒸发法早期金属层全由蒸发法制备现已逐渐被溅射法取代无化学反应peq.vap.=~10-3Torr,台阶覆盖能力差合金金属成分难以控制扩散泵、冷泵P1mTorr可有4个坩锅，装入24片圆片1.薄膜技术1852年第1次发现溅射现象溅射的台阶覆盖比蒸发好辐射缺陷远少于电子束蒸发制作复合膜和合金时性能更好是目前金属膜沉积的主要方法物理气相沉积PVD——溅射法1.薄膜技术高能粒子（Ar离子）撞击具有高纯度的靶材料固体平板，撞击出原子。这些原子再穿过真空，淀积在硅片上凝聚形成薄膜。阴极靶材优点：具有保持复杂合金原组分的能力能够沉积难熔金属；能够在大尺寸硅片上形成均匀薄膜；可多腔集成，有清除表面与氧化层能力；有良好台阶覆盖和间隙填充能力。1.薄膜技术物理气相沉积PVD——溅射法化学气相沉积CVD通过化学气相反应形成薄膜的一种方法1.薄膜技术1.薄膜技术例：外延硅、多晶硅、非晶硅化学气相沉积CVDTiN化学气相沉积CVD1.薄膜技术Ti硅膜–外延硅、多晶硅、非晶硅介质膜–氧化硅–氮化硅–氮氧化硅–磷硅玻璃PSG、BPSG金属膜–W、Cu、Ti、TiN化学气相沉积CVD1.薄膜技术适用范围广泛（绝缘膜、半导体膜等），是外延生长的基础CVD制备的薄膜及采用的前驱体1.薄膜技术化学气相沉积CVD最早的CVD工艺、反应器设计简单APCVD发生在质量输运限制区域允许高的淀积速度,1000A／min，一般用于厚膜沉积APCVD的主要缺点是颗粒的形成化学气相沉积——AP-CVD1.薄膜技术AP-CVD：常压化学气相沉积（AtmosphericPressureCVD）产量高、均匀性好，可用于大尺寸硅片主要用于沉积SiO2和掺杂的SiO2气体消耗高，需要经常清洁反应腔沉积膜通常台阶覆盖能力差。CanonAPT4800APCVDtools化学气相沉积——AP-CVD1.薄膜技术连续加工的APCVD系统化学气相沉积——AP-CVD1.薄膜技术化学气相沉积——LP-CVDLP-CVD：低压化学气相沉积（LowPressureCVD）1.薄膜技术SiO2：做层间介质、浅槽隔离的填充物和侧墙氮化硅：做钝化保护层或掩膜材料多晶硅：做栅电极或电阻氧化氮化硅：兼有氧化硅和氮化硅的优点，改善了热稳定性、抗断裂能力、降低膜应力1.薄膜技术化学气相沉积——LP-CVD更低的工艺温度（250~450℃）对高的深宽比间隙有好的填充能力优良的粘附能力高的淀积速率少的针孔和空洞，高的膜密度主要用于淀积绝缘层，RF频率通常低于1MHz1.薄膜技术化学气相沉积——PE-CVD、HDP-CVDPE-CVD：等离子体增强CVDHDP-CVD：高密度等离子体CVD沉积金属互连间的绝缘层SiO2：硅烷＋氧化剂沉积金属W：WF6+3H2=W+6HF沉积铜阻挡层TiN：6TiCl4+8NH3—6TiN+24HCl化学气相沉积——PE-CVD、HDP-CVD应用例：1.薄膜技术W2.光刻技术是高精密图形转移的有效方法光刻–光刻的基本过程–对准和曝光光学基础光刻设备光学增强技术对准–先进光刻技术刻蚀–刻蚀工艺–干法和湿法刻蚀的应用通过光刻技术进行图形转移的基本过程2.光刻技术2.光刻技术是微电子制造的关键技术：最复杂、昂贵2.光刻技术电子束光刻机采用黄光的光刻室昂贵的光刻机光刻机:产量为其成本的6倍才有利润：Intel掩膜版：$1million光刻区洁净度要求最高、灯光昏黄占总工艺费用的30％，总工艺时间的40～50%掩膜版的费用呈指数式增长Mask自1995年开始成为关键技术，可以实现亚波长光刻，如248nm的光源用于130nm技术2.光刻技术1973:投影光刻机（1X)，分辨率4µm波长320-440nm.1976：采用G线的10倍缩小步进机.1980s：G线向I线转变（注：G、I对应高压汞灯的不同特征谱线，G线436nm、I线365nm）1995：深紫外应用于0.25μm技术，并延续了4代技术现在：193nm,157nm，EUV尺寸缩小依赖于光刻技术的发展1.接触式光刻机2.接近投影光刻机3.投影光刻机4.第1个G线步进机5.先进G线步进机6.第1个I线步进机7.先进I线步进机8.深紫外步进机2.光刻技术曝光光源与其解像度大致有如下关系365nm线能刻出0.25~0.35nm线宽;248nm线能刻出0.13~0.18nm线宽;193nm线能刻出0.10~0.13nm线宽;157nm线能刻出0.07nm线宽;13nm线能刻出0.05nm线宽;X光能刻出0.10nm以下线宽;电子束能刻出0.1~0.2nm线宽;离子束能刻出0.08nm左右线宽。2.光刻技术图形转移——光刻工艺的8个基本步骤1）气相成底膜处理2）旋转涂胶3）软烘4）对准和曝光5）曝光后烘焙6）显影7）坚膜烘焙7）显影后检查2.光刻技术底膜涂覆脱水烘焙Wafer处理腔PrimerLayer1）气相成底膜处理WaferHotPlateHotPlateHMDSVapor增强硅片和光刻胶之间的粘附性2.光刻技术将光刻胶均匀地涂敷在硅片表面膜厚符合设计要求（～1m)，膜厚均匀(2~5nm)，胶面上看不到干涉花纹；胶层内无点缺陷（针孔等）；涂层表面无尘埃，碎屑等；膜厚：T1/1/2,为转速，转/分钟。2.光刻技术2）旋转涂胶P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistPrimerSpindlePRdispensernozzleChuckWaferTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer2.光刻技术2）旋转涂胶边圈：光刻胶在硅片边缘和背面的隆起干燥时，边圈将剥落，产生颗粒旋转涂胶器配置了边圈去除装置（EBR）在旋转的硅片底部喷出少量溶剂丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐，或乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐去除边圈WaferαEdgeBead2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpChuckWaferSolvent去除边圈2.光刻技术2）旋转涂胶SpindleTovacuumpumpChuckWaferSolvent去除边圈2.光刻技术2）旋转涂胶P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist去除光刻胶中的溶剂，提高粘附性，提高均匀性2.光刻技术3）软烘P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistGateMask最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率2.光刻技术4）对准和曝光GateMaskP-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist2.光刻技术4）对准和曝光P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist减小驻波，减少剩余溶剂2％～5％2.光刻技术5）曝光后烘烤P-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技术6）显影VacuumDeveloperWaferChuckWatersleeveDrainDIwater2.光刻技术6）显影负胶：未曝光区域溶解图形和掩膜版相反几乎不需要化学反应，显影液为有机溶剂清洗去除显影液：丁基醋酸盐、乙醇问题：交联光刻胶在显影和清洗过程中吸收显影液而膨胀变形，是负胶不能用于2微米以下光刻的主要原因2.光刻技术6）显影正胶：曝光区域溶解图形和掩膜版相同显影液和光刻胶之间有化学反应显影液：稀释的NaOH、KOH、四甲基氢氧化铵0.2-0.3g/l0.26当量浓度成为显影标准工艺2.光刻技术6）显影P-WellUSGSTIPolysiliconPR2.光刻技术7）HardBake坚膜P-WellUSGSTIPolysiliconPR此时出现问题还可以返工2.光刻技术8）先影后检查刻蚀是用化学或物