IC工藝技術1-引言和硅襯底課件

集成電路工藝技術

系列講座集成電路工藝技術講座

第一講集成電路工藝技術引言和

硅襯底材料引言集成電路工藝技術發(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IC技術發(fā)展趨勢(1)

特征線寬隨年代縮小IC技術發(fā)展趨勢(1)

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

集成度不斷提高－摩爾定律IC技術發(fā)展趨勢(3)

CPU運算能力年代CPU型號運算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-42000IC技術發(fā)展趨勢(4)

結構復雜化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCDIC技術發(fā)展趨勢(5)

芯片價格不斷降低基本長溝道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短溝道效應開啟電壓降低輸出飽和特性差LVtVdsIds短溝道效應亞開啟電流增加VgIdVd=4V1V0.1VMOSFET等比例縮小規(guī)則參數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恒電場和恒電壓縮小參數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平面工藝－制造二極管平面工藝－制造二極管集成電路單項工藝擴散離子注入光刻刻蝕圖形轉移工藝摻雜工藝外延薄膜工藝CVD濺射蒸發(fā)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擴散P襯底N+埋層雙極集成電路工藝外延PSubN-EpiN+埋層雙極集成電路工藝隔離擴散N-EpiN+P+P+雙極集成電路工藝基區(qū)擴散N埋層P+P+基區(qū)雙極集成電路工藝發(fā)射區(qū)擴散N+P+P+

pN+N+雙極集成電路工藝接觸孔光刻N+P+P+

pN+N+雙極集成電路工藝金屬連線N+P+P+

pN+N+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?.5/L超凈化學藥品純度、顆?？刂艻C制造環(huán)境(1)

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

超純水極高的電阻率（導電離子很少）18M無機顆粒數<5ppb(SiO2)總有機碳（TOC)<20ppb細菌數0.1/mlIC制造環(huán)境(3)

超純化學藥品DRAM64k256K4M64M1G線寬(um)3.02.01.00.50.25試劑純度10ppm5ppm100ppb80ppb10ppb雜質顆粒0.5u0.2u0.1u0.05u0.025u顆粒含量（個／ml)1000100152.51金屬雜質1ppm100ppb50ppb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CMOS集成電路工藝技術硅襯底材料硅襯底材料CZ(直拉）法生長單晶硅片準備（切割－研磨－拋光）晶體缺陷拋光片主要技術指標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產生電子級硅EGS(純度十億分之一），它是多晶硅材料

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分凝系數平衡分凝系數k=Cs/Cl

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

（Cl為遠離界面處液體的雜質濃度）＝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提高v，減少轉速（增加）或不斷加入高純度多晶硅可使ke接近1硅片準備滾圓和做基準面切片(線切割），倒角（防止產生缺陷）腐蝕去除沾污和損傷層(HNO3+HF+醋酸)磨片和化學機械拋光（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以上硅片定位槽金剛石晶體結構晶體缺陷點缺陷空位，間隙原子，替位雜質線缺陷位錯面缺陷層錯體缺陷沉淀，夾雜點缺陷位錯刃型位錯位錯螺旋位錯滑移線滑移線腐蝕坑層錯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關系Cox=2x1021exp(-1.032/kT)BMD(BulkMicroDefects)缺陷的兩重性缺陷往往是復合中心，是PN結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)，缺陷能吸引雜質聚集，即有吸雜作用，是有好處的。吸雜(Gettering)吸雜－晶體中的雜質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）引入應變或損傷區(qū)本征吸雜：利用硅片體內氧沉淀，點缺陷和殘余雜質（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。DZ

(DenudedZone)拋光片主要技術指標晶體參數-晶向(111)/(100)電學參數