IC工艺技术1-引言和硅衬底

集成电路工艺技术系列讲座集成电路工艺技术讲座第一讲集成电路工艺技术引言和硅衬底材料引言•集成电路工艺技术发展趋势•器件等比例缩小原理•平面工艺•单项工艺•工艺整合•集成电路制造环境•讲座安排集成电路技术发展趋势•特征线宽不断变细、集成度不断提高摩尔定律：芯片上晶体管每一年半翻一番•芯片和硅片面积不断增大•数字电路速度不断提高•结构复杂化、功能多元化•芯片价格不断降低IC技术发展趋势(1)特征线宽随年代缩小0.111019701973197519791982198519871991199319972001YEARumIC技术发展趋势(1)特征线宽随年代缩小19881992199519971999200120022005CD(um)1.00.50.350.250.180.150.130.10IC技术发展趋势(1)集成度不断提高－摩尔定律1.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071970197519801985199019952000年度晶体管808040048086802868038680486奔腾PentiumProIC技术发展趋势(2)硅片大直径化直径mm(inch)75(3)100(4)125(5)150(6)200(8)300(12)引入年代197219751977198419901997IC技术发展趋势(3)CPU运算能力年代CPU型号运算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-42000IC技术发展趋势(4)结构复杂化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCDIC技术发展趋势(5)芯片价格不断降低1.E-081.E-061.E-041.E-021.E+00195019601970198019902000年度价格相对值MOSFET等比例缩小•基本长沟道MOSFET器件特性•短沟道效应*开启电压Vth下降*漏极导致势垒下降*源漏穿通*亚开启电流增加基本长沟道MOSFET器件VDPn+n+Qn(y)=-[Vg-V(y)-2]Co+2qNa[2+V(y)]dV=IDdR=IDdy/ZQn(y)ID=Z/LCo{(VG-2-VD/2)VD-2/32qNa/Co[(VD+2)2/3-(2)2/3]}QnVG短沟道效应•开启电压降低输出饱和特性差LVtVdsIds短沟道效应•亚开启电流增加VgIdVd=4V1V0.1VMOSFET等比例缩小示意MOSFET等比例缩小规则参数变量缩小因子几何尺寸W,L,tox,xj1/λ电压VDS,VGS1/k掺杂浓度NA,NDλ2/k电场Eλ/k电流IDSλ/k2门延迟Tk/λ2恒电场和恒电压缩小参数变量恒电场恒电压几何尺寸W,L,tox,xj1/λ1/λ电压VDS,VGS1/λ1掺杂浓度NA,NDλλ2电场E1λ电流IDS1/λλ门延迟T1/λ1/λ2双极型晶体管的等比例缩小•发射极条宽k•基区掺杂浓度k1.6•集电区掺杂浓度k2•基区宽度k0.8•集电区电流密度k2•门电路延迟时间k平面工艺－图形转移技术氧化硅光刻胶硅衬底掩膜平面工艺－制造二极管平面工艺－制造二极管集成电路单项工艺扩散离子注入光刻刻蚀图形转移工艺掺杂工艺外延薄膜工艺CVD溅射蒸发工艺整合•双极集成电路*数字双极集成电路－高速*模拟双极集成电路－精度（含电容，pnp)•CMOS集成电路*数字逻辑，存储器CMOS*数字模拟混合CMOS•BiCMOS集成电路•高压功率MOS•BCD集成电路双极集成电路工艺•埋层光刻P(111)Sub10-20-cm双极集成电路工艺•埋层扩散P衬底N+埋层双极集成电路工艺•外延PSubN-EpiN+埋层双极集成电路工艺•隔离光刻PSubN-EpiN+双极集成电路工艺•隔离扩散N-EpiN+P+P+双极集成电路工艺•基区扩散N埋层P+P+基区双极集成电路工艺•发射区扩散N+P+P+pN+N+双极集成电路工艺•接触孔光刻N+P+P+pN+N+双极集成电路工艺•金属连线N+P+P+pN+N+集成电路制造环境•超净厂房无尘、恒温、恒湿•超净水•超净气体常用气体(N2、O2、H2)纯度99.9999%颗粒控制严0.5/L•超净化学药品纯度、颗粒控制IC制造环境(1)净化级别和颗粒数净化级别颗粒数／立方英尺0.12um0.2um0.3um0.5um0.289.912.140.870.281357.53110350753010100----7503001001000------------1000净化室IC制造环境(2)超纯水•极高的电阻率（导电离子很少）18M•无机颗粒数5ppb(SiO2)•总有机碳（TOC)20ppb•细菌数0.1/mlIC制造环境(3)超纯化学药品DRAM64k256K4M64M1G线宽(um)3.02.01.00.50.25试剂纯度10ppm5ppm100ppb80ppb10ppb杂质颗粒0.5u0.2u0.1u0.05u0.025u颗粒含量（个／ml)1000100152.51金属杂质1ppm100ppb50ppb讲座安排•引言和硅衬底•光刻•湿法腐蚀和干法刻蚀•扩散和热氧化•离子注入•外延•CVD•金属化•双极集成电路工艺技术•CMOS集成电路工艺技术硅衬底材料硅衬底材料•CZ(直拉）法生长单晶•硅片准备（切割－研磨－抛光）•晶体缺陷•抛光片主要技术指标从原料到抛光片原料SIO2多晶硅单晶抛光片蒸馏与还原晶体生长切割／研磨／抛光起始材料•SiC+SiO2Si(固)+SiO(气)+CO(气)形成冶金级硅MGS(98%)300C•Si+3HClSiHCl3(气)+H2将SiHCl3(室温下为液体，沸点32C）分馏提纯•SiHCl3＋H2Si+3HCl产生电子级硅EGS(纯度十亿分之一），它是多晶硅材料CZ(直拉）法生长单晶石墨基座晶体RF线圈熔融硅石英坩埚籽晶分凝系数•平衡分凝系数k=Cs/Cl硼0.8磷0.35砷0.3锑0.023LiquidSolidCsCl掺杂物质的分布•Cs=k0C0(1-M/M0)k0-1K=10.10.01Cs/C0凝固分数M/M010-11.010-2有效分凝系数•ke=Cs/Cl（Cl为远离界面处液体的杂质浓度）•＝ko/[ko+(1-ko)exp(-v/D)]•v拉伸速度•粘滞层厚度•D融体中掺杂剂扩散系数•提高v，减少转速（增加）或不断加入高纯度多晶硅可使ke接近1硅片准备•滚圆和做基准面•切片(线切割），倒角（防止产生缺陷）•腐蚀去除沾污和损伤层(HNO3+HF+醋酸)•磨片和化学机械抛光（NaOH＋SiO2，去除表面缺陷）•清洗（去除残留沾污）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以上硅片定位槽金刚石晶体结构晶体缺陷•点缺陷空位，间隙原子，替位杂质•线缺陷位错•面缺陷层错•体缺陷沉淀，夹杂点缺陷位错•刃型位错位错•螺旋位错滑移线滑移线腐蚀坑层错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关系Cox=2x1021exp(-1.032/kT)BMD(BulkMicroDefects)缺陷的两重性•缺陷往往是复合中心，是PN结漏电和低击穿的原因，特别是缺陷和重金属的交互作用会加深这种作用（降低寿命）所以不希望在有源区有缺陷。•在非有源区，缺陷能吸引杂质聚集，即有吸杂作用，是有好处的。吸杂(Gettering)•吸杂－晶体中的杂质和缺陷扩散并被俘获在吸杂中心•非本征吸杂：在远离有源区（如背面）引入应变或损伤区•本征吸杂：利用硅片体内氧沉淀，点缺陷和残余杂质（如重金属）被俘获和限制在沉淀处，从而降低有源区的浓度。DZ(DenudedZone)抛光片主要技术指标晶体参数-晶向(111)/(100)电学参数-掺杂类型／掺杂剂P/N-电阻率机械参数－直径／厚度150mm/67515um-平整度/弯曲度／翘曲度抛光片主要技术指标结构参数－含氧量含碳量283ppma－含碳量0.5ppma-位错密度10/cm2－层错密度50/cm2-表面颗粒0.3um15pcs/wafer－重金属杂质寿命