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1、微电子制造原理与技术微电子制造原理与技术 第二部分第二部分 芯片制造原理与技术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 Oxide Nitride USG W P-wafer N-well P-well BPSG p+p+n+ n+ USG W Metal 2, AlCu P-epi Metal 1, AlCu AlCu STI 浅槽隔离 金属前介 质层 or 层 间介质层1 IMD or ILD2 抗反射层 PD1 钝化层2 Sidewall
2、 spacer WCVD TiN CVD 1. 薄膜技术 l外延Si l介质膜：场氧化、栅氧化膜、USG、BPSG、 PSG、层间介质膜、钝化膜、high k、low k、浅 槽隔离 l金属膜：Al、Ti 、Cu、Wu、Ta l多晶硅 l金属硅化物 IC中的薄膜 1. 薄膜技术 l作为MOS器件的绝缘栅介质 氧化膜的应用例 1. 薄膜技术 Si Dopant SiO2SiO2 l作为选择性掺杂的掩蔽膜 Silicon nitride Silicon Substrate Si Oxide l作为缓应力冲层 l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
3、度（） 栅氧（0.18m工艺）2060 电容器的电介质5100 掺杂掩蔽的氧化物4001200依赖于掺杂剂、注入能 量、时间、温度 STI隔离氧化物150 LOCOS垫氧200500 场氧250015000 STI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
4、离子CVD 溅射法 AP-CVD P-CVD HDP-CVD W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 ： Chemical Vapor Deposition AP-CVD ：Atmospheric Pressure CVD PVD ： Physical Vapor Deposition P-CVD ：Plasma CVD LP-CVD ：Low Pressure CVD HDP-CVD ：High Density Plasma CVD 电沉积
5、 Cu膜、Ni膜、Au膜等 1. 薄膜技术 物理气相沉积PVD蒸发法 l早期金属层全由蒸发法制备 l现已逐渐被溅射法取代 l无化学反应 lpeq.vap. = 10-3 Torr, l台阶覆盖能力差 l合金金属成分难以控制 扩散泵、冷泵P 1mTorr 可有4个坩锅，装入24片圆片 1. 薄膜技术 l1852年第1次发现溅射现象 l溅射的台阶覆盖比蒸发好 l辐射缺陷远少于电子束蒸发 l制作复合膜和合金时性能更好 l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。
6、 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 lTiN 化学气相沉积CVD 1. 薄膜技术 lTi l硅膜 外延硅、多晶硅、非晶硅 l介质膜 氧化硅 氮化硅 氮氧化硅 磷硅玻璃PSG、BPSG l金属膜 W、Cu、Ti、TiN 化学气相沉积CVD 1. 薄膜技术 适用范围广泛（
7、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, 1000Amin，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-CVD 1. 薄膜技术 AP-CVD ：常压化学气相沉积（Atmospheric Pressure CVD） u产量高、均匀性好，可 用于大尺寸硅片 u主要用于沉积SiO2和掺 杂的SiO2 u气体消耗高，需要经常 清洁反应腔 u沉积膜通常台阶覆盖能 力差。 Canon APT 4800 APCVD tools 化
8、学气相沉积AP-CVD 1. 薄膜技术 连续加工的APCVD系统 化学气相沉积AP-CVD 1. 薄膜技术 化学气相沉积LP-CVD LP-CVD ：低压化学气相沉积（Low Pressure CVD） 1. 薄膜技术 uSiO2：做层间介质、浅槽隔离的填充物和侧墙 u氮化硅：做钝化保护层或掩膜材料 u多晶硅：做栅电极或电阻 u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 l更低的工艺温度（250450） l 对高的深宽比间隙有好的填充能力 l优良的粘附能力 l 高的淀积速率 l 少的针孔和空洞，高的膜密度 l主要用于
9、淀积绝缘层， RF频率通常低于1MHz 1. 薄膜技术 化学气相沉积PE-CVD、HDP-CVD PE-CVD ：等离子体增强CVD HDP-CVD ：高密度等离子体CVD l沉积金属互连间的绝缘层SiO2：硅烷氧化剂 l沉积金属W：WF6 + 3H2 = W + 6HF l沉积铜阻挡层TiN：6TiCl4+8NH36TiN+24HCl 化学气相沉积PE-CVD、HDP-CVD 应用例 ： 1. 薄膜技术 W 2. 光刻技术 是高精密图形转移的有效方法 l光刻 光刻的基本过程 对准和曝光 l光学基础 l光刻设备 l光学增强技术 l对准 先进光刻技术 l刻蚀 刻蚀工艺 干法和湿法刻蚀的应用 通过
10、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 l光刻机: 产量为其成本的6倍才有利 润：Intel l掩膜版：$1million l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 4 m 波长320-440 nm. 1976 ：采用G线的10倍缩小步 进机. 198
11、0s：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0.25m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 l365nm线能刻出 0.250.35nm线宽; l248nm线能刻出 0.130.18nm线宽; l193nm线能刻出 0.100.13nm线宽; l157nm线
12、能刻出 0.07nm线宽; l13nm线能刻出 0.05nm线宽; l X光能刻出 0.10nm以下线宽; l电子束能刻出 0.10.2nm线宽; l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 Primer Layer 1）气相成底膜处理 Wafer Hot PlateHot Plate HMDS Vapor 增强硅片和光刻胶之间的粘附性 2. 光刻技术 l将光刻胶均匀地涂敷在硅片表面
13、 l膜厚符合设计要求（1m)，膜厚均匀(25nm)， 胶面上看不到干涉花纹； l胶层内无点缺陷（针孔等）； l涂层表面无尘埃，碎屑等； l膜厚：T1/1/2, 为转速，转/分钟。 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 P-Well USG STI Polysilicon Photoresist Primer Spindle PR dispenser nozzle Chuck Wafer To vacuum pump 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋
14、转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuc
15、k PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacu
16、um pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump PR dispenser nozzle Chuck PR suck back Wafer 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 l边圈：光刻胶在硅片边缘和背面的隆起 l干燥时，边圈将剥落，产生颗粒 l旋转涂胶器配置了边圈去除装置（EBR） l在旋转的硅片底部喷出少量溶剂 l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 Wafer Edge Bead 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindle To vacuum pump Chuck Wafer Solvent 去除边圈 2. 光刻技术 2）旋转涂胶 Spindl
