1、李 明材料科學與工程學院芯片發展歷程與莫爾定律晶體管結構與作用芯片微納制造技術主要內容1.薄膜技術2.光刻技術3.互連技術4.氧化與摻雜技術IC中的薄膜OxideNitrideUSGWP-waferN-wellP-wellBPSGp+p+n+n+USGWMetal 2, AlCuP-epiMetal 1, AlCu AlCuSTI淺槽隔離淺槽隔離金屬前介金屬前介質層質層 or 層層間介質層間介質層1IMD or ILD2抗反射層抗反射層PD1鈍化層鈍化層2Sidewall spacerWCVDTiN CVD1. 薄膜技術l外延Sil介質膜：場氧化、柵氧化膜、USG、BPSG、PSG、層間介質膜

2、、鈍化膜、high k、low k、淺槽隔離l金屬膜：Al、Ti 、Cu、Wu、Tal多晶硅l金屬硅化物IC中的薄膜1. 薄膜技術l作為MOS器件的絕緣柵介質氧化膜的應用例1. 薄膜技術SiDopantSiO2SiO2l作為選擇性摻雜的掩蔽膜Silicon nitrideSilicon SubstrateSi Oxidel作為緩應力沖層l作為犧牲氧化層，消除硅表面缺陷1. 薄膜技術氧化膜的應用例半導體應用半導體應用典型的氧化物厚度（典型的氧化物厚度（）柵氧（柵氧（0.18 m工藝）工藝）2060電容器的電介質電容器的電介質5100摻雜掩蔽的氧化物摻雜掩蔽的氧化物4001200依賴于摻雜劑、注入

3、能依賴于摻雜劑、注入能量、時間、溫度量、時間、溫度STI隔離氧化物隔離氧化物150LOCOS墊氧墊氧200500場氧場氧250015000STI潛槽隔離，潛槽隔離，LOCOS晶體管之間的電隔離，局部氧化晶體管之間的電隔離，局部氧化墊氧墊氧為氮化硅提供應力減小為氮化硅提供應力減小氧化膜的應用例1. 薄膜技術薄膜材料及性能的要求厚度均勻性臺階覆蓋能力填充高的深寬比間隙的能力高純度和高密度化學劑量結構完整性和低應力好的電學特性對襯底材料或下層膜好的粘附性1. 薄膜技術各種成膜技術及材料熱氧化法熱氧化法蒸發法蒸發法LP-CVD熱熱CVD法法CVD法法PVD法法SiO2膜等離子等離子CVD濺射法濺射法A

4、P-CVDP-CVDHDP-CVDW膜、高溫氧化膜多結晶Si膜、Si3N4膜有機膜、SiO2膜非晶態Si膜SiO2膜、氮化膜、有機膜SiO2氧化膜氧化膜、金屬膜等Al膜、Cu膜、Ti膜、TiN膜、W膜CVD ： Chemical Vapor Deposition AP-CVD ：Atmospheric Pressure CVDPVD ： Physical Vapor Deposition P-CVD ：Plasma CVDLP-CVD ：Low Pressure CVD HDP-CVD ：High Density Plasma CVD電沉積電沉積Cu膜、Ni膜、Au膜等1. 薄膜技術物理氣相沉

5、積PVD蒸發法l早期金屬層全由蒸發法制備l現已逐漸被濺射法取代l無化學反應lpeq.vap. = 10-3 Torr,l臺階覆蓋能力差l合金金屬成分難以控制擴散泵、冷泵P 1mTorr可有4個坩鍋，裝入24片圓片1. 薄膜技術l1852年第1次發現濺射現象l濺射的臺階覆蓋比蒸發好l輻射缺陷遠少于電子束蒸發l制作復合膜和合金時性能更好l是目前金屬膜沉積的主要方法物理氣相沉積PVD濺射法1. 薄膜技術高能粒子（Ar離子）離子）撞擊具有高純度的靶材料固體平板，撞擊出原子。這些原子再穿過真空，淀積在硅片上凝聚形成薄膜。陰極陰極靶材靶材優點優點： 具有保持復雜合金原組分的能力 能夠沉積難熔金屬；能夠在大

6、尺寸硅片上形成均勻薄膜；可多腔集成，有清除表面與氧化層能力；有良好臺階覆蓋和間隙填充能力 。1. 薄膜技術物理氣相沉積PVD濺射法化學氣相沉積CVD通過化學氣相反應形成薄膜的一種方法1. 薄膜技術1. 薄膜技術例：外延硅、多晶硅、非晶硅化學氣相沉積CVDlTiN化學氣相沉積CVD1. 薄膜技術lTil硅膜外延硅、多晶硅、非晶硅l介質膜氧化硅氮化硅氮氧化硅磷硅玻璃PSG、BPSGl金屬膜W、Cu、Ti、TiN化學氣相沉積CVD1. 薄膜技術適用范圍廣泛（絕緣膜、半導體膜等），是外延生長的基礎CVD制備的薄膜及采用的前驅體1. 薄膜技術化學氣相沉積CVD最早的CVD工藝、反應器設計簡單APCVD發

7、生在質量輸運限制區域允許高的淀積速度, 1000Amin，一般用于厚膜沉積APCVD的主要缺點是顆粒的形成化學氣相沉積AP-CVD1. 薄膜技術AP-CVD ：常壓化學氣相沉積（Atmospheric Pressure CVD）u產量高、均勻性好，可產量高、均勻性好，可用于大尺寸硅片用于大尺寸硅片u主要用于沉積主要用于沉積SiO2和摻和摻雜雜的的SiO2u氣體消耗高，需要氣體消耗高，需要經常經常清潔反應清潔反應腔腔u沉積膜沉積膜通常臺階覆蓋能通常臺階覆蓋能力差。力差。 Canon APT 4800 APCVD tools 化學氣相沉積AP-CVD1. 薄膜技術連續加工的APCVD系統化學氣相沉

8、積AP-CVD1. 薄膜技術化學氣相沉積LP-CVDLP-CVD ：低壓化學氣相沉積（Low Pressure CVD）1. 薄膜技術uSiO2：做層間介質、淺槽隔離的填充物和側墻u氮化硅：做鈍化保護層或掩膜材料u多晶硅：做柵電極或電阻u氧化氮化硅：兼有氧化硅和氮化硅的優點，改善了熱穩定性、抗斷裂能力、降低膜應力1. 薄膜技術化學氣相沉積LP-CVDl更低的工藝溫度（250450）l 對高的深寬比間隙有好的填充能力l優良的粘附能力l 高的淀積速率l 少的針孔和空洞，高的膜密度l主要用于淀積絕緣層， RF頻率通常低于1MHz1. 薄膜技術化學氣相沉積PE-CVD、HDP-CVDPE-CVD ：等

9、離子體增強CVDHDP-CVD ：高密度等離子體CVDl沉積金屬互連間的絕緣層SiO2：硅烷氧化劑l沉積金屬W：WF6 + 3H2 = W + 6HFl沉積銅阻擋層TiN：6TiCl4+8NH36TiN+24HCl化學氣相沉積PE-CVD、HDP-CVD應用例 ：1. 薄膜技術W2. 光刻技術是高精密圖形轉移的有效方法l光刻光刻光刻的基本過程光刻的基本過程對準和曝光對準和曝光l光學基礎光學基礎l光刻設備光刻設備l光學增強技術光學增強技術l對準對準先進光刻技術先進光刻技術l刻蝕刻蝕刻蝕工藝刻蝕工藝干法和濕法刻蝕的應用干法和濕法刻蝕的應用通過光刻技術進行圖形轉移的基本過程2. 光刻技術2. 光刻技

10、術是微電子制造的關鍵技術：最復雜、昂貴2. 光刻技術電子束光刻機電子束光刻機采用黃光的光刻室采用黃光的光刻室昂貴的光刻機昂貴的光刻機 l光刻機: 產量為其成本的6倍才有利潤：Intell掩膜版：$1millionl光刻區潔凈度要求最高、燈光昏黃占總工藝費用的30，總工藝時間的40 50% 掩膜版的費用呈指數式增長Mask 自1995年開始成為關鍵技術，可以實現亞波長光刻，如248nm的光源用于130nm技術2. 光刻技術1973 : 投影光刻機（投影光刻機（1X)，分，分辨率辨率 4 m 波長波長320-440 nm. 1976 ：采用：采用G線的線的10倍縮小步倍縮小步進機進機. 1980s

11、：G線向線向I線轉變（注：線轉變（注：G、I對應高壓汞燈的不同特對應高壓汞燈的不同特征譜線，征譜線，G線線436nm、I線線365nm ）1995：深紫外應用于：深紫外應用于0.25m技術，并延續了技術，并延續了4代技術代技術現在：現在：193nm, 157nm ，EUV 尺寸縮小依賴于光刻技術的發展1.接觸式光刻機2.接近投影光刻機3.投影光刻機4.第1個G線步進機5.先進G線步進機6.第1個I線步進機7.先進I線步進機8.深紫外步進機2. 光刻技術曝光光源與其解像度大致有如下關系l365nm線能刻出 0.250.35nm線寬; l248nm線能刻出 0.130.18nm線寬;l193nm線

12、能刻出 0.100.13nm線寬; l157nm線能刻出 0.07nm線寬;l13nm線能刻出 0.05nm線寬; l X光能刻出 0.10nm以下線寬;l電子束能刻出 0.10.2nm線寬; l離子束能刻出 0.08nm左右線寬。2. 光刻技術圖形轉移光刻工藝的8個基本步驟1）氣相成底膜處理2）旋轉涂膠3）軟烘4）對準和曝光5）曝光后烘焙6）顯影7）堅膜烘焙7）顯影后檢查2. 光刻技術底膜涂覆底膜涂覆脫水烘焙脫水烘焙Wafer處理腔處理腔Primer Layer1）氣相成底膜處理WaferHot PlateHot PlateHMDS Vapor增強硅片和光刻膠之間的粘附性2. 光刻技術l將光

13、刻膠均勻地涂敷在硅片表面l膜厚符合設計要求（1m)，膜厚均勻(25nm)，膠面上看不到干涉花紋；l膠層內無點缺陷（針孔等）；l涂層表面無塵埃，碎屑等；l膜厚：T1/1/2, 為轉速，轉/分鐘。2. 光刻技術2）旋轉涂膠P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistPrimerSpindlePR dispenser nozzleChuckWaferTo vacuum pump2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vac

14、uum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vac

15、uum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vac

16、uum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2. 光刻技術2）旋轉涂膠l邊圈：光刻膠在硅片邊緣和背面的隆起l干燥時，邊圈將剝落，產生顆粒l旋轉涂膠器配置了邊圈去除裝置（EBR）l在旋轉的硅片底部噴出少量溶劑l丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽，或乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽去除邊圈去除邊圈WaferEdge Bead2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpChuckWaferSolvent去除邊圈去除邊圈2. 光刻技術2）旋轉涂膠SpindleTo vacuum pumpChuckWaferSolvent去除邊圈去除邊圈2

17、. 光刻技術2）旋轉涂膠P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist去除光刻膠中的溶劑，提高粘附性，提高均勻性2. 光刻技術3）軟烘P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistGate Mask最關鍵的工序，它直接關系到光刻的分辨率2. 光刻技術4）對準和曝光Gate MaskP-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist2. 光刻技術4）對準和曝光P-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresist減小駐波，減少剩余溶劑252. 光刻技術5）曝光后烘烤P-WellUSGSTIPolysiliconPR2.

18、光刻技術6）顯影VacuumDeveloperWaferChuckWater sleeveDrainDI water2. 光刻技術6）顯影負膠：未曝光區域溶解l圖形和掩膜版相反l幾乎不需要化學反應，顯影液為有機溶劑l清洗去除顯影液：丁基醋酸鹽、乙醇l問題：交聯光刻膠在顯影和清洗過程中吸收顯影液而膨脹變形，是負膠不能用于2微米以下光刻的主要原因2. 光刻技術6）顯影正膠：曝光區域溶解l圖形和掩膜版相同l顯影液和光刻膠之間有化學反應l顯影液：稀釋的NaOH、KOH、四甲基氫氧化銨0.2-0.3g/ll0.26當量濃度成為顯影標準工藝2. 光刻技術6）顯影P-WellUSGSTIPolysilico

19、nPR2. 光刻技術7）Hard Bake堅膜P-WellUSGSTIPolysiliconPR此時出現問題還可以返工2. 光刻技術8）先影后檢查u 刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程。u 有圖形的光刻膠層在刻蝕中不受到腐蝕源顯著的侵蝕。選擇性地刻蝕掉未被保護的區域u 圖形從光刻膠轉移到晶圓上u 干法和濕法2. 光刻技術刻蝕技術l刻蝕工藝l干法刻蝕l濕法刻蝕：應用l化學機械拋光l去除光刻膠l質量檢測2. 光刻技術刻蝕技術的主要工藝l濕法腐蝕：液體化學試劑（酸、堿和溶劑）以化學方式去除硅片表面的材料。用于大于3微米的刻蝕l干法刻蝕：等離子體，亞微米以下的主要工藝吸附吸

20、附擴散到表面擴散到表面解吸附解吸附擴散到對流層擴散到對流層等離子體等離子體產生刻蝕物質產生刻蝕物質16523Film反應反應邊界層邊界層副產物副產物離子轟擊離子轟擊4氣流氣流2. 光刻技術干法刻蝕技術-等離子體刻蝕u在半導體生產中，干法刻蝕是最主要的用來去除表面材料的刻蝕方法。u完整地把掩膜圖形復制到硅片表面上u采用等離子體：u中性、高能量、離子化的氣體u包含中性原子或分子、帶電離子、自由電子、分離的原子或分子（基）2. 光刻技術干法刻蝕技術-等離子體刻蝕干法刻蝕的優點l刻蝕剖面是各向異性，具有非常好的側壁剖面控制l好的關鍵尺寸控制l最小的光刻膠脫落或粘附問題l片內、片間、批次間的刻蝕均勻性l

21、較低的化學制品使用和處理費用干法刻蝕缺點l對下層材料的差的刻蝕選擇比l等離子體帶來的器件損傷l昂貴的設備。2. 光刻技術深反應離子刻蝕DRIE的應用l高選擇比l各向異性l化學反應和物理離子轟擊l離子不是主要的刻蝕物質l離子輔助刻蝕2. 光刻技術刻蝕多晶硅形成柵極P-WellUSGSTIPolysiliconPR2. 光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用P-WellUSGSTIPRPRPolysilicon刻蝕多晶硅形成柵極2. 光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用P-WellUSGSTIGate OxidePolysiliconPR刻蝕多晶硅形成柵極2. 光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用P-We

22、llUSGSTIGate OxidePolysilicon刻蝕多晶硅形成柵極2. 光刻技術刻蝕在CMOS技術中的應用刻蝕技術的應用化學機械拋光CMPl全局平坦化，CMPl最初用于互連平坦化，現在也用于器件隔離工藝，無劃傷、無玷污lCMP沒有終點指示，必須開發有高選擇比的工藝或達到高度重復的拋光速率 l機械研磨、腐蝕劑、磨料2. 光刻技術金屬化？器件之間以及器件與外部之間的連接互連局域互連：柵極互連，多晶硅，硅化物層間互連：W塞plugs，通孔Vias等封裝級別互連：長程互連Cu、Al、mm量級2. 互連技術CMOS中的金屬化P-waferN-WellP-WellSTIn+n+USGp+p+Me

23、tal 1, AlCuBPSGWP-epiTiSi2TiN, ARCTi/TiN2. 互連技術銅互連P-EpiP-WaferN-WellP-Welln+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta or TaNTi/TiNSiNCuCuFSG2. 互連技術多層互連：層間介質層隔離去除后的形貌2. 互連技術為什么要多層互連Cell size with 1 layer metal減小芯片尺寸！減小芯片尺寸！2. 互連技術金屬化的要求u低電阻u與器件的電學接觸：歐姆或肖特級接觸u臺階的覆蓋性u刻蝕方法（刻蝕、CMP？）u熱、機械穩定性u可靠性：電遷移2. 互連技術u電路延時正比于互

24、連線長度的平方u全局互連Al，Cuu局部互連(短，電阻要求不高）u多晶硅，10-4，可以經受高溫，u硅化物WSi2, TaSi2, MoSi2, TiSi。Al互連l130nm以上工藝以上工藝l濺射濺射Al膜膜l干法刻蝕鋁膜干法刻蝕鋁膜l存在問題存在問題Al釘釘電遷移電遷移電阻高電阻高2. 互連技術鋁釘現象450C，硅擴散到，硅擴散到Al中中577C， 1.59at Al-Si共晶共晶硅向鋁中擴散，形成孔隙，退火時，形成鋁釘2. 互連技術電遷移l電遷移：大電流密度下（IC中電流密度可達105A/cm2），金屬在電子碰撞下發生遷移，正極附近聚集，負極附近出現空洞lAl電遷移Al中加入14Cu減少

25、Al中的晶粒邊界擴散效應加一層Ti， TiN，W減少電遷移W做一層互連金屬：局部互連2. 互連技術electronCathodeAnodeeFailureee電遷移測試結構電遷移測試結構 電遷移使導線斷路或短路，從而引起IC失效。具體表現為： 在互連引線中形成空洞，增加了電阻 空洞長大，最終貫穿互連引線，形成斷路 在互連引線中形成晶須，造成層間短路 晶須長大，穿透鈍化層，產生腐蝕源(a) 小丘的生長(b) 晶須的橋接(c) 物質的堆積與耗散Al引線的電遷移現象2. 互連技術互連和門延遲2. 互連技術銅互連Cu：電阻率低、抗電遷移強，130nm以下使用2. 互連技術u刻蝕困難只能采用Damanc

26、e電鍍工藝u與硅和SiO2反應u粘附性差u需要阻擋層，WN， Ta， TaN。銅互連2. 互連技術芯片上Damance電鍍銅互連工藝示意圖銅互連基本工藝FSGCuFSGCuSiNFSG1 1）刻蝕溝槽和通孔）刻蝕溝槽和通孔2. 互連技術在布線的地方挖好溝道在布線的地方挖好溝道TaFSGCuCuCuFSGFSGSiN阻擋銅的擴散，提高結合力：阻擋銅的擴散，提高結合力：Ti, TiN, Ta, TaN, W, WNCu 種籽層：種籽層： 500 2000 (PVD)，電鍍成核位置，電鍍成核位置2 2）阻擋層和種子層淀積）阻擋層和種子層淀積銅互連基本工藝2. 互連技術FSGCuSiNTaFSGCuC

27、uFSGBottom up生長方式生長方式 3 3）電鍍銅）電鍍銅銅互連基本工藝2. 互連技術抑制劑 S ： 抑制銅的生長，主要在TSV孔表面與側壁吸附，加速劑 A： 加速銅的生長，主要在TSV孔底吸附鍍銅填充的基本原理銅互連基本工藝2. 互連技術銅互連基本工藝2. 互連技術鍍銅填充的實際效果FSGCuSiNTaFSGCuCuSiN4 4）化學機械研磨（）化學機械研磨（CMPCMP），），CVDCVD淀積鉭淀積鉭, ,氮化硅氮化硅銅互連基本工藝2. 互連技術銅互連基本工藝2. 互連技術雙鑲嵌工藝：同時形成互連線和通孔填充雙鑲嵌工藝：同時形成互連線和通孔填充N-WellP-WellP+P+N+N+IMD 1LinerIMD2 M2M1V1u 提高硅的導電性u 在硅中加入必要元素的過程摻雜u 摻雜區：