02 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
薄膜技术光刻技术互连技术氧化与掺杂技术1.薄膜技术IC中的薄膜钝化层2NitrideOxideMetal2,Al?CuAl
?CuPD1抗反射层WUSGIMDorILD2Metal1,Al?Cu金属前介质层or层间介质层1WCVDWBPSG浅
槽隔离nnpp++++STIUSGP-wellN-wellSidewallspacerTiNCVDP-epiP-wafer1.
薄膜技术IC中的薄膜外延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1.薄膜技术氧化膜的应用例作为MOS器件的绝缘栅介质Dopa
ntSiO2SiO2Si作为选择性掺杂的掩蔽膜SiOxideSiliconnitride1.薄膜技术氧化膜的应用例作为缓应力
冲层作为牺牲氧化层，消除硅表面缺陷SiliconSubstrate1.薄膜技术氧化膜的应用例半导体应用典型的氧化物厚度（?）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HDP-CVD电沉积LP-CVD蒸发法CVD法溅射法AP-CVD等离子CVDPV
D法热氧化法P-CVD热CVD法1.薄膜技术各种成膜技术及材料氧化膜、金属膜等Al膜、Cu膜、Ti膜、TiN膜、W膜W膜、高温氧
化膜多结晶Si膜、Si3N4膜SiO2膜、氮化膜、有机膜有机膜、SiO2膜非晶态Si膜SiO2氧化膜SiO2膜Cu膜、Ni膜、Au
膜等CVD：ChemicalVaporDepositionAP-CVD：Atmo
sphericPressureCVDPVD：PhysicalVaporDeposition
P-CVD：PlasmaCVDLP-CVD：LowPressureCVD
HDP-CVD：HighDensityPlasmaCVD1.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P<1mTorr可有4个坩锅，装入24片圆片1.薄膜技术物理气相沉积PVD——溅射法高能粒子（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。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阴极靶材1.薄膜技术物理气相沉积PVD——溅射法
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.薄膜技术化学气相沉积CVD例
：外延硅、多晶硅、非晶硅1.薄膜技术化学气相沉积CVDTiNTi1.薄膜技术化学气相沉积CVD适用范围广泛（绝缘膜、半导体膜等
），是外延生长的基础硅膜外延硅、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、TiN1.
薄膜技术化学气相沉积CVDCVD制备的薄膜及采用的前驱体1.薄膜技术化学气相沉积——AP-CVDAP-CVD：常压化学气相沉积
（AtmosphericPressureCVD）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1.薄膜技术化学气相沉积——AP-CVD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。CanonAP
T4800APCVDtools1.薄膜技术化学气相沉积——AP-CVD连续加工的APCVD系统1.薄膜技术化学气相沉积
——LP-CVDLP-CVD：低压化学气相沉积（LowPressureCVD）1.薄膜技术化学气相沉积——LP-CVDSi
O2：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——PE-CVD、HDP-CVDPE-CVD：等离子体增强CVD
HDP-CVD：高密度等离子体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-C
VD应用例：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+24HClW2.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2.光刻技术通过光刻技术进行图形转移的基本过程2.光刻技术是微电子
制造的关键技术：最复杂、昂贵2.光刻技术占总工艺费用的30％，总工艺时间的40～50%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、灯光昏黄采用黄光的光刻室昂贵的光刻机电子束光刻机2.光刻技术掩膜版的
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.光刻技术尺寸
缩小依赖于光刻技术的发展接触式光刻机接近投影光刻机投影光刻机第1个G线步进机先进G线步进机第1个I线步进机先进I线步进机深紫外步进
机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.198
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0.25μm技
术，并延续了4代技术现在：193nm,157nm，EUV2.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1）气相成底膜处理处理腔PrimerLay
erWaferWaferHMDSVaporHotPlateHotPlate脱水烘焙底膜涂覆增强硅片和光刻胶之间的粘附性2.
光刻技术2）旋转涂胶Primer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。PhotoresistP
olysiliconSTIUSGP-Well2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispensernozzleWaferChuckS
pindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispensernozzlePRsuckbackW
aferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispensernozzlePR
suckbackWaferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispenser
nozzlePRsuckbackWaferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PR
dispensernozzlePRsuckbackWaferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻
技术2）旋转涂胶PRdispensernozzlePRsuckbackWaferChuckSpindleTovacuum
pump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispensernozzlePRsuckbackWaferChuckSpindl
eTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispensernozzlePRsuckbackWaferC
huckSpindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispensernozzlePRsuck
backWaferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdispensernozz
lePRsuckbackWaferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶PRdisp
ensernozzlePRsuckbackWaferChuckSpindleTovacuumpumpEdgeBeadα
Wafer2.光刻技术2）旋转涂胶去除边圈边圈：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2.光刻技术2）旋转涂胶去除边
圈SolventWaferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻技术2）旋转涂胶去除边圈SolventWa
ferChuckSpindleTovacuumpump2.光刻技术3）软烘去除光刻胶中的溶剂，提高粘附性，提高均匀性Phot
oresistPolysiliconSTIUSGP-Well2.光刻技术GateMask4）对准和曝光最关键的工序，它直接关系
到光刻的分辨率PhotoresistPolysiliconSTIUSGP-Well2.光刻技术GateMask4）对准和曝光P
hotoresistPolysiliconSTIUSGP-Well2.光刻技术5）曝光后烘烤减小驻波，减少剩余溶剂2％～5％Ph
otoresistPolysiliconSTIUSGP-Well2.光刻技术6）显影PRPolysiliconSTIUSGP-W
ell2.光刻技术6）显影DIwaterDeveloperWaferWatersleeveChuckDrainVacuum2
.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/l0.26当量浓度成为显
影标准工艺2.光刻技术7）HardBake坚膜PRPolysiliconSTIUSGP-Well2.光刻技术8）先影后检查此
时出现问题还可以返工PRPolysiliconSTIUSGP-Well2.光刻技术刻蚀技术刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片
表面去除不需要的材料的过程。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀。选择性地刻蚀掉未被保护的区域图形从光刻胶转移到晶圆上干
法和湿法2.光刻技术刻蚀技术的主要工艺刻蚀工艺干法刻蚀湿法刻蚀：应用化学机械抛光去除光刻胶质量检测湿法腐蚀：液体化学试剂（酸、碱
和溶剂）以化学方式去除硅片表面的材料。用于大于3微米的刻蚀干法刻蚀：等离子体，亚微米以下的主要工艺2.光刻技术干法刻蚀技术-等离
子体刻蚀等离子体1气流产生刻蚀物质扩散到表面2离子轰击扩散到对流层6边界层3吸附5解吸附副产物4反应Film2.光刻技术干法刻蚀
技术-等离子体刻蚀在半导体生产中，干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。完整地把掩膜图形复制到硅片表面上采用等离子体：中性
、高能量、离子化的气体包含中性原子或分子、带电离子、自由电子、分离的原子或分子（基）2.光刻技术干法刻蚀的优点刻蚀剖面是各向异性
，具有非常好的侧壁剖面控制好的关键尺寸控制最小的光刻胶脱落或粘附问题片内、片间、批次间的刻蚀均匀性较低的化学制品使用和处理费用干法
刻蚀缺点对下层材料的差的刻蚀选择比等离子体带来的器件损伤昂贵的设备。2.光刻技术深反应离子刻蚀DRIE的应用高选择比各向异性化学
反应和物理离子轰击离子不是主要的刻蚀物质离子辅助刻蚀2.光刻技术刻蚀在CMOS技术中的应用刻蚀多晶硅形成栅极PRPolysili
conSTIUSGP-Well2.光刻技术刻蚀在CMOS技术中的应用Polysilicon刻蚀多晶硅形成栅极PRPRSTIUSG
P-Well2.光刻技术刻蚀在CMOS技术中的应用GateOxidePolysilicon刻蚀多晶硅形成栅极PRSTIUSGP
-Well2.光刻技术刻蚀在CMOS技术中的应用GateOxidePolysilicon刻蚀多晶硅形成栅极STIUSGP-We
ll2.光刻技术刻蚀技术的应用——化学机械抛光CMP全局平坦化，CMP最初用于互连平坦化，现在也用于器件隔离工艺，无划伤、无玷污
CMP没有终点指示，必须开发有高选择比的工艺或达到高度重复的抛光速率机械研磨、腐蚀剂、磨料2.互连技术金属化？器件之间以及器件
与外部之间的连接互连局域互连：栅极互连，多晶硅，硅化物层间互连：W塞plugs，通孔Vias等封装级别互连：长程互连Cu、Al、m
m量级2.互连技术CMOS中的金属化Ti/TiNTiN,ARCTiSi2Metal1,Al?CuWBPSGn+n+p+p+
STIUSGP-WellN-WellP-epiP-wafer2.互连技术铜互连SiNTi/TiNCoSi2TaorTaNM1
CuCuCuFSGFSGWPSGWn+n+p+p+STIUSGP-WellN-WellP-EpiP-Wafer2.互连技术多层互
连：层间介质层隔离去除后的形貌Cellsizewith1layermetal2.互连技术为什么要多层互连减小芯片尺寸！
2.互连技术金属化的要求低电阻与器件的电学接触：欧姆或肖特级接触台阶的覆盖性刻蚀方法（刻蚀、CMP？）热、机械稳定性可靠性：电迁
移电路延时正比于互连线长度的平方全局互连Al，Cu局部互连(短，电阻要求不高）多晶硅，10-4，可以经受高温，硅化物WSi2,T
aSi2,MoSi2,TiSi。。。。。2.互连技术Al互连130nm以上工艺溅射Al膜干法刻蚀铝膜存在问题Al钉电迁移电阻
高2.互连技术铝钉现象硅向铝中扩散，形成孔隙，退火时，形成铝钉450C，硅扩散到Al中577C，1.59at％Al-Si共晶
Failureelectrone2.互连技术电迁移电迁移：大电流密度下（IC中电流密度可达105A/cm2），金属在电子碰撞下发
生迁移，正极附近聚集，负极附近出现空洞Al电迁移Al中加入1－4％Cu减少Al中的晶粒边界扩散效应加一层Ti，TiN，W减少电迁
移W做一层互连金属：局部互连eCathodeAnodee电迁移测试结构(a)小丘的生长(b)晶须的桥接(c)物质的堆积与耗散
Al引线的电迁移现象2.互连技术电迁移使导线断路或短路，从而引起IC失效。具体表现为：—在互连引线中形成空洞，增加了电阻
—空洞长大，最终贯穿互连引线，形成断路—在互连引线中形成晶须，造成层间短路—晶须长大，穿透钝化层，产生腐蚀源2.互连技
术互连和门延迟2.互连技术铜互连Cu：电阻率低、抗电迁移强，130nm以下使用2.互连技术铜互连刻蚀困难——只能采用Daman
ce电镀工艺与硅和SiO2反应粘附性差需要阻挡层，WN，Ta，TaN。。。。。芯片上Damance电镀铜互连工艺示意图2.互
连技术铜互连基本工艺1）刻蚀沟槽和通孔在布线的地方挖好沟道FSGSiNFSGFSGCuCu2.互连技术铜互连基本工艺2）阻挡层和
种子层淀积CuTaFSGSiNFSGFSGCuCu阻挡铜的扩散，提高结合力：Ti,TiN,Ta,TaN,W,WNCu种
籽层：500~2000?(PVD)，电镀成核位置2.互连技术铜互连基本工艺3）电镀铜Bottomup生长方式CuTa
FSGSiNFSGFSGCuCu2.互连技术铜互连基本工艺镀铜填充的基本原理抑制剂S：抑制铜的生长，主要在TSV孔表面与侧
壁吸附，加速剂A：加速铜的生长，主要在TSV孔底吸附2.互连技术铜互连基本工艺镀铜填充的实际效果2.互连技术铜互连基本工艺
4）化学机械研磨（CMP），CVD淀积钽,氮化硅SiNTaCuFSGSiNFSGCuCuP+N+P+2.互连技术铜互连基本工艺双
镶嵌工艺：同时形成互连线和通孔填充M2LinerIMD2V1IMD1M1N+N-WellP-Well4.掺杂技术用途提高硅的
导电性在硅中加入必要元素的过程——掺杂掺杂区：掺杂物通过硅片上的掩模窗口进入硅的晶体结构区离子注入的掩模通常是光刻胶，也可以是其他
掺杂区的类型可以和硅片不同也可以类型相同，浓度不同掺杂方法：热扩散、离子注入离子注入法热扩散法4.掺杂技术掺杂方法与种类半导体类
型掺杂元素化合物源状态（常温下）N型SbSb2O3固态AsAs2O3固态AsH3气态PPOCl3液态PH3气态P型BBBr3液态B
2H6气态BCl3气态BN固态将气化的掺杂元素离子化，并通过加速器获得高速度，打向硅片，实现掺杂。特点：掺杂层薄，浓度和厚度易控制
，但需要热处理4.掺杂技术热扩散掺杂示意图掺杂物质Silicon掺杂物质结深Silicon结深：扩散的杂质浓度等于衬底杂质浓度时的深度4.掺杂技术热扩散掺杂技术遵循菲克定律不同杂质扩散的机制不同：填隙型、空位型根据不同的边界条件，分为预淀积扩散和推进扩散，对应不同的结深各向同性过程不能同时控制结深和掺杂浓度浓度受固溶度限制超浅结制备困难4.掺杂技术热扩散设备卧式系统的石英管WafersProcessgasesToExhaustProcessTubeWaferBoatPaddle温度控制：?0.5°C，清洗：HF，等离子体4.掺杂技术离子注入P+SiO2PolySin+n+P-typeSilicon4.掺杂技术离子注入离子注入通过高压离子轰击把杂质引入硅片离子能量5keV～200keV物理过程杂质可控数量1011～1018cm-2)，误差?2％，分布可控：控制静电场来控制穿透深度低温工艺、无固溶度限制生物改良、材料表面处理4.掺杂技术离子注入离子注入和扩散的区别掺杂区域SiO2PRSiSi结深4.掺杂技术离子注入系统4.掺杂技术离子注入应用最典型应用举例阱区掺杂阈值电压调节源漏注入先进制造中离子注入的应用小结薄膜技术光刻技术互连技术氧化与掺杂技术