集成电路工艺原理

集成电路工艺原理课程思维导图，PPT总结，教材是《微电子制造科学原理与工程技术》

集成电路工艺原理

• 前言
  • 硅主导IC发展
    • 器件尺寸下降，芯片尺寸增加
    • 互连层数增加
    • 掩模版数量增加
    • 工作电压下降
  • 等比例缩小原则Scaling Down
    • 器件的几何尺寸
      • 1/k
    • 衬底的掺杂浓度
      • k
    • 电压
      • 1/k
    • 器件速度
      • k
    • 芯片密度
      • k^2
  • 基本器件
    • MOS器件
      • 高密度
      • 更低功耗
      • 更大的设计灵活性
    • BJT
      • 模拟电路
      • 高速驱动
  • 摩尔定律Moore's Law
    • 硅集成电路三年为一代，集成度翻两番（18个月翻一番），工 艺线宽约缩小30%，芯片面积约增1.5倍，IC工作速度提高1.5倍
    • More than Moore
    • More Moore
  • 硅Si成为IC主流的优势
    • Si/SiO2界面的理想性能
    • 地壳丰富的Si含量
    • 单晶的简单工艺
    • 平面工艺的发展
• 净化与硅片清洗
  • 控制沾污的三道防线
    • 净化环境
      • 净化级别：每立方英尺空气中含有尺度 大于0.5um的粒子的总数少于X个。
    • 硅片清洗
      • 颗粒：所有可以落在硅片表面的都称作颗粒
        • 颗粒来源
          • 空气
            • 超级净化空气
          • 人体
            • 风淋吹扫
            • 防护服、面罩、手套等
            • 机械手/人
          • 设备
            • 特殊设计
            • 材料的定期清洗
          • 化学品
            • 超纯化学品去离子水
        • 粒子附着机理
          • 静电力
          • 范德华
          • 化学键
        • 粒子去除机理
          • 溶解
          • 氧化分解
          • 对硅片表面轻微的腐蚀去除
          • 粒子和硅片表面的电排斥
        • 去除方法
          • Piranha
          • SC-1
          • SC-2 & Megasonic
          • ……
      • 沾污
        • 金属沾污
          • 使金属变为可溶离子
        • 有机物沾污
          • 强氧化
        • 自然氧化层
          • HF+H2O
      • 清洗液
        • 有机物/光刻胶
          • Piranha（SPM）
          • 氧等离子体干法刻蚀
        • RCA标准清洗
          • SC-1（APM）
          • SC-2（HPM）
          • DHF
      • 清洗设备 & 方法
        • 设备
          • 超声清洗
          • 喷雾清洗
        • 清洗&干燥方法
          • 清洗
            • 溢流清洗
            • 排空清洗
            • 喷射清洗
            • 加热去离子水清洗
          • 干燥
            • 旋转式甩干
            • IPA异丙醇蒸汽干燥
    • 吸杂
      • 将重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要的区域
      • 三个步骤
        • 杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子
        • 杂质元素扩散到吸杂中心
        • 杂质元素被吸杂中心俘获
      • 基本思路
        • 高扩散系数+间隙扩散方式+聚集并占据非理想缺陷（陷阱）位置
        • 两种激活机制
          • 踢出机制
          • 分离机制
        • 三种生成陷阱的方法
          • 高浓度磷扩散
          • 离子注入损伤
          • SiO2的凝结析出
      • 具体方式
        • 碱金属离子的吸杂
          • PSG
          • 超净工艺+Si3N4钝化保护
            • 从源头抵挡碱金属离子的进入
        • 其他金属离子的吸杂
          • 本征吸杂
            • 氧扩散形成SiO2，制造凝结中心
          • 非本征吸杂
            • 多晶硅表面效应
• 扩散原理
  • 掺杂（doping）
    • 预淀积
      • 气/固相扩散
        • 优点
          • 无损伤掺杂
          • 产率高
        • 缺点
          • 长时间驱入退火
          • 低剂量预淀积困难
          • 收到固溶度限制
      • 离子注入
        • 优点
          • 室温掩蔽
          • 精确计量控制
          • 精确深度控制
          • 高浓度浅结
          • 灵活
        • 缺点
          • 损伤位错导致漏电流
          • 沟道效应影响杂质分布
          • 注入损伤增强扩散
    • 退火
  • （）
    • 结深
      • 电荷共享效应（Charge Sharing Effect)
      • 短沟道效应(Short Channel Effect)
      • 漏致势垒降低（Drain Induced Barrier Lowing)
    • 薄层电阻（Sheet Resistance）
    • 杂质固溶度（Dopant Solid Solubility）
  • 扩散的微观机制
    • 间隙式扩散（Interstitial）
    • 替位式扩散（Substitutional）
  • 扩散动力学
  • 热预算
  • 影响杂质分布的其他因素
    • 电场效应（Field Effect）
    • 扩散系数与杂质浓度的关系
    • （氧化时）杂质分凝效应
    • （氧化时）杂质界面堆积效应
    • 氧化增强/抑制扩散（Oxidation Enhanced/Retarded Diffusion)
    • 发射极推进效应（Emitter Push Effect）
  • 扩散掺杂工艺
    • 气态相源扩散（Gas Source）
    • 液态源扩散（Liquid Source）
    • 固态源扩散（Solid Source）
    • 旋涂源扩散（Spin-on-glass）
  • 扩散层质量检验
    • 薄层电阻测量
      • 四探针
    • 结深测量
      • 磨角染色法
    • 掺杂分布测量
      • C-V测量
      • 二次离子质谱
      • 扩展电阻测量
• 热氧化原理
  • 消耗硅的氧化生长
    • 体积膨胀2.2倍
    • 1um厚SiO2消耗0.45um Si
  • SiO2 生长动力学
    • Deal-Grove模型（硅的热氧化模型）
      • Linear-Parabolic Modal
      • 对于超薄热干氧化
        • 对于超薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实 验表明，在20nm之内的热氧化生长速度和厚度 比G-D模型的结果大很多。 修正方法：附加一个随厚度增加而指数衰减项。
  • 影响氧化速率的因素
    • 压强
    • 晶向
    • 掺杂
    • 掺氯
  • 热氧化时杂质在界面上的再分布
    • 诱因：分凝系数（Segregation Coefficient）
  • 热氧化方法
    • 常规热氧化
    • 掺氯氧化
    • 氢氧合成氧化
    • 高压氧化
  • Si/SiO2 界面特性
    • 固定氧化物电荷（Fixed Oxxide Charge)
    • 界面陷阱电荷（Interface Trapped Charge)
    • 可动离子电荷（Mobile Ionic Charge)
    • 氧化物陷阱电荷（Oxide Trapped Charge）
  • 氧化膜缺陷检查
    • 氧化膜针孔的检测
    • 氧化导致的层错的检测OISF（Oxidation Induced Stacking Faults)
    • 氧化膜中钠离子含量测定
  • 氧化膜厚度测量
    • 机械法
    • 比色法
    • 光干涉法（Interferometry）
    • 椭偏法（Ellipsometry）
    • C-V测量
• 离子注入原理
  • LSS理论
    • 阻止本领
      • 总阻止
      • 核阻止
        • 低能量
      • 电子阻止
        • 高能量
  • 离子注入的沟道效应（Channeling Effect）
    • 当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子 将沿着沟道运动，几乎不会受到原子核 的散射，方向基本不变，可以走很远。
    • 由于沟道效应的存在，在晶体中注入将 偏离LSS理论在非晶体中的高斯分布。
    • 减少沟道效应的措施
      • 对大的离子，沿沟道轴向（110）偏离7-10°
      • 用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化， 形成非晶层（Pre-amorphization）
      • 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成， 沟道离子减少）
      • 表面用SiO2层掩模
  • 注入损伤
    • 损伤退火
      • 非晶化
      • 损伤退火的目的
        • 去除由注入造成的损伤
        • 使杂质进入电活性（Electrically Active）位置-替位位置
        • 恢复电子和空穴迁移率
      • 快速热退火（Rapid Thermal Processing）
        • 方式
          • 高功率激光束辐照
          • 电子束
          • 高强度光照
          • 其他辐射
        • 优点
          • 掺杂的在分布大大降低
          • 对制备浅结器件特别有利
• 光刻原理
  • 光刻的要求
    • 高分辨率
    • 大曝光视场
    • 高图形对准精度
    • 高产率
    • 低缺陷密度
  • 光刻过程
    • 掩模版制作
    • 曝光系统
      • 接触式
      • 接近式
      • 近场衍射（Fresnel）
      • 投影式（步进式）
        • 远场衍射（Fraunhofer）
      • 投影式
        • 基本参数
          • 分辨率（Resolution）
          • 焦深（Depth of Focus）
          • 视场（Field of View）
          • 调制传递函数（MTF——Modulation Transfer Function）
          • 套刻精度（Alignment Accuracy）
          • 产率（Throughput）
          • ……
      • 光刻胶
        • 正胶（Positive Photoresist)
        • 负胶（Negative Optical Photoresist）
          • 负胶在显影的时候线条会变粗
          • 对分辨率要求不高的情况的优点
            • 对衬底表面的粘附性比较好
            • 抗刻蚀能力强
            • 曝光时间短
            • 工艺宽容度高
            • 价格较低
        • DUV深紫外光刻胶
          • PAG（Photo-Acid Generator）光致酸产生剂
        • 光刻胶的表征参数
          • 对比度
            • g线和i线胶对比度较DUV胶小
          • 临界调制传递函数（CMTF——Critical Modulation Transfer Function）
        • 光刻胶的问题
          • 表面起伏导致曝光不均
          • 反射波叠加导致驻波降低下层图形分辨率
      • 光学光刻分辨率增强技术（RET）
        • 光学临近修正OPC（Optical Proximity Correction）
          • 在光刻板上进行光学图形修正（内缩外扩类似）
        • 相移掩膜技术PSM（Phase Shift Mask）
          • 相移技术提高图形分辨率
        • 离轴照明技术OAI（Off-Axis Illumination）
          • 可以减小对分辨率的限制、 增加成像的焦深且提高MTF
• 刻蚀原理
  • 干法刻蚀
    • 气相化学腐蚀
      • 选择性好
    • 物理腐蚀
      • 方向性好
    • 离子增强刻蚀（Ion Enhanced Etching）
  • 湿法刻蚀
    • 选择性好
    • 在化学溶液中进行
    • 两种刻蚀液
      • HNA——各向同性
      • KOH——各向异性
  • 刻蚀的性能参数
    • 刻蚀速率（Etch Rate）
    • 刻蚀均匀性（Etch Uniformity）
    • 选择性（Selectivity）
    • 各向异性度（Anisotropy）
    • 掩膜层下刻蚀（Undercut）
  • 刻蚀要求
    • 1. 得到想要的形状
    • 2. 过腐蚀最小
    • 3. 选择性好
    • 4. 均匀性和重复性好
    • 5. 表面损伤小
    • 6. 清洁，经济，安全
  • 刻蚀过程
    • 反应物质量输运
    • 刻蚀表面腐蚀反应
    • 反应产物从表面向外扩散
• 薄膜沉积
  • 两类主要的沉积方式
    • 化学气相沉积 CVD
      • APCVD
        • 主要问题
          • 低产率
      • LPCVD
        • 啥都好，温度高
      • PECVD
      • 高密度电浆化学气相沉积（High Density Plasma Chemical Vapor Deposition）HDPCVD
      • 单晶（外延））、多晶、非晶
      • 半导体、介质、金属薄膜
    • 物理气相沉积 PCD
      • 蒸发 Evaporation
        • 真空
      • 溅射 Sputtering
        • 直流溅射
        • 射频溅射
        • 反应溅射
        • 磁控溅射
        • 准直溅射