集成电路工艺原理 未来趋势与挑战

集成电路工艺原理

仇志军zjqiu@邯郸校区物理楼435室1大纲第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章

热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章

薄膜淀积第九章刻蚀第十章接触与互连第十一章工艺集成第十二章未来趋势与挑战2新型器件结构目前研发焦点“无光源”纳米结构制备技术319001950196019702000VacuumTubeTransistorICLSIULSI10cmcmmm10mm100nm一百年中，电子开关器件的关键（最小）尺寸缩小106倍!10-1

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m器件几何尺寸的持续减小成就了微电子技术的无处不在，产生了无数的应用，造就了信息社会。DownScaling：Enabler4器件几何尺寸的减小直接导致：1、减小寄生电容，由此减小MOSFET的开关时间

减小功耗2、增加单位面积晶体管的数量

增强电路功能

促成并行运算

增大运算速度器件几何尺寸的减小最为关键、有效Prof.Iwai,TokyoInstTech.为什么要减小器件的几何尺寸?5集成电路特性的改善和成本的降低主要是通过晶体管几何尺寸持续不断地减小得以实现的。集成电路工艺的发展和进步Performance↑/Cost↓MarketGrowthITRS，InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductorsTransistorScalingPITCHInvestment

YEAR:20042007201020122014HALF-PITCH:65nm45nm32nm22nm15nm6WakabayashiNECLengthof18SiatomsIt’sreal(nano-device)!!7体硅MOSFET技术CurrentflowingbetweentheSourceandDrainiscontrolledbythevoltageontheGateelectrodeSubstrateGateSourceDrainMetal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor:栅长,Lg绝缘氧栅厚度,Tox结深,XjM.Bohr,IntelDeveloperForum,September2004GSDcourtesyofProf.KurodaKeioUniversity)期望得到的MOSFET特性:开启时驱动电流要大（HighONcurrent）关闭时漏电流要小（LowOFFcurrent）|GATEVOLTAGE|CURRENTVT8MOSFET：一个低功耗、效率高的逻辑开关Pwelln+sourcen+drainGateoxiden+polygateGatespacerVGLog(ID)IdealswitchVtIonIoffMOSFETswitchIoffLWS/CWD/CSourceDrainVG=VDChannelBCPVD------------N+N+N+----LWS/CWD/CSourceDrainVG=0ChannelBCPd------------N+N+N+AfterF.BOEUF,MIGAS20069为什么需要新的晶体管结构?当沟道长度Lg减小时，漏电流必须得到有效的控制漏电流同时也发生在远离沟道的表面区Let’sgetridofit!DrainSourceGateThin-BodyMOSFETBuriedOxideSourceDrainGateSubstrate“Silicon-on-Insulator”(SOI)WaferLg10薄体MOSFET使用薄薄体可可以有有效地地控制制漏电电流，，要求求：TSi<Lg双栅结结构更更有利利于沟沟道的的缩短短，可可至Lg<10nmUltra-ThinBody(UTB)BuriedOxideSubstrateSourceDrainGateTSiLgDouble-Gate(DG)GateSourceDrainGateTSi11双栅““FinFET””PlanarDG-FETGateSourceDrainGateTSiFinWidth=TSiLgGATESOURCEDRAIN20nm10nmY.-K.Choietal.,IEEEInt’lElectronDevicesMeeting200115nmLgFinFET:FinHeightHFIN=W/2D.Hisamotoetal.,IEEEInt’lElectronDevicesMeeting,1998N.Lindertetal.,IEEEElectronDeviceLetters,p.487,2001FinFETSourceDrainGateLg12Φ<14nmΦ<10nmABMetalGateNanowireChannelMetallicSourceMetallicDrainHigh-KgatedielectricSpacerSpacerABLG<10nmd<14nmd<10nm一种可可能的的未来来MOSFET的结结构13目前研发焦焦点:如何增大驱驱动电流？？CourtesyProf.Saraswat(StanfordUniversity)LowS/Dresistance14前端工艺中中的一些关关键技术原子层级淀淀积Atomiclayerdeposition(ALD)实现栅氧层层淀积的原原子层级控控制脉冲激光退退火Pulsedlaserannealing实现超快、、低“热预预算”（即即小Dt）高温退火火等离子浸没没式注入Plasmaimmersionimplantation实现超浅离离子注入高电导沟导导工程Highmobilitychannel实现局域压压缩或拉伸伸应力等等Prof.Iwai,TokyoInstTech.15后端工艺中中的一些关关键技术Prof.Iwai,TokyoInstTech.原子层级淀淀积Atomiclayerdeposition(ALD)实现铜籽晶晶层和扩散散阻挡层淀淀积的原子子层级控制制多孔金属间间介质薄膜膜的材料和和工艺有效地减小小互连体系系中的寄生生电容大马士革工工艺Damasceneprocessing实现取代传传统铝布线线的先进铜铜互连技术术三维多层金金属布线Multilevel-multilayermetallization，，3D有效使用珍珍贵的硅表表面，实现现超大规模模集成技术术等等16GraphenesheetSingle-walledcarbonnanotube(SWNT)Variouskindsofsemiconductingnanowires:Si,Ge,InSb,GaAs,SiC,GaN,ZnO,etc.17关键尺寸<100nmResistCourtesyPer-ErikHellström（Hellberg）“无光源””纳米结构构制备技术术18Ref：KLATencorWavelength(I)LinewidthDeepSub-wavelengthLithoSub-wavelengthLithoOPCat180nmAggressiveOPCat<130nmProcesswindowshrinkingonaverage>30%foreachnodeImmersionLithography350nm365nm180nm248nm193nm130nm90nm65nm45nmPROCESSCONTROL:THEINVESTMENTTHATYIELDSNovelProcessing（（工艺革新新）：EnablerProf.Iwai,TokyoInstTech.19为什么“光光刻”技术术如此成功功?价格方面：：193nm光刻刻设设备备~20M$一套套光光刻刻版版~1M$高分分辨辨率率并并能能实实现现大大批批量量生生产产！！~100wafers/hour20光刻刻基基本本要要求求理想的光刻分辨率ResolutionGood图形PatternshapeAny大、小图形混合Large&smallpatternsYes对准精度AlignmentGood产量ThroughputHigh初始价位InitialcostLow运行费RunningcostLow21适用用于于小小批批量量制制备备/制造造的的纳纳米米级级““光光刻刻””电子子束束曝曝光光，，EBL：Electron-BeamLitho纳米米压压印印，，NIL：Nano-ImprintLitho“侧侧墙墙转转移移””，，STL：Sidewall-TransferLitho22EBL的特特征征和和优优点点直写写、、灵灵活活任意意形形状状<0.1nm束斑斑直直径径/宽~5nm23EBL的分分辨辨率率高能能：：100keV高对对比比度度的的光光刻刻胶胶薄光刻刻胶胶用叠叠层层光光刻刻胶胶用““硬硬胶胶””HardmaskWaferThickresistThinresistWaferHardMask24EBL分辨辨率率的的提提高高使用不同光刻胶的对比相等亮/暗线宽的分辨率25NIL工艺艺流流程程和和特特征征压印印及及UV光辐辐照照Stepandflash分辨辨率率~10nm任意意图图形形石英英母母版版复复制制实实用用版版方方法法套刻刻精精度度~1µµm，，有有声声称称到到100nm的的C.R.K.MarrianandD.M.Tennant,JVST,200350nmpillarsafter500imprintswiththesamemaster26NIL在大大尺尺寸寸硅硅片片上上应应用用实实例例27NIL在多多栅栅纳纳米米晶晶体体管管FinFET中应应用用实实例例28NIL制制作作的的互互连连双双大大马马士士革革结结构构。。减减少少制制作作步步骤骤。。29TopviewCrosssectionWaferSiO2poly-SiSi0.2Ge0.8Resist“侧墙转移””STL的工艺流程，，1目标：制备纳纳米级多晶硅硅栅（红色条条块）30TopviewCrosssectionWaferSiO2poly-SiSi0.2Ge0.8SiNSTL的工艺流程，，231TopviewCrosssectionWaferSiO2poly-SiSi0.2Ge0.8SiNSiNSTL的工艺流程，，332TopviewCrosssectionWaferSiO2poly-SiSiNResistSTL的工艺流程，，433TopviewCrosssectionWaferSiO2poly-SiSiNResistSTL的工艺流程，，534TopviewCrosssectionWaferSiO2poly-SiSiNResistSTL的工艺流程，，635TopviewCrosssectionWaferSiO2poly-SiSTL的工艺流程，，7SiN3610poly-SilinesWidth=45nmpoly-SicontactH=15nmW=15nmpoly-SiNiSi50nm150nmSiSTL的工艺流程，，837FinW=35nmFinH=27nmL=70nmZhang&Qiuetal.IEEEEDLMay2008AlwiringContactholestoS/DDoubleFinchannelGateFinFETproducedusingSTLtwice38常规光刻技术术和标准硅薄薄膜工艺技术术的革新和结结合对细线条而言言，理论上k10Pitch的大小由常规光刻技术术的分辨率决决定常规光刻技术术的使用保证了了高产率“侧墙转移””(STL)的特征和优点点392nlinesafterniterationsofspacerlithography!1stSpacers2ndSpacers3rdSpacers运用STL技技术产生高密密度图形Photo-lithographicallydefinedsacrificialstructuresY.-K.Choietal.,JVST-B21,2951-2955(2003)40STL工艺中中线条尺寸的的控制CVD技术淀淀积的薄膜具具有超常均匀匀性和可控性性STL纳米线线的线宽由SiN薄膜决决定STL纳米线线的线厚由poly-Si薄膜决定定Choietal.,IEEET-ED49,436（2002）Lg

LgSTL技术得到的栅均匀的Lg通常光刻技术制备的栅不均匀的

Lg41STLEBArFKanekoet.al.,IEDM2005用STL制备线条的线线宽不均匀性性非常小!STL42SummaryIdealOpticalEBLNILSTLResolutionGoodGoodGoodGoodGoodPatternshapeAnyAnyAnyAnyLines/RingsLarge&smallpatternsYesYesNoYesYesAlignmentGoodGoodGoodPoorGoodThroughputHighHighLowMediumHighInitialcostLowHighMediumLowLowRunningcostLowHighLowMediumLow43预祝考试成功功！考试时间：2010.07.09.

下午1:30––3:30

地点：Z2108教教室

答疑疑时间：10:00––14:30，2010.07.07

地点点：Z2307B（助助教负责）449、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。22:04:5222:04:5222:0412/29/202210:04:52PM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2222:04:5222:04Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。22:04:5222:04:5222:04Thursday,December29,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2222:04:5222:04:52December29,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。29十二月月202210:04:52下午午22:04:5212月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月2210:04下下午12月-2222:04December29,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2922:04:5222:04:5229December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。10:04:52下下午10:04下午22:04:5212月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。22:04:5322:04:5322:0412/29/202210:04:53PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2222:04:5322:04Dec-2229-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。22:04:5322:04:5322:04Thursday,December29,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2222:04:5322:04:53December29,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。29十十二月202210:04:53下下午22:04:5312月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荆门门九派派通。。。。十二月月2210:04下下午12月月-2222:04December29,202216、少年十十五二十十时，步步行夺得得胡马骑骑。。2022/12/2922:04:5322:04:5329December202217、空山新雨雨后，天气气晚来秋。。。10:04:53下下午10:04下午22:04:5312月-229、杨杨柳