芯片微纳制造技术课件(PPT 100页).ppt
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1、李 明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第1页,共100页。主要内容l薄膜技术l光刻技术l互连技术l氧化与掺杂技术第2页,共100页。IC中的薄膜OxideNitrideUSGWP-waferN-wellP-wellBPSGp+p+n+n+USGWMetal 2,AlCuP-epiMetal 1,AlCu AlCuSTI浅槽隔离浅槽隔离金属前介质金属前介质层层 or 层间介层间介质层质层1IMD or ILD2抗反射层抗反射层PD1钝化层钝化层2Sidewall spacerWCVDTiN CVD1.薄膜技术第3页,共100页。l外延Sil介质膜:场氧化、栅氧化膜、USG、
2、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、Tal多晶硅l金属硅化物IC中的薄膜1.薄膜技术第4页,共100页。l作为MOS器件的绝缘栅介质氧化膜的应用例1.薄膜技术SiDopantSiO2SiO2l作为选择性掺杂的掩蔽膜第5页,共100页。Silicon nitrideSilicon SubstrateSi Oxidel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第6页,共100页。半导体应用半导体应用典型的氧化物厚度(典型的氧化物厚度()栅氧(栅氧(0.18 m工艺)工艺)2060电容器的电介质电容器
3、的电介质5100掺杂掩蔽的氧化物掺杂掩蔽的氧化物4001200依赖于掺杂剂、注入能依赖于掺杂剂、注入能量、时间、温度量、时间、温度STI隔离氧化物隔离氧化物150LOCOS垫氧垫氧200500场氧场氧250015000STI潜槽隔离,潜槽隔离,LOCOS晶体管之间的电隔离,局部氧化晶体管之间的电隔离,局部氧化垫氧垫氧为氮化硅提供应力减小为氮化硅提供应力减小氧化膜的应用例1.薄膜技术第7页,共100页。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.薄膜技术第8页,共100页。各种成膜技术及材料
4、热氧化法热氧化法蒸发法蒸发法LP-CVD热热CVD法法CVD法法PVD法法SiO2膜等离子等离子CVD溅射法溅射法AP-CVDP-CVDHDP-CVDW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 CVDPVD:Physical Vapor Deposition P-CVD:Plasma CVDLP-CVD:Low Pressure CVD HDP-CVD:Hig
5、h Density Plasma CVD电沉积电沉积Cu膜、Ni膜、Au膜等1.薄膜技术第9页,共100页。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.薄膜技术第10页,共100页。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)离子)撞击具有高纯度的靶材料固体平板,撞击出原子
6、。这些原子再穿过真空,淀积在硅片上凝聚形成薄膜。阴极阴极靶材靶材第11页,共100页。优点优点: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溅射法第12页,共100页。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.薄膜技术第13页,共100页。1.薄膜技术例:外延硅、多晶硅、非晶硅化学气相沉积CVD第14页,共100页。lTiN化学气相沉积CVD1.薄膜技术lTi第15页,共100页。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
7、、BPSGl金属膜W、Cu、Ti、TiN化学气相沉积CVD1.薄膜技术适用范围广泛(绝缘膜、半导体膜等),是外延生长的基础第16页,共100页。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第17页,共100页。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-CVD1.薄膜技术AP-CVD:常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD)第18页,共100页。u产量高、均匀性好,可用产量高、均匀性好,可用于大尺寸硅片于大尺寸硅片u主要用于沉积主
8、要用于沉积SiO2和掺杂和掺杂的的SiO2u气体消耗高,需要经常清气体消耗高,需要经常清洁反应洁反应腔腔u沉积膜沉积膜通常台阶覆盖能力差。通常台阶覆盖能力差。Canon APT 4800 APCVD tools 化学气相沉积AP-CVD1.薄膜技术第19页,共100页。连续加工的APCVD系统化学气相沉积AP-CVD1.薄膜技术第20页,共100页。化学气相沉积LP-CVDLP-CVD:低压化学气相沉积(Low Pressure CVD)1.薄膜技术第21页,共100页。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
9、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第22页,共100页。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-CVDPE-CVD:等离子体增强CVDHDP-CVD:高密度等离子体CVD第23页,共100页。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+6HFl沉积铜阻挡层TiN:6TiCl4+8NH36TiN+24HCl化学气相沉积PE-C
10、VD、HDP-CVD应用例:1.薄膜技术W第24页,共100页。2.光刻技术是高精密图形转移的有效方法l光刻光刻光刻的基本过程光刻的基本过程对准和曝光对准和曝光l光学基础光学基础l光刻设备光刻设备l光学增强技术光学增强技术l对准对准先进光刻技术先进光刻技术l刻蚀刻蚀刻蚀工艺刻蚀工艺干法和湿法刻蚀的应用干法和湿法刻蚀的应用第25页,共100页。通过光刻技术进行图形转移的基本过程2.光刻技术第26页,共100页。2.光刻技术是微电子制造的关键技术:最复杂、昂贵第27页,共100页。2.光刻技术电子束光刻机电子束光刻机采用黄光的光刻室采用黄光的光刻室昂贵的光刻机昂贵的光刻机 l光刻机:产量为其成本的
11、6倍才有利润:Intell掩膜版:$1millionl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%第28页,共100页。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.光刻技术第29页,共100页。1973:投影光刻机(投影光刻机(1X),分辨率,分辨率 4 m 波长波长320-440 nm.1976:采用:采用G线的线的10倍缩小步进机倍缩小步进机.1980s:G线向线向I线转变(注:线转变(注:G、I对应高压汞灯的不同特征谱线,对应高压汞灯的不同特征谱线,G线线436nm、I线线365
12、nm)1995:深紫外应用于:深紫外应用于0.25m技术,技术,并延续了并延续了4代技术代技术现在:现在:193nm,157nm,EUV 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2.光刻技术第30页,共100页。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;
13、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.光刻技术第31页,共100页。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.光刻技术第32页,共100页。底膜涂覆底膜涂覆脱水烘焙脱水烘焙Wafer处理腔处理腔Primer Layer1)气相成底膜处理WaferHot PlateHot PlateHMDS Vapor增强硅片和光刻胶之间的粘附性2.光刻技术第33页,共100页。l将光刻胶均匀地涂敷在硅片表面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;
14、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-WellUSGSTIPolysiliconPhotoresistPrimer第34页,共100页。SpindlePR dispenser nozzleChuckWaferTo vacuum pump2.光刻技术2)旋转涂胶第35页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第36页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispense
15、r nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第37页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第38页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第39页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第40
16、页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第41页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第42页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser nozzleChuckPR suck backWafer2.光刻技术2)旋转涂胶第43页,共100页。SpindleTo vacuum pumpPR dispenser noz
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