半导体工艺技术-43张课件.ppt

1、半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究新型器件结构新型器件结构目前研发焦点目前研发焦点“无光源无光源”纳米结构制备技术纳米结构制备技术1半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究19001950196019702000VacuumTubeTransistorICLSIULSI10 cmcmmm10 mm100 nm一百年中，电子开关器件的关键（最小）尺寸缩小一百年中，电子开关器件的关键（最小）尺寸缩小10106 6倍倍!10-1 m10-2 m10-3 m10-5 m10-7 m器件几何尺寸的持续减小成就了微电子技术的无器件几何尺寸的持续减小成就了微电子

2、技术的无处不在，产生了无数的应用，造就了信息社会。处不在，产生了无数的应用，造就了信息社会。Down Scaling：Enabler2半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究器件几何尺寸的减小直接导致器件几何尺寸的减小直接导致：1 1、减小寄生电容，由此减小、减小寄生电容，由此减小MOSFETMOSFET的开关时间的开关时间减小功耗减小功耗2 2、增加单位面积晶体管的数量、增加单位面积晶体管的数量增强电路功能增强电路功能 促成并行运算促成并行运算 增大运算速度增大运算速度器件几何尺寸器件几何尺寸的减小最为关的减小最为关键、有效键、有效Prof.Iwai,Tokyo Inst

3、 Tech.为什么要减小器件的几何尺寸为什么要减小器件的几何尺寸?3半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究集成电路特性的改善和成本的降低主要是通过晶体管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。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集成电路工艺的发展和进步Performance/Cost Market Growth20002005201020152020110100GATE LENGTH(nm)YEAR LOW POWER HIGH PERFORMANCEITRS，International Technology

4、Roadmap for SemiconductorsTransistor ScalingPITCHInvestment YEAR:20192019201920192019HALF-PITCH:65 nm 45 nm 32 nm22 nm 15 nm4半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究WakabayashiNECLength of 18 Si atomsIts real(nano-device)!5半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究体硅体硅MOSFET技术技术Current flowing between the Source and Drai

5、n is controlled by the voltage on the Gate electrode SubstrateGateSourceDrainMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor:栅长栅长,Lg绝缘氧栅绝缘氧栅厚度厚度,Tox结结深深,XjM.Bohr,Intel DeveloperForum,September 2019GSDcourtesy of Prof.KurodaKeio University)期望得到的期望得到的MOSFET特性特性:开启时驱动电流要大开启时驱动电流要大（High ON current）关闭时

6、漏电流要小关闭时漏电流要小（Low OFF current）|GATE VOLTAGE|CURRENTVT6半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究MOSFET：一个低功耗、：一个低功耗、效率高的逻辑开关效率高的逻辑开关P welln+sourcen+drainGate oxiden+poly gateGate spacerVGLog(ID)Ideal switchVtIonIoffMOSFET switchIoffLWS/CWD/CSourceDrainVG=VDChannelBCPVD-N+N+N+-LWS/CWD/CSourceDrainVG=0ChannelBCPd

7、-N+N+N+After F.BOEUF,MIGAS 20197半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究为什么需要新的晶体管结构为什么需要新的晶体管结构?当沟道长度当沟道长度Lg 减小时，漏电流必须得到有效的控制减小时，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漏电流同时也发生在远离沟道的表面区 Lets get rid of it!DrainSourceGateThin-BodyMOSFETBuried OxideSourceDrainGateSubstrate“Silicon-on-Insulator”(SOI)Wafer Lg8半导体工艺技术第十三章

8、第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究薄体薄体MOSFET使用薄体可以有效地控制漏电流，要求：使用薄体可以有效地控制漏电流，要求：TSi Lg双栅结构更有利于沟道的缩短，可至双栅结构更有利于沟道的缩短，可至 Lg10 nmUltra-Thin Body(UTB)Buried OxideSubstrateSourceDrainGateTSi LgDouble-Gate(DG)GateSourceDrainGateTSi9半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究双栅双栅“FinFET”Planar DG-FETGateSourceDrainGateTSiFin Width=TS

9、i LgGATESOURCEDRAIN20 nm10 nmY.-K.Choi et al.,IEEE Intl Electron Devices Meeting 201915 nm Lg FinFET:Fin Height HFIN=W/2D.Hisamoto et al.,IEEE Intl Electron Devices Meeting,2019N.Lindert et al.,IEEE Electron Device Letters,p.487,2019FinFETSourceDrainGateLg10半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究 14 nm 10 nm

10、ABMetalGateNanowireChannelMetallicSourceMetallic DrainHigh-K gatedielectricSpacerSpacerABLG10 nmd 14 nmd 10 nm一种可能的未来一种可能的未来MOSFET的结构的结构11半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究目前研发焦点目前研发焦点:如何增大驱动电流？如何增大驱动电流？Courtesy Prof.Saraswat(Stanford University)Low S/D resistance12半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究前端工艺中的一些

11、关键技术前端工艺中的一些关键技术原子层级淀积原子层级淀积 Atomic layer deposition(ALD)Atomic layer deposition(ALD)实现栅氧层淀积的原子层级控制实现栅氧层淀积的原子层级控制脉冲激光退火脉冲激光退火 Pulsed laser annealing Pulsed laser annealing实现超快、低实现超快、低“热预算热预算”（即小（即小DtDt）高温退火）高温退火等离子浸没式注入等离子浸没式注入 Plasma immersion implantation Plasma immersion implantation实现超浅离子注入实现超浅离

12、子注入高电导沟导工程高电导沟导工程 High mobility channel High mobility channel实现局域压缩或拉伸应力实现局域压缩或拉伸应力等等等等Prof.Iwai,Tokyo Inst Tech.13半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究后端工艺中的一些关键技术后端工艺中的一些关键技术Prof.Iwai,Tokyo Inst Tech.原子层级淀积原子层级淀积 Atomic layer deposition(ALD)Atomic layer deposition(ALD)实现铜籽晶层和扩散阻挡层淀积的原子层级控制实现铜籽晶层和扩散阻挡层淀积的

13、原子层级控制多孔金属间介质薄膜的材料和工艺多孔金属间介质薄膜的材料和工艺有效地减小互连体系中的寄生电容有效地减小互连体系中的寄生电容大马士革工艺大马士革工艺 Damascene processing Damascene processing实现取代传统铝布线的先进铜互连技术实现取代传统铝布线的先进铜互连技术三维多层金属布线三维多层金属布线 Multilevel-multilayer Multilevel-multilayer metallizationmetallization，3D3D有效使用珍贵的硅表面，实现超大规模集成技术有效使用珍贵的硅表面，实现超大规模集成技术等等等等14半导体工艺技

14、术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Graphene sheetSingle-walled carbon nanotube(SWNT)Various kinds of semiconducting nanowires:Si,Ge,InSb,GaAs,SiC,GaN,ZnO,etc.15半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究关键尺寸 100 nmResistCourtesy Per-Erik Hellstrm（Hellberg）“无光源无光源”纳米结构制备技术纳米结构制备技术16半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Ref：KLA Tenc

15、orWave length(I)Line widthDeep Sub-wavelength LithoSub-wavelength LithoOPC at180 nmAggressive OPC at 30%for each nodeImmersionLithography350 nm365 nm180 nm248 nm193 nm130 nm90 nm65 nm45 nmPROCESS CONTROL:THE INVESTMENT THAT YIELDSNovel Processing（工艺革新）（工艺革新）：EnablerProf.Iwai,Tokyo Inst Tech.17半导体工艺技

16、术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究为什么为什么“光刻光刻”技术如此成功技术如此成功?价格方面：价格方面：193 nm 光刻设备光刻设备 20 M$一套光刻版一套光刻版 1 M$高分辨率并能实现大批量生产！高分辨率并能实现大批量生产！100 wafers/hour18半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究光刻基本要求光刻基本要求 理想的光刻理想的光刻分辨率分辨率ResolutionGood图形图形Pattern shapeAny大、小图形混合大、小图形混合Large&small patternsYes对准精度对准精度AlignmentGood产量产量Throu

17、ghputHigh初始价位初始价位Initial costLow运行费运行费Running costLow19半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究适用于小批量制备适用于小批量制备/制造的纳米级制造的纳米级“光刻光刻”电子束曝光，电子束曝光，EBL：Electron-Beam Litho 纳米压印，纳米压印，NIL：Nano-Imprint Litho “侧墙转移侧墙转移”，STL：Sidewall-Transfer Litho20半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究EBLEBL的特征和优点的特征和优点+直写、灵活直写、灵活+任意形状任意形状+0.

18、1 nm+束斑直径束斑直径/宽宽 5 nm21半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究EBLEBL的分辨率的分辨率 高能：高能：100 keV 高对比度的光刻胶高对比度的光刻胶 薄薄光刻胶光刻胶 用叠层光刻胶用叠层光刻胶 用用“硬胶硬胶”Hard maskWaferThick resistThin resistWaferHard Mask22半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究EBLEBL分辨率的提高分辨率的提高 使用不同光刻胶的对比使用不同光刻胶的对比相等亮相等亮/暗线宽的分辨率暗线宽的分辨率23半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性

19、工艺研究NILNIL工艺流程和特征工艺流程和特征 压印及压印及UV光辐照光辐照 Step and flash 分辨率分辨率 10 nm 任意图形任意图形 石英母版复制实用版方法石英母版复制实用版方法 套刻精度套刻精度 1 m，有声称到，有声称到 100 nm的的C.R.K.Marrian and D.M.Tennant,JVST,201950 nm pillars after 500 imprints with the same master24半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究NILNIL在大尺寸硅片上应用实例在大尺寸硅片上应用实例25半导体工艺技术第十三章第十三章

20、 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究NILNIL在多栅纳米晶体管在多栅纳米晶体管FinFETFinFET中应用实例中应用实例26半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究NILNIL制作的互连双大马士革制作的互连双大马士革结构。减少制作步骤。结构。减少制作步骤。27半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Top viewCross sectionWaferSiO2poly-SiSi0.2Ge0.8Resist“侧墙转移侧墙转移”STLSTL的工艺流程，的工艺流程，1 1目标：制备纳米级多晶硅栅（红色条块）目标：制备纳米级多晶硅栅（红色条块）28半导体工艺技术第十

21、三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Top viewCross sectionWaferSiO2poly-SiSi0.2Ge0.8100 nmPoly SiGeNitrideOxide hard mask100 nmPoly SiGeNitrideOxide hard maskSiNSTLSTL的工艺流程，的工艺流程，2 229半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Top viewCross sectionWaferSiO2poly-SiSi0.2Ge0.8SiNSiNSTLSTL的工艺流程，的工艺流程，3 330半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性

22、工艺研究Top viewCross sectionWaferSiO2poly-SiSiNResistSTLSTL的工艺流程，的工艺流程，4 431半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Top viewCross sectionWaferSiO2poly-SiSiNResistSTLSTL的工艺流程，的工艺流程，5 532半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Top viewCross sectionWaferSiO2poly-SiSiNResistSTLSTL的工艺流程，的工艺流程，6 633半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研

23、究Top viewCross sectionWaferSiO2poly-SiSTLSTL的工艺流程，的工艺流程，7 7SiN34半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究10 poly-Si linesWidth=45 nmpoly-Si contactH=15 nmW=15 nmpoly-SiNiSi50nm150nmSiSTLSTL的工艺流程，的工艺流程，8 835半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Fin W=35 nm Fin H=27 nm L=70 nmZhang&Qiu et al.IEEE EDL May 2019Al wiringCo

24、ntact holes to S/DDouble Fin channelGateFinFET produced using STL twice36半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究常规光刻技术和标准硅薄膜工常规光刻技术和标准硅薄膜工艺技术的革新和结合艺技术的革新和结合对细线条而言，理论上对细线条而言，理论上 k k1 10 0PitchPitch的大小由的大小由常规光刻技术的常规光刻技术的分辨率决定分辨率决定常规光刻技术常规光刻技术的使用保证了高的使用保证了高产率产率NAkR1“侧墙转移侧墙转移”(STL)STL)的特征和优点的特征和优点37半导体工艺技术第十三章第十

25、三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究2n lines after n iterations of spacer lithography!1st Spacers2nd Spacers3rd Spacers运用运用STLSTL技术产生高密度图形技术产生高密度图形Photo-lithographically definedsacrificial structuresY.-K.Choi et al.,JVST-B 21,2951-2955(2019)38半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究STLSTL工艺中线条尺寸的控制工艺中线条尺寸的控制CVDCVD技术淀积的薄膜具有超常均匀性

26、和可控性技术淀积的薄膜具有超常均匀性和可控性 STLSTL纳米线的线宽由纳米线的线宽由SiNSiN薄膜决定薄膜决定 STLSTL纳米线的线厚由纳米线的线厚由poly-Sipoly-Si薄膜决定薄膜决定Choi et al.,IEEE T-ED 49,436（2019）Lg LgSTL技术得到的栅技术得到的栅 均匀的均匀的 Lg通常光刻技术通常光刻技术制备的栅制备的栅 不均匀的不均匀的 Lg39半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究STLEBArFKaneko et.al.,IEDM2019用用STLSTL制备线条的线宽不均匀性非常小制备线条的线宽不均匀性非常小!STL40半导体工艺技术第十三章第十三章 前瞻性工艺研究前瞻性工艺研究Summary Ideal OpticalEBLNILSTLResolutionGoodGoodGoodGoodGoodPattern shapeAnyAnyAnyAnyLines/RingsLarge&small patternsYesYesNoYesYesAlignmentGoodGoodGoodPoorGoodThroughputHighHighLowMediumHighInitial costLowHighMediumLowLowRunning costLowHighLowMediumLow41