Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. В 2 ч. Ч. 1. Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование (242,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, М. А. Ревелева Технология, Под общей редакцией конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем членакорр. РАН профессора Ю. А. Чаплыгина Часть 1 Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование 4е издание, электронное Рекомендовано Учебнометодическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210104 (200100) «Микроэлектроника и твердотельная электроника» Москва Лаборатория знаний 2020

Стр.2

УДК 621.382.049.77.002(07) ББК 32.852 K68 K68 Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем : в 2 ч. Ч. 1 : Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование / М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, М. А. Ревелева ; под общ. ред. чл.-корр. РАН проф. Ю. А. Чаплыгина. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020 — 400 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный. ISBN 978-5-00101-814-8 (Ч. 1) ISBN 978-5-00101-813-1 Дано представление об основных маршрутах изготовления и конструкциях изделий микроэлектроники на основе кремния. Рассмотрены основные процессы создания интегральных схем: химическая и плазмохимическая обработка материала; введение примесей в кремний; выращивание окисла кремния и его охлаждение; литография; создание металлических соединений и контактов. Приведены методы моделирования процессов распределения примесей в полупроводниковых структурах. Для студентов и аспирантов, специализирующихся в области микроэлектроники и полупроводниковых приборов, а также специалистов. УДК 621.382.049.77.002(07) ББК 32.852 Деривативное издание на основе печатного аналога: Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем : в 2 ч. Ч. 1 : Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование / М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, М. А. Ревелева ; под общ. ред. чл.-корр. РАН проф. Ю. А. Чаплыгина. — 3-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 397 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-0135-5 (Ч. 1); ISBN 978-5-9963-0134-8. Работа выполнена в рамках реализации Приоритетного национального проекта «Образование» и направлена на разработку Инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для Российской инновационной системы в области электроники» В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-00101-814-8 (Ч. 1) ISBN 978-5-00101-813-1 ○c МИЭТ, 2007 ○c Лаборатория знаний, 2015

Стр.3

Оглавление Предисловие редактора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Раздел 1. Основные технологические процессы изготовления кремниевых ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1. Поверхностная обработка полупроводниковых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.1. Кремний — основной материал для полупроводниковых интегральных микросхем . . . . . 23 1.2. Механическая обработка кремниевых пластин . . . . . 26 Очистка поверхности пластин после механической обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Методы контроля чистоты поверхности пластин. . . . 29 1.3. Химическое травление кремния . . . . . . . . . . . . . . . 31 Кинетика травления кремния . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Две теории саморастворения кремния . . . . . . . . . . . 34 Зависимость скорости травления от свойств используемых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Влияние примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Дефекты структуры полупроводника . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Ориентация поверхности полупроводника. . . . . . . . . . . . . 37 Концентрация компонентов травителя . . . . . . . . . . . . . . 37 Температура раствора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Химико-динамическая полировка. . . . . . . . . . . . . . 39 Анизотропное травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Травление окисла и нитрида кремния . . . . . . . . . . . 42 Промывка пластин в воде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Очистка пластин в растворах на основе перекиси водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Стр.4

4 Оглавление 1.4. Плазмохимическое травление кремния . . . . . . . . . . 45 Классификация процессов ионно-плазменного травления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Кинетика изотропного травления кремния . . . . . . . 47 Образование радикалов в газоразрядной плазме. . . . . . . . . 48 Взаимодействие радикалов с атомами материалов . . . . . 49 Травление двуокиси и нитрида кремния . . . . . . . . . 50 Факторы, влияющие на скорость ПХТ материалов . . 51 Анизотропия и селективность травления . . . . . . . . . 54 2. Диэлектрические пленки на кремнии . . . . . . . . . . . . . 58 2.1. Термическое окисление кремния. . . . . . . . . . . . . . . 58 Окисление кремния при комнатной температуре . . . 58 Физический механизм роста окисла при высокой температуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Структура окисла кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Модель Дила–Гроува. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Кинетика роста окисла кремния. . . . . . . . . . . . . . . 66 Влияние температуры окисления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Влияние парциального давления окислителя. . . . . . . . . . . 68 Влияние ориентации подложки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Влияние типа и концентрации примеси в подложке. . . . . 70 Оборудование для окисления кремния . . . . . . . . . . 72 2.2. Методы контроля параметров диэлектрических слоев. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Контроль толщины слоя диэлектрика . . . . . . . . . . . 73 Контроль дефектности пленок . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Метод электролиза воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Электрографический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Метод электронной микроскопии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Метод короткого замыкания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.3. Контроль заряда структуры полупроводник — диэлектрик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.4. Осаждение диэлектрических пленок . . . . . . . . . . . . 82 Осаждение пленок диоксида кремния . . . . . . . . . . . 83 Осаждение нитрида кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3. Введение примесей в кремний или легирование полупроводниковых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.1. Диффузия примесей в полупроводник . . . . . . . . . . . 91 Механизмы диффузии примесей. . . . . . . . . . . . . . . 92

Стр.5

Оглавление 5 Диффузия по вакансиям. Коэффициент диффузии . . 94 Распределение примесей при диффузии. . . . . . . . . . 97 Диффузия из бесконечного источника . . . . . . . . . . . 98 Диффузия из ограниченного источника . . . . . . . . . 100 Первый этап диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Источники примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Источники донорной примеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Источники акцепторной примеси. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Поверхностный источник примеси. . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Второй этап диффузии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Перераспределение примеси при диффузии в окисляющей среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Контроль параметров диффузионных слоев . . . . . . 114 3.2. Эпитаксия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Рост эпитаксиальных пленок . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Методы получения эпитаксиальных слоев кремния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Хлоридный метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Пиролиз моносилана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Гетероэпитаксия кремния на диэлектрических подложках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Перераспределение примесей при эпитаксии . . . . . 126 3.3. Ионное легирование полупроводников . . . . . . . . . . 127 Характеристики процесса имплантации. . . . . . . . . 128 Пробег ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Дефекты структуры в полупроводниках при ионном легировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Основные типы дефектов, образующихся при ионном легировании полупроводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Распределение внедренных ионов . . . . . . . . . . . . . 140 Распределение примеси в интегральных структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Распределение примеси в двухслойной мишени . . . . . . . . 143 Влияние распыления полупроводника . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Отжиг легированных структур и радиационноускоренная диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Распределение примеси при термическом отжиге. . . . . . 147 Низкотемпературный отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Оборудование для ионного легирования. . . . . . . . . 150 Ионные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4. Технология литографических процессов . . . . . . . . . . 155 4.1. Классификация процессов литографии. . . . . . . . . . 155 4.2. Схема фотолитографического процесса. . . . . . . . . . 156

Стр.6

6 Оглавление 4.3. Фоторезисты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Позитивные фоторезисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Негативные фоторезисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Основные свойства фоторезистов. . . . . . . . . . . . . . 161 4.4. Фотошаблоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.5. Технологические операции фотолитографии . . . . . . 164 Контактная фотолитография . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Искажение рисунка при контактной фотолитографии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Литография в глубокой ультрафиолетовой области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Проекционная фотолитография. . . . . . . . . . . . . . . 169 Электронолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Рентгенолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Электронорезисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5. Металлизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.1. Свойства пленок алюминия. . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Электродиффузия в пленках алюминия . . . . . . . . . 182 Методы получения металлических пленок . . . . . . . 184 5.2. Создание омических контактов к ИС . . . . . . . . . . . 187 5.3. Использование силицидов металлов . . . . . . . . . . . . 193 5.4. Многослойная разводка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Раздел 2. Математическое моделирование технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . 197 1. Моделирование процесса ионной имплантации. . . . . 199 1.1. Теория торможения ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 1.2. Вычисление пробега иона и его проекции . . . . . . . . 210 1.3. Профили распределения внедренных ионов. . . . . . . 213 Нормальное распределение. . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Асимметричное распределение Гаусса . . . . . . . . . . 215 Распределение Пирсона–IV . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Диффузионное приближение . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Расчет распределения примеси с использованием уравнения Больцмана . . . . . . . . 220 Метод Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Эффект каналирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Аппроксимации распределения ионов, учитывающие эффект каналирования . . . . . . . . . . 224

Стр.7

Оглавление 7 1.4. Распределение примеси в интегральных структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Системы координат при моделировании ионной имплантации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Учет распыления мишени . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Боковое уширение профиля легирования . . . . . . . . 230 1.5. Радиационные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Природа дефектов. Аморфизация . . . . . . . . . . . . . 232 Распределение дефектов по глубине . . . . . . . . . . . 236 1.6. Быстрый термический отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Низкотемпературный отжиг. . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 2. Моделирование процесса термического окисления кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 2.1. Особенности окисления в реальном технологическом процессе . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 2.2. Начальный этап окисления. Тонкие пленки . . . . . . 248 Упругие напряжения и переходный слой. . . . . . . . 249 Структурные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Модели на основе учета упругих напряжений. . . . . 255 Кинетические модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Электрохимические модели . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Окисление в присутствии хлора или влаги. . . . . . . 263 2.3. Окисление поликремния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 2.4. Двумерные модели окисления . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Основные этапы численного моделирования процесса окисления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Аналитические модели двумерного окисления . . . . 272 Численное моделирование двумерного окисления . . 276 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 3. Моделирование процесса диффузии. . . . . . . . . . . . . . 282 3.1. Осбенности диффузионного процесса в кремнии. . . . 282 3.2. Уравнения диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Коэффициент самодиффузии кремния . . . . . . . . . . 289 Коэффициент диффузии примесей по вакансиям. . . 295 Вакансионно-междоузельный механизм диффузии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Обобщенная модель связанной диффузии. . . . . . . . 301 3.3. Примесная диффузия в условиях квазиравновесия. . 302

Стр.8

8 Оглавление Кластеризация и преципитация примеси . . . . . . . . 311 3.4. Неравновесная диффузия (диффузия фосфора) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Феноменологические вакансионные модели . . . . . . 318 Аналитическая модель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Модель просачивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 3.5. Совместная диффузия двух примесей . . . . . . . . . . . 326 3.6. Диффузия в поликристаллическом кремнии . . . . . . 331 3.7. Численное моделирование диффузии . . . . . . . . . . . 335 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 4. Диффузия примеси в окисляющей среде . . . . . . . . . . 339 4.1. Ускорение и замедление диффузии при окислении . . 339 Дефекты упаковки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Генерация дефектов упаковки . . . . . . . . . . . . . . . 341 Обобщенная диффузионная модель . . . . . . . . . . . . 346 4.2. Сегрегация примесей на границе кремний–окисел . . 350 4.3. Численное моделирование диффузии и окисления . . 352 Основные уравнения процесса . . . . . . . . . . . . . . . 352 Стационарные условия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Движущаяся граница раздела Si–SiO2 . . . . . . . . . . 356 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 5. Моделирование травления и осаждения слоев. . . . . . 359 5.1. Особенности технологических операций . . . . . . . . . 359 5.2. Алгоритм струны в моделировании травления и осаждения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 5.3. Модификации алгоритма струны . . . . . . . . . . . . . . 364 5.4. Моделирование процесса осаждения. . . . . . . . . . . . 370 5.5. Параметры численных моделей для расчета травления и осаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 6. Моделирование процесса фотолитографии . . . . . . . . 380 6.1. Основные этапы численного моделирования фотолитографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 6.2. Расчет изображения на поверхности фоторезиста . . . 383 6.3. Расчет интенсивности освещения в пленке фоторезиста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 6.4. Моделирование процесса проявления . . . . . . . . . . . 389 6.5. Анализ чувствительности критических размеров . . . 392 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

Стр.9