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. <...> Основные технологические процессы изготовления кремниевых ИС . <...> Введение примесей в кремний или легирование полупроводниковых материалов . <...> Методология изложения материала и его содержание имеют серьезную апробацию — авторами в течение многих лет читаются соответствующие курсы лекций на факультете Электроники и компьютерных технологий (ранее—физико 10 Предисловие редактора техническом) Московского института электронной техники студентам четвертого и пятого курсов, которым преподаются учебные дисциплины «Технологические процессы изготовления ИС», «Маршруты СБИС», «Основы субмикронной технологии СБИС», «Моделирование технологических процессов ИС», «Моделирование элементов и маршрутов СБИС». <...> Впоследствии для более точной регулировки количества примеси, вводимой в полупроводник, был разработан процесс ионной имплантации. <...> Объясняется это тем, что в двуокиси кремния коэффициент диффузии основных доноров и акцепторов весьма мал. <...> Метод фотолитографии заключается в том, что на поверхность окисленного кремния наносят слой светочувствительного и кислотостойкого состава (фоторезиста), в котором образуют рисунок в виде окон необходимой конфигурации. <...> Окисел в окнах удаляют травлением и создают таким образом маску, защищающую поверхность от диффузии примесей. <...> К ним относятся все операции обработки пластин — механическая, химическая обработка, эпитаксия, фотолитография, диффузия (ионная имплантация). <...> 2), чередуясь, несколько раз повторяется последовательность: химическая обработка — термическая обработка (окисление кремния, диффузия) — фотолитография. <...> 5. n- и p-канальные транзисторы в КМОП-схеме Раздел 1 Основные технологические процессы <...>
Технология,_конструкции_и методы_моделирования_кремниевых_интегральных_микросхем._В_2_ч._Ч._1._Технологические_процессы_изготовления_кремниевых_интегральных_схем_и_их_моделирование.pdf
М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина,
М. А. Ревелева
Технология,
Под общей редакцией
конструкции и методы
моделирования кремниевых
интегральных микросхем
членакорр. РАН профессора Ю. А. Чаплыгина
Часть 1
Технологические процессы изготовления
кремниевых интегральных схем
и их моделирование
4е издание, электронное
Рекомендовано
Учебнометодическим 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