Integrerede processer i chipfremstilling

0040-02544 Overkrop, Dps Metal

 

0020-33806 Overkammer Dps + Poly

 

Integrerede procesmoduler

 

Proceskrav til integrerede kredsløb

Fuld pålidelighed:Integrerede kredsløb skal fungere stabilt i en række forskellige miljøer og forhold, herunder ekstreme forhold som høje temperaturer, lave temperaturer og høj luftfugtighed.

Pålidelighed involverer også levetiden af ​​et kredsløb, som er et kredsløbs evne til at opretholde en god ydeevne over en længere periode.

Stabil høj ydeevne:Høj ydeevne betyder, at kredsløbet har hurtig behandlingshastighed, lavt strømforbrug og høj integration. I takt med at teknologien fortsætter med at udvikle sig, stiger efterspørgslen efter høj ydeevne også.

Lavprispris: Produktionsomkostningerne for integrerede kredsløb skal kontrolleres inden for et rimeligt interval for at imødekomme markedets efterspørgsel. Måder at reducere omkostninger på omfatter forbedring af produktionseffektivitet, optimering af processer og meget mere.

Udfordringerne ved miniaturisering

 

Forøg strømtæthed og elektrisk feltstyrke: Når transistorstørrelsen falder, stiger strømtætheden og elektrisk feltstyrke tilsvarende, hvilket kan føre til reduceret kredsløbspålidelighed. Stigningen i lækstrøm er også et problem, der skal løses.

 

Øget kompleksitet: Der kræves mere komplekse strukturer for at løse de problemer, som miniaturisering medfører, hvilket øger processens kompleksitet og omkostninger. Flere processer og længere fremstillingscyklusser øger også usikkerheden i produktionen.

Strukturelle moduler af LSI

 

Procesintegration: Procesintegration er kombinationen af ​​forskellige grundlæggende processer til fremstilling af de nødvendige integrerede kredsløb. Forskellige producenter kan have forskellige navne, men de integrerer i det væsentlige flere procestrin sammen.

Grundlæggende processer og moduler: Fremstillingen af ​​integrerede kredsløb involverer flere grundlæggende processer, såsom litografi, ætsning, ionimplantation, etc. osv. Disse grundlæggende processer kan yderligere opdeles i forskellige moduler, såsom transistorfremstillingsmoduler, kablingsmoduler osv. .

 

Interaktion mellem moduler: Der er en gensidig påvirkning mellem processerne i hvert modul, især forarbejdningsbetingelserne og atmosfæren i for- og efterprocesserne. Derfor skal disse indbyrdes sammenhænge overvejes i procesdesignet for at sikre kvaliteten og ydeevnen af ​​det endelige produkt.

Følgende diagram viser de vigtige problemer, som den grundlæggende proces står over for i hver modulproces:

Grundlæggende integreret proces

Fremstillingen af ​​integrerede kredsløb er en yderst delikat og kompleks proces, der er afhængig af en række præcist kontrollerede procestrin, som ofte er organiseret i forskellige moduler.

Det følgende er en detaljeret forklaring af de grundlæggende processer for n-groove MOS transistor fabrikation, som tilsammen danner fremstillingsprocessen ved 3 mikron teknologi noden.

1. Buffer dannelsen af ​​oxidfilm

Trinbeskrivelse: En p-type (100) krystalorientering med en resistivitet på 10Ω·cm Si-substratwafer anbringes i et kvartsrør og oxideres i oxygen opvarmet til 1000 grader i 60 minutter for at danne et 50 nm tykt SiO2-lag, som er kaldet tør iltoxidation. Dette lag af SiO2-film kaldes en bufferoxidfilm.

Formål: At give et fladt og stabilt substrat til efterfølgende processer, samtidig med at Si-substratet beskyttes mod beskadigelse under efterfølgende bearbejdning.

2. Dannelse af siliciumnitridlag

Trinbeskrivelse: Ammoniak (NH3) omsættes med dichlorsilan (SiH2Cl2) gas i et kvartsrør opvarmet til 800 grader, og hele overfladen af ​​Si-substratet er dækket med et 120nm tykt lag siliciumnitrid (Si3N4), som kaldes CVD metode (kemisk dampaflejring).

Formål: At fungere som et maskeringslag for efterfølgende processer for at beskytte en del af Si-substratet mod oxidation og andre behandlinger.

3. Ionimplantation og litografi

Trinbeskrivelse: Først tilbageholdes fotoresistharpiksen selektivt ved fotoætsning og placeres derefter i et fluorholdigt plasma for at fjerne Si3N4-filmen, der ikke er dækket af fotoresisten. Dernæst accelereres borion B+ med 75 keV for at kollidere med waferen og få den til at invadere siliciumwaferen.

Formål: At danne et kanalblokerende lag ved ionimplantation for at forhindre lækstrøm mellem tilstødende enheder.

4. Dannelse af feltoxidfilm

Trinbeskrivelse: Efter fjernelse af den resterende fotoresist vaskes overfladen med aqua regia og fortyndet flussyre og oxideres derefter i vanddamp ved 1000 grader i 6 timer for at danne en 1 μm tyk SiO2-film (kaldet feltoxidfilm), som er kaldet våd iltoxidationsmetode.

Formål: At danne et isolerende lag på et Si-substrat for at isolere forskellige kredsløbskomponenter.

5. Port-oxidfilmdannelse og offeroxidation

Trinbeskrivelse: Efter fjernelse af Si3N4-laget og en del af SiO2-laget nedenunder, udføres tør iltoxidation ved 50nm, hvorefter dette lag af SiO2 (kaldet offeroxidfilm) fjernes igen, og til sidst en gateoxidfilm med en tykkelse på 50nm dannes.

Formål: At levere et isoleringslag af høj kvalitet til MOS-transistors porte. Offeroxidationstrinnet bruges til at fjerne SiO2-laget, der er blevet beskadiget af forbehandlingen.

6. Dannelse af portelektroder

Trinbeskrivelse: En 400 nm tyk polykrystallinsk siliciumfilm aflejres på et Si-substrat, og derefter doperes fosfor for at reducere resistiviteten. Derefter ætses den polykrystallinske siliciumfilm ved fotoætsning for at danne en portelektrode.

Formål: At fungere som gate for en MOS-transistor til at styre strømbrud mellem source og drain.

7. Kilde- og drændannelse

Trinbeskrivelse: As+ injiceres i Si-substratet ved ionimplantation for at danne n-type kilde og dræn. Derefter foretages en aktiveringsvarmebehandling (udglødning), som gør de indsprøjtede ioner elektrisk aktive.

Formål: At levere strømindgangs- og udgangsterminaler til MOS-transistorer.

 

8. CVD-PSG Afsætning og udglødning af membraner

Trinbeskrivelse: Deponer en 600 nm tyk CVD-SiO2-film (kaldet CVD-PSG-film) indeholdende nogle få procent fosfor. Overfladen forglasses derefter ved udglødning i en ovn med POCl3.

Formål: At give et fladt og stabilt underlag til den efterfølgende aluminiumselektrode, og samtidig reducere blødgøringstemperaturen af ​​SiO2 til efterfølgende bearbejdning.

9. Dannelse af kontakthuller og aflejring af aluminiumselektroder

Trinbeskrivelse: Kontakthullet åbnes på CVD-PSG-filmen ved fotoætsning, og derefter aflejres et lag af aluminiumelektrodefilm indeholdende 1%~2% Si med en tykkelse på 800nm. Formål: At forbinde aluminiumselektroden med kilden, dræn- og portelektroden gennem kontakthuller for at danne en komplet kredsløbsforbindelse.

 

Tilsammen udgør disse trin den grundlæggende fremstillingsproces for n-kanals MOS-transistorer. I den faktiske produktion kræves der flere rengørings-, inspektions- og testtrin for at sikre kvaliteten og ydeevnen af ​​det endelige produkt. Efterhånden som teknologien fortsætter med at udvikle sig, bliver disse procestrin konstant optimeret og forbedret for at imødekomme højere integrationsniveauer og strengere ydeevnekrav.

Underlagets struktur

Wafer struktur

I udviklingen af ​​integrerede kredsløb har kvaliteten af ​​Si-substratet, som kernematerialet, en afgørende indflydelse på enhedens ydeevne. I de tidlige dage brugte integrerede kredsløb hovedsageligt monokrystallinsk silicium fremstillet ved Cheklauski (CZ)-metoden eller suspensionssmeltningsmetoden (FZ). De fleste af disse monokrystallinske silicium er i (100) retningen, fordi denne retning har den bedste MOS transistor ydeevne.

Ved fremstilling af CMOS-enheder kræves der en brøndstruktur for at danne både n-rille- og p-rille-transistorer på det samme substrat. Brøndstrukturen muliggør sameksistens af N-rille- og P-rille-transistorer ved at danne henholdsvis p-type og n-type substrater under transistoren.

Med udviklingen af ​​teknologien har brøndstrukturen også gennemgået en udvikling fra en enkelt brønd til en dobbeltbrønd til en tredobbelt brønd, hvilket øger graden af ​​designfrihed, forbedrer evnen til at modstå ekstern støj og forbedrer evnen til at undertrykke låse- op (kortslutninger forårsaget af et source-drain og en tyristorstruktur bestående af en fælde og substrat).

SOI substrater

SOI (Insulating Film Silicon Laminate)-substrater er en konkurrencedygtig teknologi, og selvom der ikke er mange enheder, der i øjeblikket bruger SOI-substrater, er deres potentiale enormt. Udviklingen af ​​SOI-substrater begyndte i 60'erne af det 20. århundrede med det formål at forbedre strålingsmodstanden og muliggøre højhastighedsdrift. Blandt dem er silicium-safir (SOS) strukturen blevet delvist taget i praktisk brug, men den er endnu ikke blevet mainstream på grund af problemer som krystallinitet, pris og proceskompatibilitet.

Senere blev Oxygen Injection Isolation (SIMOX) teknikken udviklet for at opnå SOI-strukturen ved at danne et SiO2-begravet lag under overfladen af ​​Si-substratet. SIMOX-teknologien er dog endnu ikke blevet mainstream på grund af reduktionen af ​​gennemløbet på grund af den store mængde iltindsprøjtning, samt problemer som SiO2-tykkelsesgrænser og krystallisationsfejl.

I de senere år er wafer bonding-teknologi blevet udviklet som et alternativ til SOS og SIMOX. Wafer-bindingsteknologier, herunder ELTRAN- og Smart Cut-metoderne, har opnået højkvalitets SOI-substratforberedelse ved at danne porøst silicium, afsætte epitaksiale lag eller bruge brintionimplantationslag til mekanisk adskillelse. Disse SOI-substrater er allerede begyndt at blive brugt i produkter med høj værditilvækst såsom ultra-high-speed processorer, hvor de effektivt kan reducere substratets parasitære kapacitans og dermed bidrage til høj hastighed og lavt strømforbrug.

ENDE