Integrierte Prozesse in der Chipherstellung

0040-02544 Oberkörper, DPS-Metall

 

0020-33806 Dps der oberen Kammer + Poly

 

Integrierte Prozessmodule

 

Prozessanforderungen für integrierte Schaltkreise

Volle Zuverlässigkeit:Integrierte Schaltkreise müssen in einer Vielzahl von Umgebungen und Bedingungen stabil funktionieren, einschließlich extremer Bedingungen wie hohen Temperaturen, niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit.

Zur Zuverlässigkeit gehört auch die Langlebigkeit einer Schaltung, also die Fähigkeit einer Schaltung, über einen langen Zeitraum eine gute Leistung aufrechtzuerhalten.

Stabile Höchstleistung:Hohe Leistung bedeutet, dass die Schaltung eine schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit, einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Integration aufweist. Da die Technologie immer weiter voranschreitet, steigt auch der Bedarf an hoher Leistung.

Niedrigpreis: Die Produktionskosten integrierter Schaltkreise müssen in einem angemessenen Rahmen gehalten werden, um der Marktnachfrage gerecht zu werden. Zu den Möglichkeiten zur Kostensenkung gehören die Verbesserung der Produktionseffizienz, die Optimierung von Prozessen und mehr.

Die Herausforderungen der Miniaturisierung

 

Erhöhen Sie die Stromdichte und die elektrische Feldstärke: Mit abnehmender Transistorgröße nehmen die Stromdichte und die elektrische Feldstärke entsprechend zu, was zu einer verringerten Zuverlässigkeit der Schaltung führen kann. Auch der Anstieg des Leckstroms ist ein Problem, das angegangen werden muss.

 

Erhöhte Komplexität: Um die Probleme der Miniaturisierung anzugehen, sind komplexere Strukturen erforderlich, was die Komplexität und Kosten des Prozesses erhöht. Mehr Prozesse und längere Herstellungszyklen erhöhen auch die Unsicherheit der Produktion.

Strukturmodule von LSI

 

Prozessintegration: Unter Prozessintegration versteht man die Kombination verschiedener Grundprozesse zur Herstellung der benötigten integrierten Schaltkreise. Verschiedene Hersteller mögen unterschiedliche Namen haben, aber sie integrieren im Wesentlichen mehrere Prozessschritte.

Grundlegende Prozesse und Module: Die Herstellung integrierter Schaltkreise umfasst mehrere grundlegende Prozesse wie Lithographie, Ätzen, Ionenimplantation usw. usw. Diese grundlegenden Prozesse können weiter in verschiedene Module unterteilt werden, beispielsweise Transistorherstellungsmodule, Verkabelungsmodule usw .

 

Wechselwirkung zwischen Modulen: Es besteht eine gegenseitige Beeinflussung der Prozesse jedes Moduls, insbesondere der Prozessbedingungen und Atmosphäre der Vor- und Nachprozesse. Daher müssen diese Zusammenhänge bei der Prozessgestaltung berücksichtigt werden, um die Qualität und Leistung des Endprodukts sicherzustellen.

Das folgende Diagramm zeigt die wichtigen Probleme, mit denen der Grundprozess in jedem Modulprozess konfrontiert ist:

Grundlegender integrierter Prozess

Die Herstellung integrierter Schaltkreise ist ein äußerst heikler und komplexer Prozess, der auf einer Reihe präzise kontrollierter Prozessschritte beruht, die häufig in verschiedenen Modulen organisiert sind.

Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erläuterung der grundlegenden Prozesse zur Herstellung von n-Groove-MOS-Transistoren, die zusammen den Herstellungsprozess am 3-Mikron-Technologieknoten bilden.

1. Puffern Sie die Bildung von Oxidfilmen

Schrittbeschreibung: Ein Si-Substratwafer vom p-Typ (100) mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω·cm wird in ein Quarzrohr gegeben und in auf 1000 Grad erhitztem Sauerstoff 60 Minuten lang oxidiert, um eine 50 nm dicke SiO2-Schicht zu bilden Dies wird als trockene Sauerstoffoxidation bezeichnet. Diese Schicht aus SiO2-Film wird als Pufferoxidfilm bezeichnet.

Zweck: Bereitstellung eines flachen und stabilen Substrats für nachfolgende Prozesse und gleichzeitiger Schutz des Si-Substrats vor Beschädigungen während der nachfolgenden Verarbeitung.

2. Bildung von Siliziumnitridschichten

Schrittbeschreibung: Ammoniak (NH3) wird mit Dichlorsilan (SiH2Cl2) in einem auf 800 Grad erhitzten Quarzrohr zur Reaktion gebracht und die gesamte Oberfläche des Si-Substrats wird mit einer 120 nm dicken Schicht aus Siliziumnitrid (Si3N4) bedeckt, was als CVD bezeichnet wird Methode (chemische Gasphasenabscheidung).

Zweck: Als Maskierungsschicht für nachfolgende Prozesse fungieren, um einen Teil des Si-Substrats vor Oxidation und anderen Behandlungen zu schützen.

3. Ionenimplantation und Lithographie

Schrittbeschreibung: Zunächst wird das Fotolackharz durch Fotoätzen selektiv zurückgehalten und dann in ein fluorhaltiges Plasma gegeben, um den Si3N4-Film zu entfernen, der nicht vom Fotolack bedeckt ist. Anschließend wird das Bor-Ion B+ um 75 keV beschleunigt, um mit dem Wafer zu kollidieren und in den Silizium-Wafer einzudringen.

Zweck: Bildung einer Kanalsperrschicht durch Ionenimplantation, um Leckströme zwischen benachbarten Geräten zu verhindern.

4. Bildung von Feldoxidfilmen

Schrittbeschreibung: Nach dem Entfernen des restlichen Fotolacks wird die Oberfläche mit Königswasser und verdünnter Flusssäure gewaschen und dann 6 Stunden lang bei 1000 Grad in Wasserdampf oxidiert, um einen 1 μm dicken SiO2-Film (Feldoxidfilm genannt) zu bilden sogenannte nasse Sauerstoffoxidationsmethode.

Zweck: Bildung einer Isolierschicht auf einem Si-Substrat zur Isolierung verschiedener Schaltkreiskomponenten.

5. Bildung eines Gate-Oxidfilms und Opferoxidation

Schrittbeschreibung: Nach dem Entfernen der Si3N4-Schicht und eines Teils der darunter liegenden SiO2-Schicht wird eine trockene Sauerstoffoxidation bei 50 nm durchgeführt, anschließend wird diese Schicht aus SiO2 (Opferoxidfilm genannt) erneut entfernt und schließlich entsteht ein Gate-Oxidfilm mit einer Dicke von 50 mm von 50 nm entsteht.

Ziel: Bereitstellung einer hochwertigen Isolationsschicht für die Gates von MOS-Transistoren. Der Opferoxidationsschritt dient der Entfernung der durch die Vorbehandlung beschädigten SiO2-Schicht.

6. Bildung von Gate-Elektroden

Schrittbeschreibung: Ein 400 nm dicker polykristalliner Siliziumfilm wird auf einem Si-Substrat abgeschieden und anschließend wird Phosphor dotiert, um den spezifischen Widerstand zu verringern. Als nächstes wird der polykristalline Siliziumfilm durch Fotoätzen geätzt, um eine Gate-Elektrode zu bilden.

Zweck: Als Gate eines MOS-Transistors fungieren, um die Stromunterbrechung zwischen Source und Drain zu steuern.

7. Quell- und Abflussbildung

Schrittbeschreibung: As+ wird durch Ionenimplantation in das Si-Substrat injiziert, um Source und Drain vom n-Typ zu bilden. Anschließend wird eine Aktivierungswärmebehandlung (Glühen) durchgeführt, die die injizierten Ionen elektrisch aktiv macht.

Zweck: Bereitstellung von Stromeingangs- und -ausgangsanschlüssen für MOS-Transistoren.

 

8. CVD-PSG Abscheidung und Ausheilung von Membranen

Schrittbeschreibung: Abscheidung eines 600 nm dicken CVD-SiO2-Films (CVD-PSG-Film genannt), der einige Prozent Phosphor enthält. Anschließend wird die Oberfläche durch Glühen in einem Ofen mit POCl3 verglast.

Ziel: Bereitstellung eines flachen und stabilen Substrats für die nachfolgende Aluminiumelektrode und gleichzeitig Reduzierung der Erweichungstemperatur von SiO2 für die nachfolgende Verarbeitung.

9. Die Bildung von Kontaktlöchern und die Abscheidung von Aluminiumelektroden

Schrittbeschreibung: Das Kontaktloch wird durch Fotoätzen auf dem CVD-PSG-Film geöffnet und anschließend wird eine Schicht aus Aluminium-Elektrodenfilm mit 1–2 % Si und einer Dicke von 800 nm abgeschieden. Zweck: Verbindung der Aluminiumelektrode mit der Source-, Drain- und Gate-Elektrode durch Kontaktlöcher, um eine vollständige Stromkreisverbindung zu bilden.

 

Zusammen bilden diese Schritte den grundlegenden Herstellungsprozess für n-Kanal-MOS-Transistoren. In der tatsächlichen Produktion sind mehrere Reinigungs-, Inspektions- und Testschritte erforderlich, um die Qualität und Leistung des Endprodukts sicherzustellen. Da die Technologie immer weiter voranschreitet, werden diese Prozessschritte ständig optimiert und verbessert, um einem höheren Integrationsgrad und strengeren Leistungsanforderungen gerecht zu werden.

Substratstruktur

Waferstruktur

Bei der Entwicklung integrierter Schaltkreise hat die Qualität des Si-Substrats als Kernmaterial einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung des Geräts. In den Anfängen wurde für integrierte Schaltkreise hauptsächlich monokristallines Silizium verwendet, das nach der Cheklauski-Methode (CZ) oder der Suspensionsschmelzmethode (FZ) hergestellt wurde. Die meisten dieser monokristallinen Siliziume liegen in der (100)-Richtung, da diese Richtung die beste MOS-Transistorleistung aufweist.

Bei der Herstellung von CMOS-Bauelementen ist eine Well-Well-Struktur erforderlich, um sowohl n-Groove- als auch p-Groove-Transistoren auf demselben Substrat zu bilden. Die Wannenstruktur ermöglicht die Koexistenz von N-Groove- und P-Groove-Transistoren durch die Bildung von p-Typ- bzw. n-Typ-Substraten unter dem Transistor.

Mit der Entwicklung der Technologie hat sich auch die Bohrlochstruktur von einer Einzelwanne über eine Doppelwanne zu einer Dreifachwanne weiterentwickelt, was den Grad der Gestaltungsfreiheit erhöht, die Widerstandsfähigkeit gegen externes Rauschen verbessert und die Fähigkeit zur Unterdrückung von Latch-Wellen verbessert hat. up (Kurzschlüsse verursacht durch eine Source-Drain und eine Thyristorstruktur bestehend aus Falle und Substrat).

SOI-Substrate

SOI-Substrate (Insulated Film Silicon Laminate) sind eine wettbewerbsfähige Technologie, und obwohl es derzeit nicht viele Geräte gibt, die SOI-Substrate verwenden, ist ihr Potenzial enorm. Die Entwicklung von SOI-Substraten begann in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts mit dem Ziel, die Strahlungsbeständigkeit zu verbessern und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu ermöglichen. Unter ihnen wurde die Silizium-Saphir-Struktur (SOS) teilweise in die Praxis umgesetzt, hat sich jedoch aufgrund von Problemen wie Kristallinität, Preis und Prozesskompatibilität noch nicht durchgesetzt.

Später wurde die Technik der Sauerstoffinjektionsisolierung (SIMOX) entwickelt, um die SOI-Struktur durch Bildung einer vergrabenen SiO2-Schicht unter der Oberfläche des Si-Substrats zu erreichen. Allerdings hat sich die SIMOX-Technologie aufgrund der Verringerung des Durchsatzes aufgrund der großen Menge an Sauerstoffinjektion sowie aufgrund von Problemen wie SiO2-Dickengrenzen und Kristallisationsfehlern noch nicht durchgesetzt.

Als Alternative zu SOS und SIMOX wurde in den letzten Jahren die Wafer-Bonding-Technologie entwickelt. Wafer-Bonding-Technologien, einschließlich der ELTRAN- und Smart Cut-Methoden, haben eine hochwertige SOI-Substratvorbereitung durch die Bildung von porösem Silizium, die Abscheidung epitaktischer Schichten oder die Verwendung von Wasserstoffionenimplantationsschichten zur mechanischen Trennung erreicht. Diese SOI-Substrate werden bereits in hochwertigen Produkten wie Ultrahochgeschwindigkeitsprozessoren eingesetzt, wo sie die parasitäre Kapazität des Substrats effektiv reduzieren und so zu hoher Geschwindigkeit und niedrigem Stromverbrauch beitragen können.

ENDE