等离子体蚀刻及其在大规模集成电路制造中的应用（高端集成电路制造工艺丛书） 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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编辑推荐

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。等离子体蚀刻是集成电路制造业核心工艺技术之一，在集成电路的诸多领域，扮演着不可或缺的重要角色。过去近半个世纪蚀刻技术栉风沐雨，已从简单的各向同性灰化发展到离子能量分布/电子能量分布级的精密控制技术。张海洋等作者有着深厚的学术根基以及丰富的产业经验，其带领的团队是多年来在*半导体工厂一线工作的科研人员，掌握了业界领先的制造工艺。他们处理实际问题的经验以及从产业出发的独特技术视角，将给读者带来启发和帮助。本书理论与实际相结合，紧跟国际技术前沿，填补国内外相关图书空白。本书内容基于已经公开发表的文献以及蚀刻团队对等离子体蚀刻在集成电路体制造应用的全面深刻理解。希望本书对于等离子体蚀刻在高端半导体制造中的研发和应用能够管窥一斑，也希望它能成为有意愿致力于半导体高端制造等离子体蚀刻工艺应用的工程人员的参考书籍。

内容简介

本书共9章，基于公开文献全方位地介绍了低温等离子体蚀刻技术在半导体产业中的应用及潜在发展方向。以低温等离子体蚀刻技术发展史开篇，对传统及已报道的先进等离子体蚀刻技术的基本原理做相应介绍，随后是占据了本书近半篇幅的逻辑和存储器产品中等离子体蚀刻工艺的深度解读。此外，还详述了逻辑产品可靠性及良率与蚀刻工艺的内在联系，聚焦了特殊气体及特殊材料在等离子体蚀刻方面的潜在应用。最后是先进过程控制技术在等离子体蚀刻应用方面的重要性及展望。
本书可以作为从事等离子体蚀刻工艺研究和应用的研究生和工程技术人员的参考书籍。

目录

目录

第1章低温等离子体蚀刻技术发展史

1.1绚丽多彩的等离子体世界

1.2低温等离子体的应用领域

1.3低温等离子体蚀刻技术混沌之初

1.4低温等离子体蚀刻技术世纪初的三国演义

1.5三维逻辑和存储器时代低温等离子体蚀刻技术的变迁

1.6华人在低温等离子体蚀刻机台发展中的卓越贡献

1.7未来低温等离子体蚀刻技术展望

参考文献

第2章低温等离子体蚀刻简介

2.1等离子体的基本概念

2.2低温等离子体蚀刻基本概念

2.3等离子体蚀刻机台简介

2.3.1电容耦合等离子体机台

2.3.2电感耦合等离子体机台

2.3.3电子回旋共振等离子体机台

2.3.4远距等离子体蚀刻机台

2.3.5等离子体边缘蚀刻机台

2.4等离子体先进蚀刻技术简介

2.4.1等离子体脉冲蚀刻技术

2.4.2原子层蚀刻技术

2.4.3中性粒子束蚀刻技术

2.4.4带状束方向性蚀刻技术

2.4.5气体团簇离子束蚀刻技术

参考文献

第3章等离子体蚀刻在逻辑集成电路制造中的应用

3.1逻辑集成电路的发展

3.2浅沟槽隔离蚀刻

3.2.1浅沟槽隔离的背景和概况

3.2.2浅沟槽隔离蚀刻的发展

3.2.3膜层结构对浅沟槽隔离蚀刻的影响

3.2.4浅沟槽隔离蚀刻参数影响

3.2.5浅沟槽隔离蚀刻的重要物理参数及对器件性能的影响

3.2.6鳍式场效应晶体管中鳍(Fin)的自对准双图形的蚀刻

3.2.7鳍式场效应晶体管中的物理性能对器件的影响

3.2.8浅沟槽隔离蚀刻中的负载调节

3.3多晶硅栅极的蚀刻

3.3.1逻辑集成电路中的栅及其材料的演变

3.3.2多晶硅栅极蚀刻

3.3.3台阶高度对多晶硅栅极蚀刻的影响

3.3.4多晶硅栅极的线宽粗糙度

3.3.5多晶硅栅极的双图形蚀刻

3.3.6鳍式场效应晶体管中的多晶硅栅极蚀刻

3.4等离子体蚀刻在锗硅外延生长中的应用

3.4.1西格玛型锗硅沟槽成型控制

3.4.2蚀刻后硅锗沟槽界面对最终西格玛型沟槽形状及

硅锗外延生长的影响

3.5伪栅去除

3.5.1高介电常数金属栅极工艺

3.5.2先栅极工艺和后栅极工艺

3.5.3伪栅去除工艺

3.6偏置侧墙和主侧墙的蚀刻

3.6.1偏置侧墙的发展

3.6.2侧墙蚀刻

3.6.3先进侧墙蚀刻技术

3.6.4侧墙蚀刻对器件的影响

3.7应力临近技术

3.7.1应力临近技术在半导体技术中的应用

3.7.2应力临近技术蚀刻

3.8接触孔的等离子体蚀刻

3.8.1接触孔蚀刻工艺的发展历程

3.8.2接触孔掩膜层蚀刻步骤中蚀刻气体对接触孔尺寸及

圆整度的影响

3.8.3接触孔主蚀刻步骤中源功率和偏置功率对接触孔侧壁

形状的影响

3.8.4接触孔主蚀刻步骤中氧气使用量的影响及优化

3.8.5接触孔蚀刻停止层蚀刻步骤的优化

3.8.6晶圆温度对接触孔蚀刻的影响

3.9后段互连工艺流程及等离子体蚀刻的应用

3.9.1后段互连工艺的发展历程

3.9.2集成电路制造后段互连工艺流程

3.10第一金属连接层的蚀刻

3.10.1第一金属连接层蚀刻工艺的发展历程

3.10.2工艺整合对第一金属连接层蚀刻工艺的要求

3.10.3第一金属连接层蚀刻工艺参数对关键尺寸、轮廓图形及

电性能的影响

3.11通孔的蚀刻

3.11.1工艺整合对通孔蚀刻工艺的要求

3.11.2通孔蚀刻工艺参数对关键尺寸、轮廓图形及电性能的影响

3.12金属硬掩膜层的蚀刻

3.12.1金属硬掩膜层蚀刻参数对负载效应的影响

3.12.2金属硬掩膜层材料应力对负载效应的影响

3.12.3金属硬掩膜层蚀刻侧壁轮廓对负载效应的影响

3.13介电材料沟槽的蚀刻

3.13.1工艺整合对介电材料沟槽蚀刻工艺的要求

3.13.2先通孔工艺流程沟槽蚀刻工艺参数对关键尺寸、

轮廓图形及电性能的影响

3.13.3金属硬掩膜先沟槽工艺流程沟槽蚀刻工艺对关键尺寸、

轮廓图形及电性能的影响

3.14钝化层介电材料的蚀刻

3.15铝垫的金属蚀刻

参考文献

第4章等离子体蚀刻在存储器集成电路制造中的应用

4.1闪存的基本介绍

4.1.1基本概念

4.1.2发展历史

4.1.3工作原理

4.1.4性能

4.1.5主要厂商

4.2等离子体蚀刻在标准浮栅闪存中的应用

4.2.1标准浮栅闪存的浅槽隔离蚀刻工艺

4.2.2标准浮栅闪存的浅槽隔离氧化层回刻工艺

4.2.3标准浮栅闪存的浮栅蚀刻工艺

4.2.4标准浮栅闪存的控制栅极蚀刻工艺

4.2.5标准浮栅闪存的侧墙蚀刻工艺

4.2.6标准浮栅闪存的接触孔蚀刻工艺

4.2.7特殊结构闪存的蚀刻工艺

4.2.8标准浮栅闪存的SADP蚀刻工艺

4.33DNAND关键工艺介绍

4.3.1为何开发3DNAND闪存

4.3.23DNAND的成本优势

4.3.33DNAND中的蚀刻工艺

4.4新型存储器与系统集成芯片

4.4.1SoC芯片市场主要厂商

4.4.2SoC芯片中嵌入式存储器的要求与器件种类

4.5新型相变存储器的介绍及等离子体蚀刻的应用

4.5.1相变存储器的下电极接触孔蚀刻工艺

4.5.2相变存储器的GST蚀刻工艺

4.6新型磁性存储器的介绍及等离子体蚀刻的应用

4.7新型阻变存储器的介绍及等离子体蚀刻的应用

4.8新型存储器存储单元为何多嵌入在后段互连结构中

4.8.1新型存储器存储单元在后段互连结构中的嵌入形式

4.8.2存储单元连接工艺与标准逻辑工艺的异同及影响

参考文献

第5章等离子体蚀刻工艺中的经典缺陷介绍

5.1缺陷的基本介绍

5.2等离子体蚀刻工艺相关的经典缺陷及解决方法

5.2.1蚀刻机台引起的缺陷

5.2.2工艺间的互相影响

5.2.3蚀刻工艺不完善所导致的缺陷

参考文献

第6章特殊气体及低温工艺在等离子体蚀刻中的应用

6.1特殊气体在等离子体蚀刻中的应用

6.1.1气体材料在半导体工业中的应用及分类

6.1.2气体材料在等离子体蚀刻中的应用及解离原理

6.1.3特殊气体等离子体蚀刻及其应用

6.2超低温工艺在等离子体蚀刻中的应用

6.2.1超低温等离子体蚀刻技术简介

6.2.2超低温等离子体蚀刻技术原理分析

6.2.3超低温等离子体蚀刻技术应用

参考文献

精彩书摘

第3章等离子体蚀刻在逻辑集成电路制造中的应用

摘要
逻辑集成电路工艺伴随着摩尔定律飞速发展，从21世纪初的亚微米工艺到如今已经宣布量产的14/16nm工艺，凝聚了无数半导体人的汗水和结晶。等离子体蚀刻作为集成电路工艺的核心部分也伴随着技术发展发生着日新月异的变化，尺寸的微缩对等离子体蚀刻工艺提出了更高的要求。
在形成器件结构的前段工艺，高精度图形定义需要浸入式光刻机和193nm光阻，单纯光阻掩膜在小尺寸纳米工艺已经不再适用，其厚度不足以胜任单一掩膜结构，三明治结构应运而生。为了更好的图形传递和器件的物理性能，(金属)硬掩膜已经得到广泛应用。器件从平面结构向三维结构的转变意味着更高的深宽比。为了更好地进行工艺整合，对形貌的控制需求也变得更加苛刻。45nm工艺后的p型沟道锗硅外延生长对等离子体蚀刻提出了更高要求。14nm及更先进的技术节点中引入了自对准双图形工艺，如何发展蚀刻工艺以避免奇偶效应也将是对等离子体蚀刻的巨大考验。工艺尺寸的微缩对蚀刻后的均匀度、线条粗糙度、负载效应及等离子体损伤的控制提出了更高的要求，新型脉冲等离子体蚀刻在28/14nm工艺中逐步介入。
接触孔层在集成电路的制造中起到承上启下，连接前段器件和后段金属互连的重要作用，历来是良率提升的重中之重。在接触孔蚀刻工艺中，除了要求全部导通，对于接触孔各项性能指标要求也越来越严格。例如，关键尺寸缩微、尺寸均匀性、接触孔侧壁形状的控制，接触孔蚀刻工艺对蚀刻停止层的选择性，金属硅化物的消耗量，以及接触孔高度均匀性等。
后段工艺是指在接触孔之后的实现金属连接互通的金属布线工艺，将外接电压/电流传递到前段晶体管。通常是由金属连接层、金属通孔和钝化层构成。大马士革工艺的提出完全改变了后段的蚀刻工艺，金属蚀刻被介质蚀刻所取代。(超)低介电材料的引入减少了器件的延迟，与此同时，为避免(超)低介电材料的恶化，一站式通孔沟槽蚀刻已经成为现在的主流方案。随着先进技术的不断发展，特征尺寸显著减小，芯片集成度的倍增，使得后段的图形分布更加密集，金属层数逐渐增加，这对于后段互连工艺中的蚀刻技术的均匀性、稳定性、可靠性提出了更高的要求。
本章将重点介绍从亚微米至第一代鳍式晶体管逻辑电路工艺中等离子体蚀刻的发展。


作 者 简 介
韩秋华，2002年获得吉林大学材料加工工程硕士学位，高级工程师。加入中芯国际十余年以来，全程参与主导了中芯国际自0.13μm~28nm关键节点蚀刻成套工艺研发并成功实现量产。长期致力于先进半导体逻辑产品的蚀刻工艺研发及相关原理的研究工作，并大力推动了国产高端蚀刻机台配套工艺研发。率先实现了北方微电子国产蚀刻设备在28nm技术节点的成功验证，获得第八届(2013年度)中国半导体创新产品和技术证书。历年来取得半导体技术专利授权120多项，核心专利获2012年上海浦东新区发明创造大赛优秀发明奖，2013年浦东职工工人发明家二等奖。指导和发表国内国际论文20多篇。
王新鹏，2006年3月获得北京航空航天大学材料学博士学位，高级工程师。目前供职于中芯国际集成电路制造(北京)有限公司技术特色工艺研发部，从事工艺技术开发。先后参与了90nm、65/55nm、45/40nm、28nm逻辑技术及55nm、28nm嵌入式非易失性存储技术相关制造工艺的研发并成功实现大规模量产。负责开发的接触孔、铝焊垫及钝化层的蚀刻等制造工艺已经累积量产数百万片12英寸晶圆； 参与研发并推广了国产介电材料蚀刻机台在高端逻辑电路制造中的应用； 作为55nm嵌入式非易失性存储器中栅极技术负责人，研发了逻辑栅极和控制栅极的制造工艺，实现了具备国际领先技术的手机卡和金融卡的国产化。目前已获授权的发明专利180多项，其中约100项为第一申请人，美国专利25项； 发表国际会议文章16篇，其中第一作者5篇。负责撰写本章中的第8~15节——等离子体蚀刻在接触孔及后段工艺中的应用。
王彦，2003年毕业于南京大学物理系，获学士学位，2009年毕业于北京大学物理学院，获博士学位。2013年至今在中芯国际集成电路制造(上海)有限公司研发部先后任资深工程师及主任工程师，从事闪存器件及逻辑电路前段28nm及14nm刻蚀工艺研究开发，现为逻辑电路前段多晶硅蚀刻的负责人。2017年获上海市科委青年科技人才启明星项目资助，共发表10余篇期刊及国际会议论文，共有80多项专利正在申请中，其中包括20多项国外专利。

前言/序言

前言
未来十年是以开放式创新为标识的物联网高速发展的时期，是新硬件时代即将开启的黎明。全球物联网规模化的期望已经使世界半导体行业成为蓝海。芯片技术、传感器、云计算的有机结合会让万物相连和无处不在的高度智能化成为可能。而低功耗、小尺寸和稳定性强的芯片是实现未来的智能家居、可穿戴设备、无人驾驶汽车、多轴无人飞行器、机器人厨师等新生事物的基石。顺应时代的需求，2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》出台，并推出十年千亿扶植基金计划。2015年政府工作报告中首次提出“中国制造2025”规划,其中集成电路放在新一代信息技术产业的首位。这些对于集成电路制造业核心工艺技术之一的低温等离子体蚀刻的发展无疑既是机遇又是严峻的考验和挑战。
在摩尔定律提出50周年的2015年，英特尔、三星、台积电等公司均进入14/16nm FinFET工艺量产阶段。2016年在台积电公司的2020年技术路线发展蓝图上，EUV工艺因其提高密度、大幅简化工艺而第一次成为5nm量产标配。2016—2020年这5年间，10nm、7nm甚至5nm将依次量产，由此可见技术节点更迭依然摧枯拉朽，丝毫不见摩尔定律脚步迟滞的迹象。FinFET教父胡正明教授在2016年坦言： 半导体行业还有百年的繁荣。5nm之后，未来集成电路的发展方向大体可以分成三类： ①依靠半导体制造工艺改进持续缩小数字集成电路的特征尺寸的More Moore； ②依靠电路设计以及系统算法优化提升系统性能的More than Moore； ③依靠开发CMOS以外的新器件提升集成电路性能的Beyond CMOS。而存储器是芯片制造领域的另一制高点，它与数据相伴而生且需求量巨大。在传统存储器DRAM、NAND Flash等遭遇微缩瓶颈的境况下，目前全球半导体巨擘皆正大举发展次世代存储器，如磁阻式随机存取存储器、相变存储器及电阻式动态随机存取存储器。在这些新兴领域里，等离子体蚀刻依然扮演着不可或缺的重要角色。
过去近半个世纪中，蚀刻技术已从简单的各向同性灰化发展到离子能量分布/电子能量分布级的精密控制技术。本书的内容基于已经公开发表的文献以及蚀刻团队对等离子体蚀刻在集成电路体制造应用的全面深刻理解，共分9个章节，包括低温等离子体半导体蚀刻技术的基本原理； 等离子体蚀刻技术发展史及前沿蚀刻技术的前瞻，诸如原子层蚀刻、中性粒子束蚀刻、离子束蚀刻、带状束定向蚀刻以及异步脉冲蚀刻等； 逻辑制程的经典蚀刻过程介绍； 传统及各种新型存储器中等离子体蚀刻技术的解读； 蚀刻过程相关的缺陷聚焦； 蚀刻过程和产品可靠性及良率的已知关联； 特殊气体在蚀刻中潜在应用的探索； 特殊材料蚀刻的综述涉及了三五族元素、石墨烯、黑磷、拓扑材料以及自组装材料等； 先进控制过程在等离子体蚀刻过程中应用涵盖了等离子体蚀刻过程的模型建立，已公开的先进控制技术实例，未来可能的黑灯工厂的全厂控制系统的架构。
本书是年轻的蚀刻团队在百忙之中历时两年笔耕不辍。希望这本书对于等离子体蚀刻在高端半导体制造中的研发和应用能够管窥一斑，也希望它能成为有意愿致力于半导体高端制造等离子体蚀刻工艺应用的工程人员的参考书籍。因经验有限，不妥之处，还请诸位专家、学者及工程技术人员斧正。
张海洋2017年12月于上海浦东张江











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