Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. в 2 ч. Ч. 1

М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, 
М. А. Ревелева

Технология,
конструкции и методы
моделирования кремниевых
интегральных микросхем

Под общей редакцией
членакорр. РАН профессора Ю. А. Чаплыгина

Технологические процессы изготовления
кремниевых интегральных схем 
и их моделирование

Часть 1

Р е к о м е н д о в а н о
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»

4е издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2020

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

2

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

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

4
Оглавление

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

Оглавление
5

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

6
Оглавление

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

Оглавление
7

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

8
Оглавление

В России в настоящее время ощущается потребность в
специалистах по конструированию, технологии и методам
моделирования интегральных микросхем. Микроэлектроника в качестве полупроводникового материала в основном использует кремний. Поэтому практический интерес в первую
очередь представляют кремниевые интегральные микросхемы.
Специалистов в области разработки и изготовления интегральных микросхем готовят практически все ведущие
технические университеты страны. Однако учебные пособия по разработке, технологии и моделированию интегральных микросхем, соответствующие как современному уровню развития микроэлектроники, так и Государственным
стандартам по направлениям подготовки специалистов в настоящее время практически отсутствуют.
Особенностью данного пособия является то, что оно содержит как фундаментальные представления о процессах и маршрутах, написанные на доступном для студентов уровне, так
и новейший материал по субмикронной технологии кремниевых СБИС. Важным является и то, что в книгу включен современный материал по математическому моделированию
технологических процессов, маршрутов изготовления и конструкций микросхем, а также раздел по особенностям моделирования субмикронных приборов и процессов их изготовления.
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
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». Учебные планы и содержание учебных дисциплин
формировались при активном взаимодействии с базовыми
кафедрами МИЭТ на ведущих предприятиях электронной
промышленности.
Учебное пособие состоит из двух частей. В первой описаны основные технологические процессы изготовления кремниевых интегральных микросхем (раздел 1) и математические методы их моделирования (раздел 2). Вторая часть
пособия посвящена современным маршрутам изготовления
кремниевых СБИС и методам их математического моделирования. Особое внимание уделено основам субмикронной технологии СБИС.

Член-корр. РАН, профессор Ю. А. Чаплыгин

10
Предисловие  редактора