深亚微米集成电路特征尺寸缩小的研究开发和应用

摘要

随着集成电路飞速发展和集成电路制造工艺水平的提高,芯片的集成度越来越高。工艺特征尺寸的缩小研究一直是半导体设计和生产的重要课题,近年来器件栅长已经从几微米缩小到65nm甚至更小。本论文主要是针对0.18μm工艺节点进行了同一代工艺尺寸缩小的设计和应用研究。将0.18μm工艺等比例缩小到0.144μm工艺,基于原来的芯片设计数据等比例缩小到80％,以期在保持与尺寸缩小前原产品的性能一致的基础上,通过特征尺寸的缩小提升产品竞争力,同时缩短产品的开发周期。
　　然而尺寸的缩小给工艺上带来了极大的挑战,相比尺寸缩小前的工艺,缩小后产品在器件、互连以及工艺极限等方面将有更多的挑战。本论文对尺寸缩小后新工艺的目标以及实现方法进行了理论分析和大量的试验,研究了器件与互连性能匹配以及尺寸缩小带来的工艺问题及其解决方案。
　　在进行等比例缩小后,通过对栅极线宽、轻掺杂漏区(LDD)注入条件、源漏注入(S/D注入)条件以及阈值电压调节注入条件的调整实现了器件性能的匹配,使缩小后的新工艺的器件性能与缩小前基本相当;同时对互连工艺的优化也使得互连的电学参数与缩小前接近;此外,工艺开发中还发现了诸多尺寸缩小后带来的新的问题,通过大量的实验以及对工艺进行的优化使得这些问题得到了解决,实现了以下尺寸缩小新工艺开发的目标:
　　(1)新工艺的芯片功能完全满足了要求,尺寸缩小前后单片硅片良品率基本相当,但单片硅片上的可用的芯片数目大幅度增加。
　　(2)新工艺的稳定性满足了量产要求,表征工艺稳定性的各工艺参数和芯片电学参数稳定。
　　(3)工艺可靠性评估项目包括热载流子注入(HCI)、阈值电压稳定性(VTS)以及电迁移(EM)等都满足了要求;产品级别可靠性如静电防护(ESD),以及高温操作生命期试验(HTOL)也满足了要求。最终新工艺应用于实际产品的量产,这些产品以更低的成本却拥有与尺寸缩小前芯片近乎相同的功能的优势,成功地在市场上替代了尺寸缩小前的芯片。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 集成电路特征尺寸缩小的发展趋势和意义

1.1.1 集成电路特征尺寸缩小趋势

1.1.2 同代集成电路特征尺寸缩小的意义

1.2 同代集成电路特征尺寸缩小的挑战

1.3 本文的研究工作

第二章 深亚微米集成电路特征尺寸缩小的研究方法和测试

2.1 0.18微米同代工艺尺寸缩小的研究过程和目标

2.2 0.18微米同代工艺尺寸缩小方法的设计原则

2.3 0.18微米同代工艺尺寸缩小的实验测试

第三章 尺寸缩小前后芯片关键电性能的匹配研究

3.1 逻辑器件性能的匹配

3.2 介质电容与多晶硅电阻值的匹配

3.3 互连电阻的匹配

第四章 尺寸缩小带来的工艺问题及其解决方案研究

4.1 尺寸缩小对光刻工艺的影响及其解决方案研究

4.2 尺寸缩小对多晶硅侧墙的影响及其解决方案研究

4.3 尺寸缩小对其它工艺的影响及其解决方案研究

第五章 尺寸缩小后新工艺的评估

5.1 尺寸缩小后新工艺的产品功能评估

5.2 尺寸缩小后新工艺的稳定性评估

5.3 尺寸缩小后新工艺产品可靠性的评估

5.3.1 可靠性类型

5.3.2 尺寸缩小后新工艺产品的可靠性评估

第六章 结论及今后工作设想

参考文献

致谢