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`Silicon VLSI Technology
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`Fundamentals, Practice and Modeling
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`James D. Plummer
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`Michael Deal
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`Peter B. Griffin
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`Department ofElectrical Engineering
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`Stanford University
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` Prentice Hall
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`Prentice.
`[lg-11]
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`Upper Saddle River, NJ 07458
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`TSMC Exhibit 1031
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`TSMC v. IP Bridge
`IPR2016-01377
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`TSMC Exhibit 1031
`TSMC v. IP Bridge
`IPR2016-01377
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`Library of Congress Cataloging-in-Puhlication Data
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`Silicon VLSl technology
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`11.
`cm.
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`ISBN t}--'I.3—085037—3
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`1.. Integrated cii‘c11its~—Vei'y large scale In legration—Desn go and
`“instruction.
`2. Silicon.
`3. Silicon oxide films.
`4. Metal oxide
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`semiconductors
`5. Silicon technology.
`200i}
`TK7874.75.SS4
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`621.39'5—dc21
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`99-42745
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`Cl?
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`Publisher: Tom Robbins
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`Associate Editor: Alice Dworkin
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`Editorial/Preduction .‘i'ttpcrvt'rt‘wt: Rose Kernon
`Vice President. and Editorial Director, I‘ECS: Marcia Horton
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`Editorial Assistant: Jesse Power
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`Pram-ice
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`Hall
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`©2000 by Prentice Hall. Inc.
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`Upper Saddle River, New Jersey l'l't'458
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`All. rights reserved. No part of this book may be
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`development.researc11. and testing of the theories and programs to determine their effectiveness. The author and
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`Printed in the Unith States of America
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`ISBN U-lE-DSED3?-3
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`Prentice Hall International (UK) Limited, London
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`Prentice Hall of Australia Pty. Limited. Sydney
`Prentice Hall Canada Inc. “formats
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`Editora Prenticet Hall do Brasil, l.tda., Rio de Innciro
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`Contents
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`Preface .
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`Chapter 1
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`Introductirin and Historical Perspective
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`Introduction .
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`1.2
`Integrated Circuits and the Planar Process—Key Inventions That Made
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`It All Possible .
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`._ .
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`Semiconductors .
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`Semiconductor Devices .
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`PN Diodes .
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`Bipolar Junction Transistors .
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`1.5
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`Semiconductor Technology Families .
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`1.6 Modern Scientific Discovery—Experiments, Theory, and
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`Computer Simulation .
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`The Plan For This Book .
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`Summary of Key Ideas .
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`Problems .
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`1.4
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`1.7
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`1.8
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`1.9
`1.10
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`Chapter 2 Modern CMOS Technology
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`Introduction .
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`2.2
`CMOS Process Flow .
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`The Beginning-Choosing a Substrate .
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`Active Region Formation .
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`Process Option for Device Isolation—Shallow Trench Isolation .
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`2.2.4
`N and PWell Formation.
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`Process Options for Active Region and Well Formation .
`2.2.5
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`2.2.6
`Gate Formation.
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`Tip or Extension (LDD) Formation.
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`2.2.8
`Source/Drain Formation .
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`Contact and Local Interconnect Formation .
`2.2.9
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`2.2.10 Multilevel Metal Formation .
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`Summary of Key Ideas .
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`Chapter 3
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`Crystal Growth, Wafer Fabrication and Basic Properties
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`of Silicon Wafers
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`Introduction .
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`Historical Development and Basic Concepts .
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`Crystal Structure .
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`3.2.2
`Defects in Crystals .
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`3.2.3
`Raw Materials and Purification .
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`3.2.4
`Czochralski and Float-Zone Crystal Growth Methods .
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`3.2.5 Wafer Preparation and Specification .
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`Physical Measurements .
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`Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) .
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`Electron Microscopy .
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`3.5 Models and Simulation .
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`Czochralski Crystal Growth .
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`3.5.2
`Dopant Incorporation during CZ Crystal Growth .
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`Zone Refining and F2 Growth .
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`Oxygen in Silicon .
`3.5.5
`.' .
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`3.5.6
`Carbon in Silicon .
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`Simulation .
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`3.5.?
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`Limits and Future Trends in Technologies and Models .
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`Summary of Key Ideas .
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`Problems .
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`Chapter 4
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`Semiconductor Manufacturing—Clean Rooms, Wafer Cleaning,
`
`
`and Gettering
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`4.1
`Introduction .
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`
`
`
`
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`4.2
`Historical Development and Basic Concepts .
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`
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`
`Level 1 Contamination Reduction: Clean Factories .
`4.2.1
`
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`
`
`
`
`4.2.2
`Level 2 Contamination Reduction: Wafer Cleaning.
`
`
`
`
`
`Level 3 Contamination Reduction: Gettering.
`.
`4.2.3
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`4.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`
`Level '1 Contamination Reduction: Clean Factories.
`4.3.1
`
`
`
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`
`4.3.2
`Level 2 Contamination Reduction: Wafer Cleaning.
`
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`4.3.3
`Level 3 Contamination Reduction: Geltering .
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`4.4 Measurement Methods .
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`Level 1 Contamination Reduction: Clean Factories .
`4.4.1
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`
`Level 2 Contamination Reduction: Wafer Cleaning.
`4.4.2
`
`
`
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`
`
`Level 3 Contamination Reduction: Gettering.
`.
`4.4.3
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`Models and Simulation .
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`Level 1 Contamination Reduction: Clean Factories .
`4.5.1
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`4.5.2
`Level 2 Contaminatiom Reduction:Wafer Cleaning.
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`Level 3 Contamination Reduction: Gettering.
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`4.5.3
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`4.5.3.1
`Step 1: Making the Metal Atoms Mobile .
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`4.5.3.2
`Step 2: Metal Diffusion to the Gettering Site .
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`4.5.3.3
`Step 3:Trapping the Metal Atoms at the Gettering Site .
`
`
`
`
`
`
`
`
`Limits and Future Trends in 'l‘echnologics and Models .
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`Seminary of Key Ideas . .
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`References .
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`Problems .
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`4.5
`
`
`
`
`4.6
`
`4.7
`
`4.7
`
`
`4.9
`
`
`Chapter 5
`
`
`Lithography
`
`.
`
`.
`
`.
`
`5.1
`
`
`
`5.2
`
`5.2.3
`
`
`
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`
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`
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`201
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`. . .
`Introduction .
`. 201
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`Historical Development and Basic Concepts .
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`. 203
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`Light Sources .
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`5.2.1
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`5.2.2 Wafer Exposure Systems .
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`5.2.2.1
`Optics Basics—Ray Tracing and Diffraction .
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`5.2.2.2
`Projection Systems (Fraunhofer Diffraction) .
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`. 212
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`
`Contact and Proximity Systems (Fresnel Diffraction) .
`5.2.2.3
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`Photoresists .
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`5.2.3.1
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`g-line and Him Resists .
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`5.2.3.2 Deep Ultraviolet (DUV) Resists .
`. 225
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`5.2.3.3
`Basic Properties and Characterization of Resists .
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`. 227
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`
`5.2.4 Mask Engineering—Optical Proximity Correction and Phase Shifting. .
`. 230
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`5.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`5.3.1 Wafer Exposure Systems .
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`5.3.2
`Photorcsists .
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`5.4 Measurement Methods .
`. .241
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`
`5.4.1 Measurement of Mask Features and Defects .
`. 242
`
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`5.4.2 Measurement of Resist Patterns .
`.
`. 244
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`
`5.4.3 Measurement of Etched Features .
`. .244
`
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`5.5 Models and Simulation .
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`. .246
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`5.5.1 Wafer Exposure Systems .
`. 247
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`5.5.2
`Optical Intensity Pattern in the Photoresist .
`. 253
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`Photoresist Exposure .
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`. .259
`5.5.3
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`g-line and i-line DNQ Resists.
`. .259
`5.5.3.1
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`5.5.3.2 DUV Resists .
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`Postexposure Bake (PBB) .
`. 264
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`
`5.5.4.1
`g-iine and Him: DNQ Resists. .
`. . 264
`
`
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`
`5.5.4.2 DUV Resists .
`.
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`. 266
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`
`Pliotoresist Developing .
`. . . .267
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`
`Photoresist Postbake .
`. .
`. 270
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`n Contents
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`5.6
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`.
`Advanced Mask Engineering .
`5.5.7
`
`
`
`
`
`
`
`
`Li mils and Future Trends in Technologies and Models .
`
`
`
`
`Electron Beam Lithography .
`.
`.
`5.6.1
`.
`.
`.
`.
`,
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`5.6.2
`X—ray Lithography .
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`
`
`Advanced Mask Engineering .
`5.6.3
`.
`.
`.
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`.
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`
`
`
`5.6.4
`New Resists .
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`
`
`
`
`Summary of Key Ideas .
`
`References .
`.
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`.
`.
`.
`.
`.
`.
`.
`.
`
`Problems .
`
`.
`
`.
`
`.
`
`.
`
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`
`
`5.7
`
`5.8
`
`5.9
`
`.
`
`.
`
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`
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`
`
`. 271
`
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`. 272
`
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`
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`. 275
`
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`
`
`. 278
`
`
`. 281
`
`
`. 281
`
`
`. 283
`
`
`Chapter 6
`
`
`
`
`
`
`Thermal Oxidation and the SilSiOz Interface
`
`
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`Introduction .
`
`
`
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`
`
`Historical Development and Basic Concepts .
`6.2
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`
`6.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`6.4 Measurement Methods .
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`Physical Measurements .
`6.4.1
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`6.4.2
`Optical Measurements .
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`6.4.3
`Electrical Measurements—The MOS Capacitor .
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`Models and Simulation .
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`First~0rder Planar Growth Kinetic —The Linear Parabolic Model .
`6.5.1
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`6.5.2
`Other Models for Planar Oxidation Kinetics .
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`6.5.3
`Thin Oxide Si02 Growth Kinetics .
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`Dependence of Growth Kinetics on Pressure .
`6.5.4
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`Dependence of Growth Kinetics on Crystal Orientation .
`6.5.5
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`6.5.6 Mixed Ambient Growth Kinetics .
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`6.5.7
`2D 8102 Growth Kinetics .
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`Advanced Point Defect Based Models for Oxidation .
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`Substrate Doping Effects .
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`6.5.9
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`6.5.10
`Polysilicon Oxidation .
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`6.5.1 1 Siqu Growth and Oxidation Kinetics .
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`6.5.12
`Silicide Oxidation .
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`SifSiOg Interface Charges .
`6.5.13
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`6.5.14 Complete Oxidation Module Simulation .
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`Limits and Future Trends in Technologies and Models .
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`Summary of Key Ideas .
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`References .
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`Problems .
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`6.6
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`6.7
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`6.8
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`6.9
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`Chapter 7
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`Dopant Diffusion
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`7.1
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`7.2
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`Introduction .
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`Historical Development and Basic Concepts .
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`Depant Solid Solubility .
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`7.2.1
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`.
`7.2.2
`Diffusion from a Macroscopic Viewpoint .
`
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`
`
`
`7.2.3
`Analytic Solutions of the Diffusion Equation.
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`
`7.2.4
`Gaussian Solution in an Infinite Medium .
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