`TECHNOLOGY
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`Fundamentals, Practice and Modeling
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`James D. Plummer ' Mic ael D. Deal - Peter B. Griffin
`TSMC 1309
`TSMC 1309
`Prentice Hall Electronics and VLSl Series-—Charles Sodini, Series Editor
`
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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
`
`Department of Electrical Engineering
`
`Stanford University
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`iifPrentice
`Hall
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`Prentice Hall
`Upper Saddle River, NJ 07458
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`Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
`Silicon VLSI technology
`p.
`cm.
`ISBN 0~13—085037-3
`1. Integrated circuits—Very large scale integration—“Design and
`construction.
`2. Silicon.
`3. Silicon oxide films.
`4. Metal oxide
`semiconductors.
`5. Silicon technology.
`TK7874.75.SS4
`2000
`621.39'5~dc21
`
`99—42745
`CIP
`
`a
`
`Publisher: Tom Robbins
`Associate Editor: Alice Dworkin
`
`Editorial/Production Supervision: Rose Kernan
`Vice President and Editorial Director, ECS: Marcia Horton
`Vice President of Production and Manufacturing: David W. Riccardi
`Executive Managing Editor: Vince O’Brien
`Marketing Manager: Danny Hoyt
`Managing Editor: David A. George
`Manufacturing B uyer: Pat Brown
`Manufacturing Manager: Trudy Pisciotti
`Art Director: Jayne Conte
`Cover Design: Bruce Kenselaar
`Editorial Assistant: Jesse Power
`
`Copy Editor: Martha Williams
`Composition: D&G Limited, LLC
`
`Prentlifeu
`A
`a
`
`©2000 by Prentice Hall, Inc.
`Upper Saddle River, New Jersey 07458
`
`All rights reserved. No part of this book may be
`reproduced, in any form or by any means,
`without permission in writing from the publisher.
`
`The author and publisher of this book have used their best efforts in preparing this book.These efforts include the
`development, research, and testing of the theories and programs to determine their effectiveness. The author and
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`contained in this book. The author and publisher shall not be liable in any event for incidental or consequential damages
`in connection with, or arising out oi, the furnishing, performance, or use of these programs.
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`Printed in the United States of America
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`ISBN 0-13'085837-3
`
`Prentice Hall International (UK) Limited, London
`Prentice Hall of Australia Pty. Limited, Sydney
`Prentice Hall Canada Inc, Toronto
`
`Prentice Hall Hispanoameiicana, S.A., Mexico
`Prentice Hall of India Private Limited, New Delhi
`
`Prentice Hall of Japan, Inc., Tokyo
`Pearson Education Pte., Ltd. , Singapore
`Editora Prentice? Hall do Brasil, Ltda., Rio de Janeiro
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`Preface .
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`. Xi
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`Chapter 1
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`Introduction and Historical Perspective
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`1.1
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`1.2
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`Introduction .
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`Integrated Circuits and the Planar Process—Key Inventions That Made
`It All Possible .
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`. 7
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`. 13
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`1.3
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`1.4
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`Semiconductors .
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`Semiconductor Devices .
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`. 33
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`. 33
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`1.4.1
`
`PN Diodes .
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`1.4.2 MOS Transistors .
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`1.7
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`Bipolar Junction Transistors .
`1.4.3
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`.
`Semiconductor Technology Families .
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`1.5
`1.6 Modern Scientific Discovery—Experiments, Theory, and
`Computer Simulation .
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`The Plan For This Book .
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`1.8
`1.9
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`Summary of Key Ideas .
`References .
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`. 46
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`. 47
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`1.10
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`Problems .
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`Chapter 2 Modern CMOS Technology
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`. 49
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`2.1
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`2.2
`
`Introduction .
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`CMOS Process Flow .
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`2.2.1
`The Beginning—Choosing a Substrate .
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`2.2.2
`Active Region Formation .
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`2.2.3
`Process Option for Device Isolation—Shallow Trench Isolation .
`2.2.4
`N and P Well Formation .
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`2.2.5
`2.2.6
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`2.2.7
`2.2.8
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`Process Options for Active Region and Well Formation .
`Gate Formation .
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`Tip or Extension (LDD) Formation .
`Source/Drain Formation .
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`. 63
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`. 76
`. 80
`
`. 82
`
`2.2.9
`
`Contact and Local Interconnect Formation .
`
`2.2.10 Multilevel Metal Formation .
`
`2.3
`2.4
`
`Summary of Key Ideas .
`Probems .
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`
`Contents
`
`
`
`Chapter 3
`
`Crystal Growth, Wafer Fabrication and Basic Properties
`of Silicon Wafers
`
`3.1
`3.2
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`Introduction .
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`Historical Development and Basic Concepts .
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`3.2.1
`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 .
`3.2.5 Wafer Preparation and Specification .
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`3.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`Electrical Measurements .
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`Sheet Resistance .
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`3.4.2
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`3.4.1.3 Hall Effect Measurements .
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`Physical Measurements .
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`3.4.2.1 Defect Etches .
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`3.4.2.2
`Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) .
`3.4.2.3
`Electron Microscopy .
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`3.5.1
`Czochralski Crystal Growth .
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`3.5.2
`Dopant Incorporation during CZ Crystal Growth .
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`3.5.3
`Zone Refining and F2 Growth .
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`3.5.4
`Point Defects .
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`3.5.5
`Oxygen in Silicon .
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`3.5.6
`Carbon in Silicon .
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`3.5.7
`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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`Chapter 4
`
`Semiconductor Manufacturing—Clean Rooms, Wafer Cleaning,
`and Gettering
`
`4.1
`4.2
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`Introduction .
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`.
`Historical Development and Basic Concepts .
`4.2.1
`Level 1 Contamination Reduction: Clean Factories .
`4.2.2
`Level 2 Contamination Reduction: Wafer Cleaning.
`4.2.3
`Level 3 Contamination Reduction: Gettering .
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`.
`4.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`.
`4.3.1
`Level 1 Contamination Reduction: Clean Factories .
`4.3.2
`Level 2 Contamination Reduction: Wafer Cleaning.
`4.3.3
`Level 3 Contamination Reduction: Gettering .
`.
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`.
`4.4 Measurement Methods .
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`4.4.1
`Level 1 Contamination Reduction: Clean Factories .
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`151
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`. 169
`. 169
`
`
`
`Contents
`
`
`
`
`Level 2 Contamination Reduction: Wafer Cleaning .
`4.4.2
`Level 3 Contamination Reduction: Gettering .
`.
`.
`.
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`.
`4.4.3
`4.5 Models and Simulation .
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`4.5.1
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`Level 1 Contamination Reduction: Clean Factories .
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`4.5.2
`4.5.3
`
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`.
`Level 2 Contamination Reduction: Wafer Cleaning .
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`Level 3 Contamination Reduction: Gettering .
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`4.5.3.1
`Step 1: Making the Metal Atoms Mobile .
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`.
`.
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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 Technologies and Models .
`.
`.
`.
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`Summary of Key Ideas .
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`References .
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`4.7
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`. 198
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`4.9
`
`Problems .
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`
`Chapter 5
`
`Lithography
`
`201
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`. 201
`
`Introduction .
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`
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`5.1
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`5.2
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`5.2.3
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`Historical Development and Basic Concepts .
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`5.2.1
`Light Sources .
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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) .
`5.2.2.3
`Contact and Proximity Systems (Fresnel Diffraction) .
`Photoresists .
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`g—line and i-line Resists .
`5.2.3.1
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`5.2.3.2 Deep Ultraviolet (DUV) Resists .
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`5.2.3.3
`Basic Properties and Characterization of Resists .
`5.2.4 Mask Engineering—Optical Proximity Correction and Phase Shifting. .
`5.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`5.3.1 Wafer Exposure Systems .
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`5.3.2
`Photoresists .
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`5.4 Measurement Methods .
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`5 .4.1 Measurement of Mask Features and Defects .
`
`5.4.2 Measurement of Resist Patterns .
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`5.4.3 Measurement of Etched Features .
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`5.5 Models and Simulation .
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`5.5.1 Wafer Exposure Systems .
`5.5.2
`Optical Intensity Pattern in the Photoresist .
`5.5.3
`Photoresist Exposure .
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`5.5.3.1
`g—line and i-line DNQ Resists .
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`5.5.3.2 DUV Resists .
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`. 264
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`Postexposure Bake (PEB) .
`5.5.4.1
`g—line and i—line DNQ Resists .
`5.5.4.2 DUV Resists .
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`5.5.5
`5.5.6
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`Photoresist Developing .
`Photoresist Postbake .
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`. .270
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`
`
`Contents
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`5.6
`
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`Advanced Mask Engineering .
`5.5.7
`Limits and Future Trends in Technologies and Models .
`5.6.1
`Electron Beam Lithography .
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`5.6.2
`X—ray Lithography .
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`5.6.3
`Advanced Mask Engineering .
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`5.6.4
`New Resists .
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`. 281
`
`5.7
`5.8
`
`Summary of Key Ideas .
`References .
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`5.9
`
`Problems .
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`Chapter 6
`
`Thermal Oxidation and the SiISi02 Interface
`
`287
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`. 287
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`6.1
`
`Introduction .
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`
`Historical Development and Basic Concepts .
`6.2
`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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`Optical Measurements .
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`6.4.2
`Electrical Measurements—film MOS Capacitor .
`6.4.3
`6.5 Models and Simulation .
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`6.5.1
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`6.5.2
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`First-Order Planar Growth Kinetic —The Linear Parabolic Model .
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`Other Models for Planar Oxidation Kinetics .
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`. 322
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`. 326
`
`6.5.3
`
`Thin Oxide 8102 Growth Kinetics .
`
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`Dependence of Growth Kinetics on Pressure .
`6.5.4
`Dependence of Growth Kinetics on Crystal Orientation .
`6.5.5
`6.5.6 Mixed Ambient Growth Kinetics .
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`6.5.7
`6.5.8
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`2D 8102 Growth Kinetics .
`Advanced Point Defect Based Models for Oxidation .
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`Substrate Doping Effects .
`6.5.9
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`6.5.10 Polysilicon Oxidation .
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`6.5.11
`Si3N4 Growth and Oxidation Kinetics .
`6.5.12
`Silicide Oxidation .
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`81/8103 Interface Charges .
`6.5.13
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`6.5.14 Complete Oxidation Module Simulation .
`Limits and Future Trends in Technologies and Models .
`Summary of Key Ideas .
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`References .
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`Problems .
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`6.6
`6.7
`6.8
`6.9
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`Chapter 7
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`Dopant Diffusion
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`371
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`7.1
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`7.2
`
`Introduction .
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`Historical Development and Basic Concepts .
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`7.2.1
`Dopant Solid Solubility .
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`7.2.2
`Diffusion from a Macroscopic Viewpoint .
`7.2.3
`Analytic Solutions of the Diffusion Equation .
`7.2.4
`Gaussian Solution in an Infinite Medium .
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`
`Contents
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`
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`7.2.5
`7.2.6
`
`7.2.7
`
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`Gaussian Solution Near a Surface .
`Error~Function Solution in an Infinite Medium .
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`Error—Function Solution Near a Surface .
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`. 392
`. 395
`
`Intrinsic Diffusion Coefficients of Dopants in Silicon .
`7.2.8
`Effect of Successive Diffusion Steps .
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`7.2.9
`7.2.10 Design and Evaluation of Diffused Layers .
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`7.2.11
`Summary of Basic Diffusion Concepts .
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`7.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`7.4 Measurement Methods .
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`7.4.1
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`SIMS .
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`. 397
`. 398
`
`7.4.2
`7.4.3
`
`7.4.4
`7.4.5
`
`7.4.6
`7.4.7
`
`Spreading Resistance .
`Sheet Resistance .
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`Capacitance Voltage .
`TEM Cross Section.
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`2D Electrical Measurements Using Scanning Probe Microscopy .
`Inverse Electrical Measurements .
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`
`7.5 Models and Simulation .
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`Numerical Solutions of the Diffusion Equation .
`7.5.1
`7.5.2 Modifications to Fick’s Laws to Account for Electric Field Effects .
`
`7.5.3 Modifications to Fick’s Laws to Account for
`
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`7.5.4
`7.5.5
`7.5.6
`7.5.7
`7.5.8
`
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`Concentration-Dependent Diffusion .
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`Segregation .
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`Interfacial Dopant Pileup .
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`Summary of the Macroscopic Diffusion Approach .
`The Physical Basis for Diffusion at an Atomic Scale .
`Oxidation—Enhanced or -Retarded Diffusion .
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`Dopant Diffusion Occurs by Both I and V .
`7.5.9
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`7.5.10 Activation Energy for Self—Diffusion and Dopant Diffusion .
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`7.5.11 Dopant—Defect Interactions .
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`7.5.12 Chemical Equilibrium Formulation for Dopant—Defect Interactions .
`7.5.13
`Simplified Expression for Modeling .
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`7.5.14 Charge State Effects .
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`Limits and Future Trends in Technologies and Models .
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`7.6.1
`Doping Methods .
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`7.6.2
`Advanced Dopant Profile Modeling—Fully Kinetic Description
`of Dopant—Defect Interactions .
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`Summary of Key Ideas .
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`. 440
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`. 445
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`7.9
`
`Problems .
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`Chapter 8
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`Ion Implantation
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`451
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`8.1
`
`Introduction .
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`8.2
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`Historical Development and Basic Concepts .
`8.2.1
`Implants in Real Silicon—The Role of the Crystal Structure .
`8.3 Manufacturing Methods and Equipment .
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`Contents
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`High-Energy Implants .
`8.3.1
`Ultralow Energy Implants .
`8.3.2
`Ion Beam Heating .
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`8.3.3
`8.4 Measurement Methods .
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`8.5 Models and Simulations .
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`8.5.1
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`Nuclear Stopping .
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`8.5.2
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`Nonlocal Electronic Stopping .
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`8.5.3
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`Local Electronic Stopping .
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`8.5.4
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`Total Stopping Powers .
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`8.5.5
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`Damage Production .
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`8.5.6
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`Damage Annealing .
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`8.5.7
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`Solid-Phase Epitaxy .
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`8.5.8
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`Dopant Activation .
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`8.5.9
`_ Transient—Enhanced Diffusion .
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`8.5.10 Atomic—Level Understanding of TED .
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`85.11 Effects on Devices .
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`Limits and Future Trends in Technologies and Models .
`Summary of Key Ideas .
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`References .
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`Problems .
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`8.6
`8.7
`8.8
`8.9
`
`Chapter 9
`
`Thin Film Deposition
`
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`. 473
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`. 500
`. 502
`
`509
`
`9.1
`9.2
`
`9.2.2
`
`. 509
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`Introduction .
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`Historical Development and Basic Concepts .
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`9.2.1
`Chemical Vapor Deposition (CVD) .
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`9.2.1.1 Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition (APCVD). 513
`9.2.1.2
`Low-Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) .
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`. 525
`9.2.1.3
`Plasma—Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) .
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`9.2.1.4
`High—Density Plasma Chemical Vapor Deposition
`(HDPCVD) .
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`Physical Vapor Deposition (PVD) .
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`9.2.2.1
`Evaporation .
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`9.2.2.2
`Sputter Deposition .
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`9.3 Manufacturing Methods .
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`9.3.1
`Epitaxial Silicon Deposition .
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`9.3.2
`Polycrystalline Silicon Deposition .
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`9.3.3
`Silicon Nitride Deposition .
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`9.3.4
`Silicon Dioxide Deposition .
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`9.3.5
`Al Deposition .
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`9.3.6
`Ti and Ti-W Deposition .
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`9.3.7 W Deposition .
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`9.3.8
`TiSiz and WSlz Deposition .
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`9.3.9
`TiN Deposition .
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`9.3.10 Cu Deposition .
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`9.4 Measurement Methods .
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`. 565
`. 566
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`. 570
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`
`
`
`Contents
`
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`9.5 Models and Simulation .
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`9