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1、第三章 集成电路工艺基础 第一节 引言集成电路的制造需要非常复杂的技术，它主要由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计者可以不去深入研究，但是作为从事系统设计的工程师，有必要了解芯片设计中的工艺基础知识，才能根据工艺技术的特点优化电路设计方案。对于电路和系统设计者来说，更多关注的是工艺制造的能力，而不是工艺的具体实施过程。由于SOC的出现，给IC设计者提出了更高的要求，也面临着新的挑战：设计者不仅要懂系统、电路，也要懂工艺、制造。,2022/12/29,1,第三章 集成电路工艺基础2022/10/21,第二节 半导体材料：硅1、电阻率： 从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下： 金属： 1
2、0E4 cm2导电能力随温度上升而迅速增加 一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不明显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非常明显。举个例子： Cu：30C 100C 增加不到一半（正温度系数） Si：30C 20C 增加一倍 （负温度系数）,2022/12/29,2,第二节 半导体材料：硅2022/10/22,3半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化 一般材料纯度在99.9已认为很高了，有0.1的杂质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下：21400cm如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999。则其电阻率变为：0.2cm。因此，可利用这一性
3、质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力。4半导体的导电能力随光照而发生显著变化5半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用而发生变化,2022/12/29,3,3半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化2022/,6、P型和N型半导体两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流子的浓度在室温下：T300K当硅中掺入族元素P时，硅中多数载流子为电子，这种半导体称为N型半导体。,2022/12/29,4,6、P型和N型半导体2022/10/24,当硅中掺入族元素B时，硅中多数载流子为空穴，这种半导体称为P型半导体。第三节 集成电路制造工艺简介一、氧化工艺一个M
4、OS集成电路电路中，主要元件是；PMOS,NMOS,R,C,L及连线。MOS是Metal Oxide Semiconductor Silicon的缩写。MOS管有三种主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。,2022/12/29,5,当硅中掺入族元素B时，硅中多数载流子为空穴，这种半导体称为,氧化炉,2022/12/29,6,氧化炉2022/10/26,改进的氧化炉,2022/12/29,7,改进的氧化炉2022/10/27,二、掺杂工艺 在衬底材料上掺入五价磷或三价硼，以改变半导体材料的电性能。掺杂过程是由硅的表面向体内作用的。目前，有两种掺杂方式：扩散和离子注入。,2022/12/29,8,二、
5、掺杂工艺2022/10/28,1. 扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的杂质如P或B的源放入炉管内。扩散分为两步：STEP1 预淀积：将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅片表面。STEP2 推进：在高温、高压下，使硅片表面的杂质扩散到硅片内部。实验分析表明：P的浓度分布可由下式表示：其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度 D：P的扩散系数 t ：扩散时间 x：扩散深度只要控制NT 、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度。,2022/12/29,9,1. 扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的杂质如P或,2离子注入,2022/12/29,10,2离子注入2022/10/
6、210,其中：离子注入的分布有以下两个特点：1离子注入的分布曲线形状（Rp，p），只与离子的初始能量E0有关。并杂质浓度最大的地方不是在硅的表面，X0处，而是在XRp处。,Rp：平均浓度p：穿透深度的标准差Nmax=0.4NT/ pNT：单位面积注入的离子数，即离子注入剂量,2022/12/29,11,其中：Rp：平均浓度2022/10/211,2离子注入最大值Nmax与注入剂量NT有关。 而E0与NT都是可以控制的参数。因此，离子注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及深度。三淀积工艺 淀积工艺主要用于在硅片表面上淀积一层材料，如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃PSG等。1、金属化工艺 淀积铝也称为金
7、属化工艺，它是在真空设备中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜。,2022/12/29,12,2离子注入最大值Nmax与注入剂量NT有关。2022/10,2022/12/29,13,2022/10/213,2、淀积多晶硅淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（LPCVD）的方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。 淀积PGS与淀积多晶硅相似，只是用不同的化学反应过程，这里不一一介绍了。,采用 在700C的高温下，使其分解：,2022/12/29,14,2、淀积多晶硅 2022/10/214,四、钝化工艺在集成电路制
8、作好以后，为了防制外部杂质，如潮气、腐蚀性气体、灰尘侵入硅片，通常在硅片表面加上一层保护膜，称为钝化。 目前，广泛采用的是氮化硅做保护膜，其加工过程是在450C以下的低温中，利用高频放电，使 和 气体分解，从而形成氮化硅而落在硅片上。,2022/12/29,15,四、钝化工艺2022/10/215,五、光刻工艺光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。掩膜版和光刻胶： 掩膜版：亮版和暗版 光刻胶：正胶和负胶,2022/12/29,16,五、光刻工艺2022/10/216,2022/12/29,17,2022/10/217,光刻过程如下：1涂光刻胶2掩膜对准3曝光4显影5刻蚀：采用干法刻蚀（Er
9、y Eatching）6去胶：化学方法及干法去胶 (1)丙酮中，然后用无水乙醇 (2)发烟硝酸 (3)等离子体的干法刻蚀技术,2022/12/29,18,光刻过程如下：2022/10/218,光刻工艺的发展：70年代的光刻只能加工35m线宽，4 5 wafer。那时的光刻机采用接触式的。如：canon，采用紫外线光源，分辨率较低。80年代发明了1：1投影式光刻机，可加工12m线宽，56wafer。代表产品有美国的Ultrotec。 存在问题是：（1）Mask难做，要求平坦，不能有缺陷。（2）Wafer与Mask之间有间隙，使一些尘埃颗 粒加入，造成影响。另外，有光折射产生。,2022/12/2
10、9,19,光刻工艺的发展：2022/10/219,2022/12/29,20,2022/10/220,80年代后期出现了Wafer Stepper，10:1或5:1，使芯片加工进入了0.8m的时代。代表产品有：美国的GCA，日本的Canon，Nikon及荷兰的ASM。 另外，美国的KLA更加先进，它带有Mask检查及修正系统。它将Mask上的图形缩小5倍后投影到硅片上，因此，使缺陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，但是用的是g-line，波长在436nm，可加工：0.81.0m（大生产），0.50.8m（科研）芯片。,2022/12/29,21,80年代后期出现了Wafer Stepper，1
11、0:1或5:,90年代对Stepper的改进大致两个方面，一是在光源上：（1）用I-line的紫外线，波长在365nm，可加工0.50.6m的芯片。（2）若用准分子激光光源KrF下，波长大约248nm，可加工： 0.250.5m （大生产），0.070.1m（科研）的芯片。（3）还有用电子束（EBeam）光源的，主要用于做Mask。二是在制作Mask上下功夫，并带有Mask的修正功能，可通过检测Mask上的缺陷，调整曝光过程。,2022/12/29,22,90年代对Stepper的改进大致两个方面，2022/10/,第四节 CMOS集成电路加工过程简介一、硅片制备二、前部工序,2022/12/
12、29,23,第四节 CMOS集成电路加工过程简介2022/10/22,掩膜1： P阱光刻具体步骤如下：1生长二氧化硅：,2022/12/29,24,掩膜1： P阱光刻2022/10/224,2P阱光刻： 涂胶、掩膜对准、曝光、显影、刻蚀3去胶4掺杂：掺入B元素,2022/12/29,25,2P阱光刻：2022/10/225,掩膜2 ： 光刻有源区淀积氮化硅光刻有源区场区氧化去除有源区氮化硅及二氧化硅生长栅氧淀积多晶硅,2022/12/29,26,掩膜2 ： 光刻有源区2022/10/226,2022/12/29,27,2022/10/227,掩膜3 ：光刻多晶硅掩膜4 ：P+区光刻 1、P+区
13、光刻 2、离子注入B+，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。 3、去胶,2022/12/29,28,掩膜3 ：光刻多晶硅2022/10/228,掩膜5 ： N+区光刻 1、N+区光刻 2、离子注入P+ 3、去胶,2022/12/29,29,2022/10/229,掩膜6 ：光刻接触孔,2022/12/29,30,2022/10/230,掩膜7 ：光刻铝引线1、淀积铝 2、光刻铝,2022/12/29,31,掩膜7 ：光刻铝引线2022/10/231,掩膜8 ：刻钝化孔中测打点,2022/12/29,32,掩膜8 ：刻钝化孔2022/10/232,三、后部封装 （在另外厂房）（1）背面减薄（2）切片（3）粘片（4）压焊：金丝球焊（5）切筋（6）整形（7）所封（8）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化（10）成测（11）打印、包装,2022/12/29,33,三、后部封装 （在另外厂房）2022/10/233,2022/12/29,34,2022/10/234,
