1、集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具 第三章 集成电路制造工艺 本章基本要求：本章基本要求： ?了解集成电路基本加工工艺 ?了解CMOS工艺流程的主要步骤 ?掌握MOS工艺的自对准原理 ?了解器件模拟及工艺模拟的意义及原理 内容提要内容提要 ?3.1 引言 ?3.2 集成电路基本加工工艺 ?3.3 CMOS集成电路的基本制造工艺 ?3.4 集成电路工艺及器件CAD ?3.5 本章小结 3.1 引言引言 ?集成电路基本加工工艺包括衬底外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、绝缘层和金属层形成等。而集成电路的特定工艺包括硅基的双极型工艺、CMOS、BiCMOS，锗硅HBT工艺和BiCMOS工艺，S
2、OI材料的CMOS工艺，GaAs基/InP基的MESFET工艺、HEMT工艺和HBT工艺等。 ?尽管特定工艺种类繁多，若以晶体管类型来区分，目前常用的大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS、BiCMOS四大类型。 ?目前应用最广泛的特定工艺是CMOS工艺。 ?在CMOS工艺中，又可细分为DRAM工艺、逻辑工艺、模拟数字混合集成工艺，RFIC工艺等。 ?本章将介绍主流的CMOS工艺的基本加工过程。 3.2 集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺 ?制造一个集成电路需要经过几十甚至几百道工艺过程。这样复杂的工艺过程其实是由数种基本的集成电路加工工艺组成的。集成电路的基本加工
3、工艺包括 外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、金属层的形成、绝缘层的形成 等。任何复杂的集成电路制造都可以分解为这些基本加工工艺。下面分别介绍几种主要的集成电路基本加工工艺。 3.2.1 外延生长外延生长 ?“ 外延”是指在单晶硅衬底上生长一层新单晶的技术。同质外延 vs. 异质外延 ?外延层具有很多优良性能。 ?不同的外延工艺可制备不同的材料系统。目前常见的外延技术为化学汽相沉积 （CVD：Chemical Vapor Deposition）、金属有机物汽相沉积（ MOCVD：Metal Organic CVD ）和分子束外延生长（MBE：Molecular Beam Epitaxy）。 3.2
4、.2 掩膜的制版工艺掩膜的制版工艺 ?在集成电路开始制造之前，需要预先设定好每个工艺的制造过程和先后顺序。 ?每个工艺中都需要掩膜来覆盖暂时不需要加工的位置，需要加工的位置则需要按照一定的图形来加工。 ?版图设计就是将集成电路的布局按照集成电路工艺过程分为多层掩膜版的过程。 ?将这些过程制作成掩膜版的过程就是 制版。 ?制版就是要产生一套分层的版图掩膜，为将来将设计的版图转移到晶圆上做准备，掩膜版主要用在光刻工艺过程中。 ?掩膜制造掩膜制造 ?掩膜版可分成：整版及单片版掩膜版可分成：整版及单片版 ?整版是指晶圆上所有的集成电路芯片的版图都是有该掩膜一次投影制作出来的。各个单元的集成电路可以不同
5、。 ?单片版 是指版图只对应晶圆上的一个单元。其他单元是该单元的重复投影。晶圆上各个芯片是相同的。 ?早期掩膜制造是通过画图照相微缩形成的。 ?光学掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层6080nm 厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为 铬版（Cr mask ），通常也称为光学（掩膜）版。 ?新的光刻技术的掩膜版与光刻技术有关。 3.2.3 光刻光刻 ?光刻是把掩模版上的图形映射到晶圆上，并在晶圆上形成器件结构。光刻的灵敏度和分辨率等对IC图形结构的形成，起着决定性的作用。 ?光刻线条所能达到的最小尺寸通常被称为特征尺寸，用来评价一条 IC生产线的技术水平。 ?曝光是在光刻胶上形
6、成预定图案。有光学光刻 和 非光学光刻 ?刻蚀是将图形转移到晶圆上。有湿法刻蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀等 ?光刻基本步骤： ?涂光刻胶 ?曝光?显影与后烘?刻蚀?去除光刻胶 脱水、增黏、涂胶、软烘 显影、坚膜、固胶等 刻蚀过程 3.2.4 掺杂掺杂 ?热扩散法掺杂 ?利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。 ?热扩散通常分两个步骤进行： ?预淀积（predeposition ，也称预扩散） ?推进（drive in ，也称主扩散）。 一种热扩散法掺杂的系统示意图 ?离子注入法掺杂 ?离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布。 中等电流离子
7、注入系统示意图中等电流离子注入系统示意图 3.2.5 绝缘层形成绝缘层形成 ?在集成电路工艺中，导体和绝缘体是互补而又相对的。 ?绝缘层的作用 ?电隔离 ?防止湿气侵扰、化学玷污和机械划伤的保护作用 ?制作如MOS晶体管等器件 ?两种常见的隔离手段 ?局部氧化隔离法隔离（LOCOS） ?浅沟槽隔离（STI） 氧化隔离示意图 浅沟道隔离示意图 3.2.6 金属层形成金属层形成 ?集成电路工艺中的金属层有三个主要功能 ?1）形成器件本身的接触线； ?2）形成器件间的互连线； ?3）形成焊盘。 ?金属层的形成主要采用 ?物理汽相沉积（ PVD：Pysical Vapor Deposition）技术。
8、PVD技术有蒸镀和溅镀两种。 ?金属CVD技术，正在逐渐发展过程中 3.4 CMOS集成电路的基本制造工艺集成电路的基本制造工艺 ?CMOS工艺技术是当代VLSI工艺的主流工艺技术，该工艺是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，特点是将NMOS器件和PMOS器件同时制作在同一衬底上。COMOS工艺一般可分为三类：P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺和双阱CMOS工艺。 3.4.1 P阱CMOS工艺 ?P阱CMOS工艺以N型单晶硅为衬底。首先在N型硅衬底上制作P阱，然后将NMOS晶体管制作在该P阱中，而PMOS管则直接做在N型硅衬底上。 3.4.2 N阱CMOS工艺 ?N阱CMOS工艺正好与P
9、阱CMOS工艺相反，它是在P型衬底上形成N阱。因为N沟道器件是在P型衬底上制成的，这种方法与标准的N沟道MOS晶体管的工艺是兼容的。在这种情况下，N阱中和了P型衬底，N阱中的P沟道MOS晶体管会受到过渡掺杂的影响。 3.4.3 双阱CMOS工艺 ?双阱CMOS工艺采用的原始材料是在N+或P+衬底上外延一层轻掺杂的外延层，然后用离子注入的方法同时制作N阱和P阱。使用双阱工艺不但可以提高器件密度，还可以有效的控制寄生晶体管的影响，抑制闩锁现象。 ?1衬底准备：衬底氧化后，在二氧化硅上生长氮化硅 ?2光刻P阱，形成阱版，在 P阱区腐蚀氮化硅， P阱注入 ?3去光刻胶，P阱扩散并生长二氧化硅 ?4腐蚀
10、氮化硅， N阱注入并扩散 ?5 有源区衬底氧化 ?6 NMOS管场注入光刻 ?7场区氧化，栅氧化，沟道掺杂（阈值电压调节注入） ?8多晶硅淀积、掺杂、光刻和腐蚀，形成栅区的多晶硅版 ?9 P阱中的NMOS管光刻和注入硼并扩散，形成 N+版 ?10 PMOS管光刻和注入磷并扩散，形成P+版 ?11硅片表面沉积二氧化硅薄膜 ?12 接触孔光刻，接触孔腐蚀 ?13 淀积铝，反刻铝，形成铝连线 ?最后做栅极金属引线后得到双阱 CMOS工艺的CMOS晶体管 3.4.4 MOS工艺的自对准结构工艺的自对准结构 ?自对准是一种在圆晶片上用单个掩膜形成不同区域的多层结构的技术，它消除了用多片掩膜所引起的对准误
11、差。 ?利用已经形成的结构特征作为掩膜版，来进行下一步工艺过程，这样既省略了制作掩膜版，同时也形成了天然的工艺对准，不存在对准误差。如CMOS工艺中的（9），（10）。 ?多晶硅柵制作中存在的“一箭三雕”。 3.7 集成电路工艺集成电路工艺CAD ?在没有计算机的时代，人们是通过手工绘图来设计器件和集成电路，然后制造出集成电路并通过测试分析该集成电路来改良前面的手工设计，然后再制造新的集成电路芯片。这样的过程复杂，难度大并且设计周期长。现在人们可以通过计算机辅助设计，即CAD技术，来实现这一设计改良过程，只需要最后通过制造集成电路来验证其可靠性和正确性即可。集成电路的CAD技术大大提高了器件和
12、集成电路的设计的水平和频率，使得集成电路设计水平迅速发展。 3.7.1器件模拟器件模拟 ?通过CAD技术对器件进行模拟，就是 在已知器件结构和掺杂分布的情况下，利用数值方法求解器件的基本方程，从而得到器件的直流、交流，瞬态、热载流子等电学特性 。 ?器件的CAD模拟通常用来研究器件的结构和工艺参数对器件性能的影响，从而进行器件性能的预测。 ?同时，器件的 CAD模拟可以通过模拟无法测量或难以测量的器件性能参数，如载流子浓度分布、电流密度分布、电场分布等，来进行器件的物理分析和结构分析。 ?器件模拟的基本原理： ?器件模拟器件模拟实际上就是利用数值求解方法，根据给定的边界条件来求解基本方程。器件
13、的基本方程包括： 泊松方程、电子和空穴连续性方程、热扩散方程、电子和空穴的漂移穴连续性方程、热扩散方程、电子和空穴的漂移 /扩散方程扩散方程（能量输运方程）（能量输运方程） 。通过对这些方程的数值求解，能够得到器件性能的基本参数，包括： 静电场、电子和空穴的浓度、电子和空穴温度、器件的晶格温度和空穴温度、器件的晶格温度 等。由于这些需要求解的方程大多数是微分方程和偏微分方程，在数值求解时必须将器件分成细小的方格，即网格化，利用连续性方程和边界条件得到非线性方程组，通过数值方法 (Newton 方法、Gummel 方法)数值求解。 ?能够模拟的结构： ?器件模拟可以用来模拟我们能够见到的绝大多数
14、器件，包括各种二极管、各种双极型晶体管、各种场效应器件、 MOS电容器、多层结构器件、光电器件、可编程器件等。器件模拟还可以模拟一些新型器件。可以说只要具有器件原型，就可以通过设计和优化比较来对器件进行合理的模拟分析。 ?能模拟的材料： ?由于形成不同器件所用的材料不同，器件模拟软件可以处理构成器件的几乎全部的导体，半导体和绝缘体，包括 Si、-Si、多晶硅、SiO2、InP、GaAs、AlGaAs 、GaAsP 、InGaP、InAsP 、AlInAs 、Ge、SiC、金刚石、ZnSe、ZnTe 、Al、Au、Cu、Mu、W、合金等等。 ?器件模拟器件模拟能够进行的电学分析和能够获得的电学特
15、性能够进行的电学分析和能够获得的电学特性：器件模拟软件可以进行：器件模拟软件可以进行器件的稳态和瞬态分析、直流和交流信号分析、热载流子分析、可编程器件的器件的稳态和瞬态分析、直流和交流信号分析、热载流子分析、可编程器件的FN电流分析、光电分析、深能级态和寿命分析、光电特性分析、晶格温度分析、电流分析、光电分析、深能级态和寿命分析、光电特性分析、晶格温度分析、自加热效应等现象等等。自加热效应等现象等等。 ?器件模拟能够得到的器件模拟能够得到的电学参数电学参数有：端特性，如：端电流密度与偏压的关系有：端特性，如：端电流密度与偏压的关系; 带回带回扫的端电流与偏压的关系扫的端电流与偏压的关系;器件截
16、止频率与偏压的关系器件截止频率与偏压的关系; S参数; 结电容与偏压的结电容与偏压的关系关系; MOS电容与偏压的关系电容与偏压的关系; 硅基MOS电容器Si/SiO2界面中及衬底中的各类界面中及衬底中的各类载流子（电子、空穴、净电荷）与偏压的关系; 器件栅电流与偏压的关系；光照的直流响应等等；器件内部特性，如：掺杂浓度以及载流子的内部分布、载流的直流响应等等；器件内部特性，如：掺杂浓度以及载流子的内部分布、载流子密度和电流密度的内部分布、电场电势分布、载流子寿命在器件内的分布、子密度和电流密度的内部分布、电场电势分布、载流子寿命在器件内的分布、深能级在器件内部的分布、迁移率和电导率在器件内部
17、的分布、载流子温度在深能级在器件内部的分布、迁移率和电导率在器件内部的分布、载流子温度在器件内的分布、能带图随器件深度的变化、载流子注入在内部的分布等等；电学参数，如：给定偏压的薄层电阻、器件的特征参数（学参数，如：给定偏压的薄层电阻、器件的特征参数（MOS的阈值电压、亚阈斜率等）、截面电阻、电极上净电荷、界面总电子或空穴密度、集总复合速率、斜率等）、截面电阻、电极上净电荷、界面总电子或空穴密度、集总复合速率、集总载流子浓度等等。集总载流子浓度等等。 ?器件模拟使用的模型则是通过对器件进行物理机制的分析提出的器件模拟使用的模型则是通过对器件进行物理机制的分析提出的，例如复合机制、产生机制、碰撞
18、离化机制、带 -带隧穿、迁移率模型、重掺杂引起的禁带变窄、速度过冲、热载流子注入机制、热离化机制等等，其中，复合机制包括 SRH复合、Auger 复合、直接复合、表面复合等 ; 迁移率模型则需要考虑低场迁移率、高迁移率模型则需要考虑低场迁移率、高场迁移率以及表面散射、非局域电场等因素的影响。在部分器件还需考虑杂质电离不完全、光电互连情况等。部分小尺寸器件使用Monto-Carlo 方法和量子力学修正求解，必要时需要考虑费米统计、Dirac 统计以及Boltzman 统计等等。 ?器件模拟需要输入 器件结构、材料成分、掺杂分布、偏置条件器件结构、材料成分、掺杂分布、偏置条件 等器件参数信息，选择
19、必要的数值方法对需要获得的特性进行求解和分析，并选择文本或图像的方式输出，以便查看和分析。 3.7.2 工艺模拟工艺模拟 ?所谓工艺模拟，就是在深入探讨各工艺过程物理机制的基础上，对各工艺过程建立数学模型，给出数学表达式，在某些已知工艺过程和参数的情况下，利用CAD技术对被设计的集成电路的每个工艺过程进行数值求解，计算出设计的集成电路在该工序后的杂质浓度分布、掺杂类型变化或者结构特性变化等。其中结构特性变化是指工艺过程引起的集成电路各层的厚度和宽度的变化等。 ?因此，通过工艺模拟，我们可以在不经过实际流片的情况下，得到集成电路中的杂质浓度分布、器件结构变化以及氧化、薄膜淀积以及其他热过程等引起
20、的应力变化，并可以得到与杂质浓度分布有关的电学参数如结深度、薄层电阻、MOS夹断电压等，还可以预测工艺参数偏移对工艺结果和集成电路特性的影响。 ?如果通过工艺模拟与器件模拟相结合，可以获得工艺参数和条件的变化对集成电路性能的影响。因此，工艺模拟可以用来优化工艺流程和工艺过程和条件，能够大大缩短高性能集成电路的开发周期，提高集成电路的成品率。目前较通用的工艺模拟软件主要有SILVACO、SUPREM等。 ?工艺模拟的主要功能工艺模拟的主要功能是根据集成电路的工艺过程和工艺条件，按照工艺制造过程从衬底选择开始，选择每道工艺的材料并按照相应的工艺模型逐步模拟集成电路的每个工艺过程，最后完成整个集成电
21、路的工艺过程。由于每个集成电路的工艺都是包括多个步骤的工艺，每一个后续工艺的模拟，都需要考虑前面工艺中的结构，材料，掺杂浓度分布等的。 ?工艺模拟软件能处理的工艺过程包括离子注入、预淀积、氧化、扩散、外延、低温淀积、光刻、腐蚀等几乎全部已知的工艺过程。这些工艺过程一般分为两类：一类是需要高温处理的过程，如氧化、扩散、外延、预淀积等，需要考虑杂质扩散和再分布，氧化和外延过程还要考虑氧化层和外延层厚度的增加以及界面的移动；另一类是不需要高温的处理过程，如离子注入、低温淀积、光刻、腐蚀等，除了离子注入会影响杂质分布外，其它非高温处理过程可以不考虑杂质再分布，但会引起器件结构的变化。 ?通常，器件能够模拟的材料，工艺模拟软件也能够模拟。 3.8 本章小结本章小结 ?本章的内容主要分为三个部分。 ?第一部分简单介绍了集成电路工艺中的重要的基本加工工艺，包括：外延生长，掩膜制版，光刻，掺杂，金属层的形成，绝缘层的形成等，为学习集成电路的特定工艺做准备。 ?第二部分则介绍了CMOS工艺集成电路的制造的特定工艺。 ?第三部分介绍了集成电路工艺CAD的基本概念和基本过程。
