1、国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良1第一章 集成电路制造工艺流程 集成电路（Integrated Circuit） 制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良21.无生产线集成电路设计技术随着集成电路发展的过程，其发展的总趋势是革新工艺、提高集成度和速度。设计工作由有生产线集成电路设计到无生产线集成电路设计的发展过程。无生产线（Fabless）集成电路设计公司。如美国有200多家、台湾有100多家这样的设计公司。 引言国际微电子中心国际微电子中心集成
2、电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良32. 代客户加工（代工）方式芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代工）方式。代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特征。 引言国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良43. PDK文件首先，代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK（Pocess Design Kits)通过因特网传送给设计单位。nPDK文件包括：工艺电路模拟用的器件的SPICE（Simulation Program with IC
3、 Emphasis）参数，版图设计用的层次定义，设计规则，晶体管、电阻、电容等元件和通孔（VIA）、焊盘等基本结构的版图，与设计工具关联的设计规则检查（DRC）、参数提取（EXT）和版图电路对照（LVS）用的文件。 引言国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良54. 电路设计和电路仿真设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路与系统知识的基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、电路仿真（或称模拟）和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和版图电路图对照LVS，最终生成通常称之为GDS-格式的版图文件。再通过
4、因特网传送到代工单位。 引言国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良65. 掩模与流片代工单位根据设计单位提供的GDS-格式的版图数据，首先制作掩模（Mask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片”。 引言国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良7 代工（Foundry）厂家很多，如：n
5、无锡上华（0.6/0.5 mCOS和4 mBiCMOS工艺)n上海先进半导体公司(1 mCOS工艺)n首钢NEC(1.2/0.18 mCOS工艺)n上海华虹NEC(0.35 mCOS工艺)n上海中芯国际(8英寸晶圆0.25/0.18 mCOS工艺) 引言6. 代工工艺国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良8 代工（Foundry）厂家很多，如：n宏力 8英寸晶圆0.25/0.18 mCMOS工艺n华虹 NEC 8英寸晶圆0.25mCMOS工艺n台积电(TSMC) 在松江筹建 8英寸晶圆0.18 mCMOS工艺n联华(UMC) 在苏州筹建 8英寸晶圆
6、0.18 mCMOS工艺等等。 引言6. 代工工艺国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良97.境外代工厂家一览表国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良10nF&F(Fabless and Foundry)模式n工业发达国家通过组织无生产线IC设计的芯片计划来促进集成电路设计的专业发展、人才培养、技术研究和中小企业产品开发，而取得成效。n这种芯片工程通常由大学或研究所作为龙头单位负责人员培训、技术指导、版图汇总、组织芯片的工艺实现，性能测试和封装。大学教师、研究生、研究机构、中小企业作为工程受益群体，自愿
7、参加，并付一定费用。 引言8. 芯片工程与多项目晶圆计划国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良118. 芯片工程与多项目晶圆计划Relation of F&F(无生产线与代工的关系)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良12n多项目晶圆MPW（multi-project wafer)技术服务是一种国际科研和大学计划的流行方式。nMPW技术把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片（Macro-Chip）上然后以步进的方式排列到一到多个晶圆上，制版和硅片加工费用由几十种芯片分担，极大地降低芯片研制成本，
8、在一个晶圆上可以通过变换版图数据交替布置多种宏芯片。 引言8. 芯片工程与多项目晶圆计划国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良13代工单位与其他单位关系图国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良14集成电路制造工艺分类1. 双极型工艺（bipolar）2. MOS工艺3. BiMOS工艺国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良151-1 双极集成电路典型的PN结隔离工艺国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良16 思考
9、题1.需要几块光刻掩膜版(mask)?2.每块掩膜版的作用是什么？3.器件之间是如何隔离的？4.器件的电极是如何引出的？5.埋层的作用？国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良17 双极集成电路的基本制造工艺，可以粗略的分为两类：一类为在元器件间要做隔离区。隔离的方法有多种，如PN结隔离，全介质隔离及PN结-介质混合隔离等。另一类为器件间的自然隔离。 典型PN结隔离工艺是实现集成电路制造的最原始工艺，迄今为止产生的各种双极型集成电路制造工艺都是在此工艺基础上改进而来的。 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩
10、 良1.1.1典型PN结隔离工艺流程埋层光埋层光刻刻衬底准衬底准备备氧氧化化埋层扩埋层扩散散生长外生长外延延隔离光隔离光刻刻基区光基区光刻刻基区扩散、再基区扩散、再分布（氧化）分布（氧化）隔离扩散、隔离扩散、推进推进(氧化氧化)发射区发射区光刻光刻发射区扩发射区扩散、氧化散、氧化引线孔引线孔光刻光刻淀积淀积金属金属光刻压光刻压焊点焊点氧氧化化合金化及合金化及后工序后工序反刻反刻金属金属淀积钝淀积钝化层化层国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良191.1.1 工艺流程P-Sub衬底准备（P型）光刻n+埋层区氧化n+埋层区注入 清洁表面国际微电子中心国
11、际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良20P-Sub1.1.1 工艺流程（续1）生长n-外延 隔离氧化 光刻p+隔离区p+隔离注入p+隔离推进N+N+N-N-国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良211.1.1 工艺流程（续2）光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散 氧化国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良221.1.1 工艺流程（续3）光刻磷扩散区磷扩散氧化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设
12、计原理2022-6-1 韩 良231.1.1 工艺流程（续4）光刻引线孔清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良241.1.1 工艺流程（续5）蒸镀金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良251.1.1 工艺流程（续6）钝化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP光刻钝化窗口后工序国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良261.1.2 光刻掩膜版汇总埋层区隔离
13、墙硼扩区磷扩区 引线孔金属连线钝化窗口GND Vi Vo VDDTR国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良271.1.3 外延层电极的引出欧姆接触电极：金属与参杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良281.1.4 埋层的作用1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延
14、层电阻率较大且路径较长。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB2.减小寄生pnp晶体管的影响（第二章介绍）国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良291.1.5 隔离的实现1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将n型外延层分割成若干个“岛” 。2. P+隔离接电路最低电位，使“岛” 与“岛” 之间形成两个背靠背的反偏二极管。N+N+N-epiPN-epiPP-Sub(GND)P-Sub(GND)P-Sub(GND)BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N
15、+埋层埋层N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层钝化层国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良301.1.6 练习 1 描述PN结隔离双极工艺的流程及光刻掩膜版的作用； 2 说明埋层的作用。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良311.2 N阱硅栅CMOS集成电路制造工艺国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良32 思考题1.需要几块光刻掩膜版？各自的作用是什么？2.什么是局部氧化（LOCOS ) ？ （Local
16、 Oxidation of Silicon) 3.什么是硅栅自对准(Self Aligned )？4. N阱的作用是什么？5. NMOS和PMOS的源漏如何形成的？国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良33国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良34国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良1.2.1 N阱硅栅CMOS工艺主要流程 （ 参考P阱硅栅CMOS工艺流程）场区光场区光刻刻衬底准衬底准备备生长生长SiO2和和Si3N4N阱光刻、注入、阱光刻、注入、推进推进
17、生长生长SiO2和和Si3N4N管场区光刻、管场区光刻、注入注入阈值电压调整区光刻、阈值电压调整区光刻、注入注入清洁有源区表面、清洁有源区表面、长栅氧长栅氧场区氧化场区氧化(局部局部氧化氧化)多晶淀积、参杂、多晶淀积、参杂、光刻光刻N管管LDD光刻、光刻、注入注入P+有源区光刻、有源区光刻、注入注入P管管LDD光刻、光刻、注入注入N+有源区光刻、有源区光刻、注入注入BPSG淀淀积积接触孔光接触孔光刻刻N+接触孔光刻、接触孔光刻、注入注入淀积金属淀积金属1、反、反刻刻淀积绝缘介淀积绝缘介质质通孔孔光通孔孔光刻刻淀积金属淀积金属2、反刻反刻淀积钝化层、淀积钝化层、光刻光刻侧墙氧化物淀积、侧侧墙氧化
18、物淀积、侧墙腐蚀墙腐蚀国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良361.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程1.衬底准备P P+ +/P/P外延片外延片P型单晶片国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良37P-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程2. 氧化、光刻N-阱(nwell)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良38N阱P-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程3. N-阱注入，N-阱推进,退火，清洁表面国际微电子中心国际微电子中心集成电路
19、设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良39P-SubN阱1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程4.长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反版)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良40P-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程5.场区氧化（LOCOS）, 清洁表面 (场区氧化前可做N管场区注入和P管场区注入）国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良41P-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程6. 栅氧化,淀积多晶硅，反刻多晶 （polysiliconpoly)国际微电子中心
20、国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良42P-SubP-SubP-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程7. P+ active注入（Pplus）（ 硅栅自对准）国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良43P-SubP-SubP-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程8. N+ active注入（Nplus Pplus反版） （ 硅栅自对准）国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良44P-SubP-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程9. 淀积BPS
21、G，光刻接触孔(contact)，回流国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良45P-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程10. 蒸镀金属1，反刻金属1（metal1)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良46P-SubP-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程11. 绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良47P-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程12. 蒸镀金属2，反刻金属2（metal2
22、)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良48P-Sub1.2.2 N阱硅栅CMOS工艺主要流程13. 钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良491.2.3 N阱硅栅CMOS工艺 光刻掩膜版汇总简图N阱有源区多晶 Pplus Nplus接触孔金属1通孔金属2PAD国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良501.2.4 局部氧化的作用2. 减缓表面台阶3. 减小表面漏电流P-SubN-阱阱1. 提高场区阈值电压国际微电子中
23、心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良511.2.5 硅栅自对准的作用 在硅栅形成后，利用硅栅的遮蔽作用来形成MOS管的沟道区，使MOS管的沟道尺寸更精确，寄生电容更小。P-SubN-阱阱国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良521.2.6 MOS管衬底电极的引出 NMOS管和PMOS管的衬底电极都从上表面引出，由于P-Sub和N阱的参杂浓度都较低，为了避免整流接触，电极引出处必须有浓参杂区。P-SubN-阱阱国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良1.2.7 LDD注入
24、 在P+（N+）有源区注入前可以进行LDD注入，以便减小短沟道效应和热载流子效应。 用Pplus版光刻后进行PMOS管LDD注入， 用Nplus版光刻后进行NMOS管LDD注入， 都是以光刻胶膜作为注入遮蔽膜。 LDD注入之后，先制作侧墙，然后再进行P+（N+）有源区光刻、注入。 国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良1.2.8 接触孔掺杂 为了改善有源区接触孔特性，在光刻接触孔之后、回流之前， 用Nplus 版光刻，对接触孔进行N+注入 用Pplus 版光刻，对接触孔进行P+注入国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022
25、-6-1 韩 良1.2.9 其它MOS工艺简介双层多晶：易做多晶电容、多晶电阻、叠栅MOS器件，适合CMOS数/模混合电路、EEPROM等多层金属：便于布线，连线短，连线占面积小，适合大规模、高速CMOS电路P阱CMOS工艺双阱CMOS工艺E/D NMOS工艺国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良561.2.10 练习1.阐述N阱硅栅CMOS集成电路制造工艺的主要流程，说明流程中需要哪些光刻掩膜版及其作用。2. 何为硅栅自对准？国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良571.3其它集成电路制造工艺简介国际
26、微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良581.3.1 双层多晶、多层金属CMOS工艺双层多晶：易做多晶电容、多晶电阻、叠栅MOS器件，适合CMOS数/模混合电路、EEPROM等多层金属：便于布线，连线短，连线占面积小，适合大规模、高速CMOS电路国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良591.3.2 双极型模拟集成电路工艺磷穿透扩散：减小串联电阻离子注入：精确控制参杂浓度和结深BP-SubN+埋层埋层SiO2光刻胶光刻胶P+P+P+PPN+N+N+N+CECEBB国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集
27、成电路设计原理2022-6-1 韩 良601.3.3 Bi CMOS工艺 双极工艺器件的特点是速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；而CMOS工艺制造的器件功耗小、集成度高，但速度低、驱动能力差。 在既要求高集成度又要求高速的领域中可以采用二者的结合（即Bi CMOS工艺），发挥各自的优点。国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良61 双极型工艺与MOS工艺相结合，双极型器件与MOS型器件共存，适合数/模电路。1.以双极型工艺为基础的Bi-MOS工艺2.以CMOS工艺为基础的Bi-MOS工艺国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理2022-6-1 韩 良62 B E C NMOS PMOS N+ N+ N+ N+ P+ P+ P阱阱 P阱阱 N-SUB纵向纵向NPN以以P阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的Bi-CMOS器件剖面器件剖面 B E C PMOS NMOS P-SUB纵向纵向NPN P N阱阱 N+ N+ P+ P+ N+ N+N阱阱 以以N阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的Bi-CMOS器件剖面器件剖面NPN的集电极接衬底国际微电子中心国际微电子中心集成电路设计原理集成电路设计原理/10/2963.
