1、第一章第一章 集成电路工艺基础及版图设计集成电路工艺基础及版图设计 n1.1 引言引言 n1.2 集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介 n1.3 版图设计技术版图设计技术 n1.4 电参数设计规则电参数设计规则 n 集成电路的制造需要非常复杂的技术，它主要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。由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计者可设计者可以不去深入研究，但是有必要了解芯片设计中的工艺以不去深入研究，但是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
2、，更多关注的是工艺案。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。制造的能力，而不是工艺的具体实施过程。n 由于由于SOC的出现，给的出现，给IC设计者提出了更高的要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，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。也要懂工艺、制造。n集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 系统需求系统需求集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证集成电路芯片设
3、计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计业设计业制造业制造业芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层蒸发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次AA集成电路芯片的显微照片1、电阻率：、电阻率：从电阻率上分，固体分为三大类。在从电阻率上分，固体分为三大类。在室温室温下：下：金属：金属：
4、10E9 cm 制造集成电路所用的材料主要包括硅（制造集成电路所用的材料主要包括硅（Si）、）、锗（锗（Ge）等半导体，等半导体，以及砷化镓（以及砷化镓（GaAs）、铝）、铝镓砷（镓砷（AlGaAs）、）、铟镓砷（铟镓砷（InGaAs）等半导体的化合物，）等半导体的化合物，其中以硅最为常其中以硅最为常用。用。1.1 引引 言言 1.IC制造基本原理 2导电能力随温度上升而迅速增加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。显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非
5、常明显。金属是由金属原子组成的晶格和自由电子组成的，实际参与导电的是自由金属是由金属原子组成的晶格和自由电子组成的，实际参与导电的是自由电子。晶格是一直振动的，和分子的热运动相关。金属之所以有电阻是由于晶电子。晶格是一直振动的，和分子的热运动相关。金属之所以有电阻是由于晶格对自由电子的定向移动的阻碍。而且由于温度越高，晶格震动越强烈，所以格对自由电子的定向移动的阻碍。而且由于温度越高，晶格震动越强烈，所以它的阻碍效应就越明显，这是金属电阻随温度升高而变大的原因。它的阻碍效应就越明显，这是金属电阻随温度升高而变大的原因。对于半导体，它不像金属那样有很多自由电子，它的电子基本都被束缚在对于半导体，
6、它不像金属那样有很多自由电子，它的电子基本都被束缚在原子核上。所以它需要一定的温度或者光来激发，是它的电子获得足够的能量，原子核上。所以它需要一定的温度或者光来激发，是它的电子获得足够的能量，摆脱原子核的束缚，从而成为能够参与导电的粒子。所以温度升高，能够参与摆脱原子核的束缚，从而成为能够参与导电的粒子。所以温度升高，能够参与导电的粒子就越多，电阻就越小。导电的粒子就越多，电阻就越小。1.1 引引 言言 1.IC制造基本原理 3半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化n 一般材料纯度在一般材料纯度在99.9已认为很高了，有已认为很高了，有0.
7、1的杂质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：室温下：21400cmn如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为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：。则其电阻率变为：0.2cm。因此，可。因此，可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力。利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力。1.1 引引 言言 1.IC制造基本原理 6、P型和型和N型半导体型半导体n两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。n纯净硅称为本征半导体。本征半
8、导体中载流子的浓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：度在室温下：T300Kn当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素P时，硅中多数载流子为电子，时，硅中多数载流子为电子，这种半导体称为这种半导体称为N型半导体。型半导体。n施主杂质施主杂质)/1(10*6.1310cmnpnincm22101(/)n当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素B时，硅中多数载流子为空穴，这时，硅中多数载流子为空穴，这种半导体称为种半导体称为P型半导体。型半导体。n受主杂质受主杂质 )/1(1022cmp1.1 引引 言言 1.IC制造基本原理 2.工艺类型简介n按所制造器件结构的不同，按所制造器件结构的不同，可
9、把工艺分为双极型和可把工艺分为双极型和MOS型两种基本类型。型两种基本类型。n双极工艺制造的器件，双极工艺制造的器件，它的导电机理是将电子和空穴它的导电机理是将电子和空穴这两种极性的载流子作为在有源区中运载电流的工具这两种极性的载流子作为在有源区中运载电流的工具，这也是它被称为双极工艺的原因。这也是它被称为双极工艺的原因。n MOS工艺又可分为单沟道工艺又可分为单沟道MOS工艺和工艺和CMOS工艺。工艺。n单沟道单沟道MOS工艺又可分为工艺又可分为PMOS工艺和工艺和NMOS工艺。工艺。2.工艺类型简介n根据工序的不同根据工序的不同,可以把工艺分成三类：可以把工艺分成三类：前工序、前工序、后工
10、序及辅助工序。后工序及辅助工序。n 1)前工序前工序n 前工序包括从晶片开始加工到中间测试之前的所有前工序包括从晶片开始加工到中间测试之前的所有工序。工序。前工序结束时，前工序结束时，半导体器件的核心部分半导体器件的核心部分管芯就形成了。管芯就形成了。前工序中包括以下三类工艺：前工序中包括以下三类工艺：n（1）薄膜制备工艺：薄膜制备工艺：包括氧化、包括氧化、外延、外延、化学气化学气相淀积、相淀积、蒸发、蒸发、溅射等。溅射等。n（2）掺杂工艺：掺杂工艺：包括离子注入和扩散。包括离子注入和扩散。n（3）图形加工技术：图形加工技术：包括制版和光刻。包括制版和光刻。n2.工艺类型简介n2)后工序后工序
11、n后工序包括从中间测试开始到器件完成的所有工序后工序包括从中间测试开始到器件完成的所有工序,有中有中间测试、间测试、划片、划片、贴片、贴片、焊接、焊接、封装、封装、成品测试等。成品测试等。n3)辅助工序辅助工序n前、前、后工序的内容是后工序的内容是IC工艺流程直接涉及到的工序，工艺流程直接涉及到的工序，为保证整个工艺流程的进行，为保证整个工艺流程的进行，还需要一些辅助性的工序，还需要一些辅助性的工序，这些工序有：这些工序有：n（1）超净环境的制备：超净环境的制备：IC，特别是特别是VLSI的生产，的生产，需要超净的环境。需要超净的环境。n（2）高纯水、高纯水、气的制备：气的制备：IC生产中所用
12、的水必须是去离子、生产中所用的水必须是去离子、去中性去中性原子团和细菌，原子团和细菌，绝缘电阻率高达绝缘电阻率高达15 Mcm以上的电子级纯水；以上的电子级纯水；所使用所使用的各种气体也必须是高纯度的。的各种气体也必须是高纯度的。n（3）材料准备：材料准备：包括制备单晶、包括制备单晶、切片、切片、磨片、磨片、抛光等工序，抛光等工序，制成制成IC生产所需要的生产所需要的单晶圆片。单晶圆片。集成电路 工艺n分类：单片集成电路：硅平面工艺 薄膜集成电路：薄膜技术 厚膜集成电路：丝网印刷技术单片集成电路工艺单片集成电路工艺 利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套平面工艺技术，在一小块
13、硅单晶片上同时制造晶体管、二极管、电阻和电容等元件，并且采用一定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。然后在硅片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形，使元件按需要互连成完整电路，制成半导体单片集成电路。n集成电路是经过很多道工序制成的。其中最基础的工艺有：n生产所需类型衬底的硅圆片工艺硅圆片工艺；n确定加工区域的光刻工艺光刻工艺；n向芯片中增加材料的氧化氧化、淀积淀积、扩散和离扩散和离子注入子注入工艺；n去除芯片上的材料的刻蚀工艺刻蚀工艺。n集成电路的制造就是由这些基础工艺的不同组合构成的。1.2 集成电路制造工艺简介 1.2.1.硅圆片工艺硅圆片工艺晶片:只含有极少“缺陷”的单晶硅衬底圆片
14、。“CZ法”生长单晶硅目前晶体化的制程，大多是目前晶体化的制程，大多是采柴可拉斯基采柴可拉斯基(Czycrasky(Czycrasky)拉晶法拉晶法 (CZ(CZ法法)。将一块称为籽晶的单晶硅将一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融硅中，然后在旋转浸入熔融硅中，然后在旋转籽晶的同时缓慢地把其从熔籽晶的同时缓慢地把其从熔融硅中拉起。结果，就形成融硅中拉起。结果，就形成圆柱形的大单晶棒。圆柱形的大单晶棒。生长时，可在熔融硅中掺入生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获得期望的电阻率杂质来获得期望的电阻率 。晶圆尺寸：n 寸 是 寸 是标准的寸是标准的 200mm商用直拉单晶硅切割后、加工过电路的硅圆片单晶硅棒 (4
15、00mm)大单晶棒切成薄的圆片（wafer）在大多数CMOS工艺中，圆片的电阻率为0.05到0.1cm，厚度约为500到1000微米。chip半导体产业向前发展的两大启动点:不断扩大晶圆尺寸和缩小芯片特征尺寸n12英寸晶圆所容裸芯片数是8英寸晶圆的25倍，所以12英寸晶圆比8英寸晶圆节省30成本，采用12英寸晶圆的每个芯片所耗能量、水量比8英寸少40。n2002年12英寸晶圆制造设备量产，2008年全球拥有85条12英寸晶圆生产线.半导体产业向前发展的两大启动点:不断扩大晶圆尺寸和缩小芯片特征尺寸n同样使用同样使用0.130.13微米的制程在微米的制程在300mm300mm的晶圆可以制造大约的
16、晶圆可以制造大约427427个处理个处理器核心，器核心，300mm300mm直径的晶圆的面积是直径的晶圆的面积是200mm200mm直径晶圆的直径晶圆的2.252.25倍，出倍，出产的处理器个数却是后者的产的处理器个数却是后者的2.3852.385倍，并且倍，并且300mm300mm晶圆实际的成本晶圆实际的成本并不会比并不会比200mm200mm晶圆来得高多少，这种成倍的生产率提高显然是晶圆来得高多少，这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。所有芯片生产商所喜欢的。n然而，硅晶圆在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现然而，硅晶圆在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。
17、因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。目前们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。目前IntelIntel的的300mm300mm尺寸硅晶尺寸硅晶圆厂可以做到圆厂可以做到0.065m0.065m（6565纳米）的蚀刻尺寸。纳米）的蚀刻尺寸。1.2.2 氧化工艺（Oxidation）在硅片表面生成一层二氧化硅膜集成电路的基础工艺技术是平面技术，首先将硅表面氧化，然后根据各元器件图形在二氧化硅膜上开设窗口，通过该窗口进行定域操作。多次实施这种平面工艺，在硅片表面形成各种平面的元器件以及互连。这种技术之 所以
18、能实施的关键在于：能比较容易地获得适应这些工艺的优质的二氧化 硅膜，即可以在硅表面生成非常均匀的氧化层而几乎不在晶格中产生应力。MOS是Metal Oxide Semiconductor Silicon的缩写。1957年，人们在研究半导体材料的特性时发现二氧化硅层具有阻止杂质侵入的作用。这一发现直接导致了平面工艺技术的出现。1.2.2 氧化工艺（Oxidation）在硅片表面生成一层二氧化硅膜 1、SiO2薄膜在集成电路中的作用 在集成电路的制作过程中，要对硅反复进行氧化，制备SiO2薄膜。SiO2薄膜在集成电路的制作过程中，主要有下列作用：=光刻掩蔽膜(选择扩散的掩蔽层，离子注入的阻挡层)=
19、MOS管的绝缘栅材料（gate oxide)，高质量要求=电路隔离介质或绝缘介质，包括多层金属间的介质=电容介质材料=器件表面保护或钝化膜隔离氧化膜隔离氧化膜Field oxiden 2.热氧化原理与方法热氧化原理与方法n n 生长生长SiO2薄膜的方法有多种，薄膜的方法有多种，如热氧化、如热氧化、阳极阳极氧化、氧化、化学气相淀积等。化学气相淀积等。其中以其中以热氧化和化学气相淀热氧化和化学气相淀积（积（CVD）最为常用。最为常用。n（1）热氧化：）热氧化：热氧化生成热氧化生成SiO2薄膜是将硅片放入高温薄膜是将硅片放入高温（1000 1200 C）的氧化炉内，然后通入氧气，）的氧化炉内，然后
20、通入氧气，在氧化环境中使硅表面发生氧化在氧化环境中使硅表面发生氧化,生成生成SiO2薄膜。薄膜。热氧化示意图 流量控制硅片滤气球二通氧化炉石英管温度控制温度控制O2n根据氧化环境的不同，又可把热氧化分为根据氧化环境的不同，又可把热氧化分为干氧干氧法法和和湿氧法湿氧法两种。两种。n干氧法：干氧法：如果氧化环境是纯氧气，如果氧化环境是纯氧气，这种生成这种生成SiO2薄膜的方法就称为干氧法。薄膜的方法就称为干氧法。n机理：机理：氧气与硅表面的硅原子在高温下以氧气与硅表面的硅原子在高温下以 Si+O2=SiO2 式反应，式反应，生成生成SiO2薄膜。薄膜。n优点：优点：SiO2薄膜结构致密薄膜结构致密
21、,排列均匀排列均匀,重复性好，重复性好，不仅掩蔽能力强不仅掩蔽能力强,钝化效果好，钝化效果好，而且在光刻时与而且在光刻时与光刻胶接触良好，光刻胶接触良好，不宜浮胶。不宜浮胶。n缺点：缺点：生长速度太慢生长速度太慢。n湿氧法：湿氧法：如果让氧气先通过如果让氧气先通过95 C的去离子水，的去离子水，携带一部分水汽进入氧化炉，携带一部分水汽进入氧化炉，则氧化环境就则氧化环境就是氧气加水汽，是氧气加水汽，这种生成这种生成SiO2薄膜的方法就薄膜的方法就是湿氧法。是湿氧法。n机理机理:湿氧法由于氧化环境中有水汽存在，湿氧法由于氧化环境中有水汽存在，所所以氧化过程不仅有氧气对硅的氧化作用，以氧化过程不仅有
22、氧气对硅的氧化作用，还还有水汽对硅的氧化作用，有水汽对硅的氧化作用，即即 Si+O2=SiO2 n Si+2H2O=SiO2+2H2 n氧化环境中含有水汽，氧化环境中含有水汽，水汽和水汽和SiO2薄膜也能薄膜也能发生化学反应，发生化学反应，生成硅烷醇（生成硅烷醇（Si-OH），），即即n SiO2+H2O2（Si-OH）n特点：特点：速度快、质量差速度快、质量差 n 2.热氧化原理与方法热氧化原理与方法 热氧化示意图 流量控制硅片滤气球二通氧化炉石英管温度控制温度控制O2n（2）化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition)：n指使一种或数种化学气体以某种方式激活后在衬指使
23、一种或数种化学气体以某种方式激活后在衬底表面发生化学反应，底表面发生化学反应，从而在衬底表面生成所需从而在衬底表面生成所需的固体薄膜。的固体薄膜。n用化学气相淀积法生成用化学气相淀积法生成SiO2薄膜薄膜，主要是用硅烷主要是用硅烷（SiH4）与氧按）与氧按SiH4+2O2SiO2+2H2O反应，反应，或用烷氧基硅烷分解生成或用烷氧基硅烷分解生成SiO2薄膜。薄膜。n二氧化硅的化学汽相淀积：二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩
24、散源硼或砷的氧化物用作扩散源 n低温低温CVD氧化层：低于氧化层：低于500n中等温度淀积：中等温度淀积：500800n高温淀积：高温淀积：900左右左右n淀积多晶硅淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（一般采用化学汽相淀积（LPCVD）的）的方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。n适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够适当控制压力、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。长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。采用 在700C的高温下，使其分解：SiH42427000HSiSiHCn利用多晶硅替代金属铝作
25、为利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是器件的栅极是MOS集成电路集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。集成电路的集成度得到很大提高。n单晶硅的化学汽相淀积单晶硅的化学汽相淀积(外延外延)：一般地，将在单一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延外延，生长，生长有外延层的晶体片叫做有外延层的晶体片叫做外延片外延
26、片n氮化硅的化学汽相淀积：氮化硅的化学汽相淀积：中等温度中等温度(780820)的的LPCVD或低温或低温(300)PECVD方法方法淀积淀积化学汽相淀积(CVD)nCVD技术特点：技术特点：n具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点设备简单等一系列优点nCVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属非晶硅、氮化
27、硅、金属(钨、钼钨、钼)等等n（化学气相淀积的种类有常压化学气相淀积化学气相淀积的种类有常压化学气相淀积（APCVD）、）、低压化学气相淀积（低压化学气相淀积（LPCVD）、）、等离子体化学气相淀积（等离子体化学气相淀积（PECVD）、）、光致化学气光致化学气相淀积（相淀积（photoCVD）等几种。）等几种。APCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图 LPCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图平行板型平行板型PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图物理气相淀积物理气相淀积(PVD)n蒸发：蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金
28、属表面的束缚成为蒸汽原子，量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种加热蒸发和电子束蒸发两种n溅射：溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上蒸蒸发发原原理理图图2433412450430HNSiNHSiHC4SiN3NHn 1.2.3 掺杂工艺n 集成电路生产过程中要对半导体基片的一集成电路生产过程中
29、要对半导体基片的一定区域掺入一定浓度的杂质元素（定区域掺入一定浓度的杂质元素（五价磷或三五价磷或三价硼），价硼），形成不同类型的半导体层，形成不同类型的半导体层，来制作来制作各种器件，各种器件，这就是这就是掺杂工艺掺杂工艺。n掺杂工艺主要有两种：掺杂工艺主要有两种：扩散和离子注入扩散和离子注入。n1.扩散工艺扩散工艺n在热运动的作用下，在热运动的作用下，物质的微粒都有一种从物质的微粒都有一种从浓度高的地方向浓度低的地方运动的趋势，浓度高的地方向浓度低的地方运动的趋势，这就是扩散。这就是扩散。n替位式扩散：替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：杂质离子占据硅原子的位：n、族元素族元素n一般要在很高
30、的温度一般要在很高的温度(9501280)下进行下进行n磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层扩散的掩蔽层n间隙式扩散：间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：杂质离子位于晶格间隙：nNa、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素n扩散系数要比替位式扩散大扩散系数要比替位式扩散大67个数量级个数量级杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图n常用扩散方法常用扩散方法n(1)液态源扩散：液态源扩散：使保护气体（如氮气、使保护气体（如氮气、氩气）通过氩气）通过含有杂质元素的液
31、态源，含有杂质元素的液态源，携带杂质蒸气进入高温扩散炉携带杂质蒸气进入高温扩散炉内的石英管中，内的石英管中，杂质蒸气经高温热分解并与硅片表面的杂质蒸气经高温热分解并与硅片表面的硅原子反应，硅原子反应，生成杂质原子，生成杂质原子，然后以杂质原子的形式然后以杂质原子的形式向硅片内扩散。向硅片内扩散。n液态源扩散具有设备简单、液态源扩散具有设备简单、操作方便、操作方便、重复性好等优重复性好等优点，点，是生产中常采用的一种扩散方式。是生产中常采用的一种扩散方式。n常用扩散方法常用扩散方法n(2)片状源扩散：片状源扩散：将含有杂质元素的固态扩散源作成将含有杂质元素的固态扩散源作成片状，片状，并将它与硅片
32、间隔放置在扩散炉内进行扩散。并将它与硅片间隔放置在扩散炉内进行扩散。生产中掺硼扩散时常采用的氮化硼（生产中掺硼扩散时常采用的氮化硼（NB）扩散就属于）扩散就属于片状源扩散片状源扩散。氮化硼扩散示意图扩散炉石英舟Si片BN片N2石英管n(3)固固固扩散：固扩散：在硅片表面先生成一层含有一定量在硅片表面先生成一层含有一定量杂质的薄膜，杂质的薄膜，然后在高温下使这些杂质向硅片内扩散。然后在高温下使这些杂质向硅片内扩散。磷、磷、硼、硼、砷等杂质都可通过这种方式扩散。砷等杂质都可通过这种方式扩散。掺杂的薄膜可以是掺杂的氧化物、掺杂的薄膜可以是掺杂的氧化物、多晶硅、多晶硅、氮化物等，氮化物等，其中以掺杂氧
33、化物最为常用。其中以掺杂氧化物最为常用。n常用扩散方法常用扩散方法n 固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等n(3)固固固扩散：固扩散：在硅片表面先生成一层含有一定量在硅片表面先生成一层含有一定量杂质的薄膜，杂质的薄膜，然后在高温下使这些杂质向硅片内扩散。然后在高温下使这些杂质向硅片内扩散。磷、磷、硼、硼、砷等杂质都可通过这种方式扩散。砷等杂质都可通过这种方式扩散。掺杂的薄膜可以是掺杂的氧化物、掺杂的薄膜可以是掺杂的氧化物、多晶硅、多晶硅、氮化物等，氮化物等，其中以掺杂氧化物最为常用。其中以掺杂氧化物最为常用。n (4)涂层扩散：涂层扩散：将杂质掺到化合物溶液中，将杂质掺到化合物溶液中，并将
34、这并将这种含有杂质的化合物溶液涂布在硅片表面，种含有杂质的化合物溶液涂布在硅片表面，在保护环在保护环境下进行高温扩散。境下进行高温扩散。SiO2乳胶是一种常用于涂层扩散的化合物。乳胶是一种常用于涂层扩散的化合物。n常用扩散方法常用扩散方法n 2.离子注入技术离子注入技术n 将杂质元素的原子离子化，将杂质元素的原子离子化，使其成为带电的杂质离使其成为带电的杂质离子，子，然后用电场加速这些杂质离子然后用电场加速这些杂质离子,使其具有很高的能量使其具有很高的能量（一般为几万到几十万电子伏特），（一般为几万到几十万电子伏特），并用这些杂质离子直并用这些杂质离子直接轰击半导体基片。接轰击半导体基片。n
35、掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目度由注入杂质离子的数目(剂量剂量)决定。决定。eNppRxxN2max22)()(p pNmax0Rp深度 X硼原子数0Xn2.离子注入技术离子注入技术n理论分析表明理论分析表明,硅片中注入的杂质离子的分布硅片中注入的杂质离子的分布近似为对称高斯分布，近似为对称高斯分布，杂质浓度最大杂质浓度最大的地方的地方离硅片表面有一定距离。离硅片表面有一定距离。Rp：平均深度p：穿透深度的标准差Nmax=0.4NT/pNT：单位面积注入的离子数，即离子注入剂量离子注入的分布有以下特点：离子注入
36、的分布有以下特点：1离子注入的分布曲线形状（离子注入的分布曲线形状（Rp，pp），），只与离子的初始能量只与离子的初始能量E0有关。并杂质浓度最有关。并杂质浓度最大的地方不是在硅的表面，大的地方不是在硅的表面，X0处，而是在处，而是在XRp处。处。2离子注入最大值离子注入最大值Nmax与注入剂量与注入剂量NT有关。有关。而而E0与与NT都是可以控制的参数。因此，离子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注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及深度。深度。n3、掺杂的均匀性好4、温度低：小于6005、可以注入各种各样的元素6、可以对化合物半导体进行掺杂退退 火火n退火
37、：退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在也叫热处理，集成电路工艺中所有的在不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。火。n激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用子，起到杂质的作用n消除损伤消除损伤n退火方式：退火方式：n炉退火炉退火n快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等灯、石墨加
38、热器、红外设备等)1.2.4 光刻工艺光刻工艺 nIC由不同层次的材料组成的。每一层上的图形各不相同。在每一层上形成不同图形的过程叫光刻。n版图由代表不同类型“层”的多边形组成。n在IC工艺中制作每一层时，都需要用掩模版来确定在什么位置进行掺杂、腐蚀、氧化等。光刻是确定集成电路加工区域的一种手段，即在确定的面积上进行工艺加工。n光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩模版(Mask)上完全对应的几何图形，从而实现选择性掺杂、腐蚀、氧化等目的n集成电路是由多个不同的层构成的(阱、扩散/注入区、多晶硅、金属等)，每个层的加工过程(从下往上进行)，都是由一个完整的光刻工艺过程。1.2.4 光
39、刻工艺光刻工艺n光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机n光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体n光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变n正胶：曝光后可溶曝光后可溶n负胶：曝光后不可溶曝光后不可溶Si-衬底衬底(a)硅衬底材料硅衬底材料Si-衬底衬底(c)光刻机曝光光刻机曝光紫外光紫外光带有图形的带有图形的光刻掩模版光刻掩模版曝光的光刻胶曝光的光刻胶(b)氧化生长氧化生长SiO2和淀积光刻胶之和淀积光刻胶之后后光刻胶光刻胶SiO2Si-衬底衬底n 1.2.4 光刻工艺光刻工艺n 下面以采用负胶光刻下面以采
40、用负胶光刻SiO2薄膜为例对光刻过程作薄膜为例对光刻过程作一个简要介绍，一个简要介绍，光刻一般包括以下步骤。光刻一般包括以下步骤。(1)涂胶(匀胶)：正胶和负胶。(2)前烘：烘干光刻胶。(3)对准与曝光：使光刻胶发生光化学反应。n 1.2.4 光刻工艺光刻工艺n 下面以采用负胶光刻下面以采用负胶光刻SiO2薄膜为例对光刻过程作薄膜为例对光刻过程作一个简要介绍，一个简要介绍，光刻一般包括以下步骤。光刻一般包括以下步骤。(1)涂胶(匀胶)：正胶和负胶。(2)前烘：烘干光刻胶。(3)对准与曝光：使光刻胶发生光化学反应。(4)显影:未受光照的胶被显影液溶解掉（负胶），在表面形成胶的光刻窗口。(5)坚膜
41、(后烘)：保证胶与SiO2层的粘附质量。(6)腐蚀：采用腐蚀液(湿法)或在等离子体中(干法)将无胶膜保护的SiO2层去除。(7)去胶。Si-衬底衬底SiO2(f)去除光刻胶之后的结果去除光刻胶之后的结果Si-衬底衬底SiO2(e)刻蚀刻蚀SiO2之后之后烘烤后坚硬的光刻胶烘烤后坚硬的光刻胶SiO2Si-衬底衬底(d)显影并刻蚀掉光刻胶显影并刻蚀掉光刻胶,利用化学方法或者等离子刻蚀利用化学方法或者等离子刻蚀SiO22烘烤后坚硬的光刻胶烘烤后坚硬的光刻胶化学或者等离子刻蚀化学或者等离子刻蚀 集成电路的集成度主要由光刻工艺到底能形成多么精集成电路的集成度主要由光刻工艺到底能形成多么精细的图形细的图形
42、(分辨率，清晰度分辨率，清晰度)，以及与其它层的图形有多高，以及与其它层的图形有多高的位置吻合精度的位置吻合精度(套刻精度套刻精度)来决定的。因此，为提高光刻来决定的。因此，为提高光刻工艺的精度，除利用性能优良的光刻胶外，还需要有性能工艺的精度，除利用性能优良的光刻胶外，还需要有性能良好的曝光系统。良好的曝光系统。接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光X射线曝光、电子束曝光常见的光刻曝光方法n接触式曝光：分辨率0.5um;掩模版易损坏；容易累积缺陷；n接近式曝光：硅片和掩模版之间的间隙在1025um；对于可见光，分辨率约1um；对X-ray，分辨率可以很高；n投影式曝光（目前最常用的）投影式曝光系
43、统投影式曝光系统Wafer Stepper用光刻方法制成的微图形，只给出了电路的形貌，并不是真正的器件结构。因此需将光刻胶上的微图形转移到胶通常是用光刻工艺形成的光刻胶作掩模对下层材料进行腐蚀，去掉不要的部分，保留需要的部分。刻蚀技术可分成两大类：湿法腐蚀：进行腐蚀的化学物质是溶液；干法腐蚀(一般称为刻蚀)：进行刻蚀的化学物质是气体。1.2.5刻蚀工艺（刻蚀工艺（Etching)去除无保护层的表面材料的工艺刻蚀工艺湿法刻蚀n湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法，用在线条较大的IC(3mm)；优点：选择性好；重复性好；生产效率高；设备简单；成本低；缺点：钻蚀严重；对图形的控
44、制性差；广泛应用在半导体工艺中：磨片、抛光、清洗、腐蚀；刻蚀工艺干法刻蚀n干法刻蚀：干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各处于激发态的分子、原子及各种原子基团等种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。物理作用而达到刻蚀的目的。优点：各项异性好，可以高保真的转移光刻图形；集成电路制造主要工艺集成电路制造主要工艺n图形转换：光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻、X射线光刻刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀n掺杂：离子注入 扩散n制膜：氧化：干氧
45、氧化、湿氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸发、溅射1.3 版图设计技术n 1.3.1 硅栅MOS工艺简介n 硅除了以单晶的形式存在外，还以多晶的形式存在，称为多晶硅。多晶硅从小的局部区域去看，原子结构排列整齐;但从整体上看却并不整齐。硅栅工艺也叫自对准工艺，它有利于减小栅源和栅漏之间的覆盖电容。有源区是制作MOS晶体管的区域。硅栅工艺是先做栅极再做源、漏区，这是硅栅工艺和铝栅工艺的根本区别。由于先做好硅栅再做源漏区掺杂，栅极下方受多晶硅栅保护不会被掺杂，因此在硅栅两侧自然形成高掺杂的源、漏区，实现了源栅漏的自对准。硅栅NMOS管剖面图 源极金属引出多晶硅栅极栅氧源扩散
46、区N场氧漏扩散区N场氧漏极金属引出P-Sin 如图是硅栅NMOS管的剖面结构，多晶硅栅极的下面是很薄的一层SiO2，称为栅氧，两边较厚的SiO2层称为场氧化层，主要起隔离作用。n NMOS管的简化结构 多晶硅GSD氧化层LeffLdrawnNNP型衬底LDW (a)场氧化、光刻有源区；n下面就以硅栅NMOS为例，简要介绍硅栅MOS管制造的基本工序。（）对P型硅片进行氮化，生成较薄的一层Si3N4，然后进行光刻，刻出有源区后进行场氧化。Si3N4抗腐蚀能力强，高温时抗氧化。能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。用来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性
47、模具等机械构件。氮化硅作掩膜可在硅衬底上没有掩膜的其他地方选择生长氧化硅膜,这种氧化硅膜既能阻止各种形式的氧化且其本身又很难被氧化 在微电子学中，场区是指一种很厚的氧化层，位于芯片上不做晶体管、电 极 接 触 的 区 域，可 以 起 到 隔 离 晶 体 管 的 作 用。有源区和场区是互补的，晶体管做在有源区处，金属和多晶硅连线多做在场区上。CMOS工艺中的场区（即晶体管以外的区域）需要较厚的氧化层，目的是提高场开启电压，使其高于工作电压，形成良好的隔离；同时减小金属层或多晶硅与硅衬底之间的寄生电容。但仅靠增加场氧的厚度仍不能满足对场开启的要求（即满足场在器件正常工作时不可能开启的要求），还要对
48、场区进行注入，增加场区的掺杂浓度，阻止沟道的生成，进一步提高开启电压。N+注入（）对P型硅片进行氮化，生成较薄的一层Si3N4，然后进行光刻，刻出有源区后进行场氧化。（2）进行氧化（栅氧化），在暴露的硅表面生成一层严格控制的薄SiO2层。（3）淀积多晶硅，刻蚀多晶硅以形成栅极及互连线图形。（4）将磷或砷离子注入，多晶硅成为离子注入的掩膜（自对准），形成了MOS管的源区和漏区；同时多晶硅也被掺杂，减小了多晶硅的电阻率。栅氧化；淀积多晶硅、刻多晶硅淀积SiO2,刻接触孔（5）淀积SiO2，将整个结构用SiO2覆盖起来，刻出与源区和漏区相连的接触孔。（6）把铝或其它金属蒸上去，刻出电极及互连线。蒸铝
49、、刻铝电极和互连 氧化硅层生长在没有氧化硅阻挡层的区域上,由于氧化剂能够通过衬底 sio2层横向扩散,将会史氧化反应从氮化硅薄摸的边缘横向扩散,在氮化硅的边缘到其内部生成逐渐变薄的sio2层该部分的形状和鸟的嘴部类似,通常叫鸟嘴.n 1.3.2 P阱CMOS工艺简介n P阱CMOS工艺通常是在中度掺杂的N型硅衬底上首先作出P阱，在P阱中做N管，在N型衬底上做P管，工艺过程的主要步骤如图所示。反相器 n掩膜1：P阱光刻阱光刻具体步骤如下：具体步骤如下：1生长二氧化硅：生长二氧化硅：Si-衬底 P-well S i-衬底 S i O22P阱光刻：阱光刻：涂胶、掩膜对准、曝光、显影、刻蚀涂胶、掩膜对
50、准、曝光、显影、刻蚀3去胶去胶4掺杂：掺入掺杂：掺入B元素元素涂 胶 显 影 刻 蚀 去 胶 掺 杂淀积氮化硅 光刻有源区 场区氧化去除氮化硅及二氧化硅 长栅氧 淀积多晶硅掩膜2：光刻有源区光刻有源区掩膜3 ：光刻多晶硅光刻多晶硅 光刻 多晶 硅 P+区 光刻B+n掩膜4 ：P+区光刻区光刻n 1、P+区光刻区光刻n 2、离子注入、离子注入B+，栅区有多晶硅做掩蔽，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。称为硅栅自对准工艺。n 3、去胶、去胶 N+区光刻P+n掩膜5：N+区光刻区光刻 1、N+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入P+3、去胶、去胶n掩膜6 ：光刻接触孔：光刻接触孔 光刻接触孔掩
