第3章集成电路制造工艺.ppt

1、集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具 第三章第三章 集成电路制造工艺集成电路制造工艺本章本章基本要求：基本要求：了解了解集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺了解了解CMOS工艺流程的主要步骤工艺流程的主要步骤掌握掌握MOS工艺的自对准原理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v3.1 引言引言v3.2 集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺v3.3 CMOS集成电路的基本制造工艺集成电路的基本制造工艺v3.4 集成电路工艺及器件集成电路工艺及器件CADv3.5 本章小结本章小结3.1 引言引言v集成电路基本加工工艺包括

2、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、绝衬底外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、绝缘层和金属层形成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、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，锗硅HBT工艺和工艺和BiCMOS工艺，工艺，SOI材料的材料的CMOS工艺，工艺，GaAs基基/InP基的基的MESFET工艺、工艺、HEMT工艺和工艺和HBT工艺等。工艺等。v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分为双极型双极型/HBT、MESFET

3、/HEMT、CMOS、BiCMOS四大类型。四大类型。v目前应用最广泛的特定工艺是目前应用最广泛的特定工艺是CMOS工艺。工艺。v在在CMOS工艺中，又可细分为工艺中，又可细分为DRAM工艺、逻辑工艺、模拟数字混合集工艺、逻辑工艺、模拟数字混合集成工艺，成工艺，RFIC工艺等。工艺等。v本章将介绍主流的本章将介绍主流的CMOS工艺的基本加工过程。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v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。集成的工艺过程其实

4、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工艺包括电路的基本加工工艺包括外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、金外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、金属层的形成、绝缘层的形成属层的形成、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。本加工工艺。3.2.1 外延生长外延生长v“外延外延”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.异质外延异质外延v外延层具有很多优良性能。外延层具有

5、很多优良性能。v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化学汽相沉积（CVD：Chemical Vapor Deposition）、金属有）、金属有机物汽相沉积（机物汽相沉积（MOCVD：Metal Organic CVD）和分子束外延）和分子束外延生长（生长（MBE：Molecular Beam Epitaxy）。）。3.2.2 掩膜的制版工艺掩膜的制版工艺v在集成电路开始制造之前，需要预先设定好每个工艺的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制造过程和先后顺序和先后顺序。v每个工艺中都需要

6、掩膜来覆盖暂时不需要加工的位置，需要加工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。的位置则需要按照一定的图形来加工。v版图设计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。掩膜版的过程。v将这些过程制作成掩膜版的过程就是将这些过程制作成掩膜版的过程就是制版制版。v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。到晶圆上做准备，掩膜版主要用在光刻工艺过程中。v掩膜制造掩

7、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。投影制作出来的。各个单元的集成电路可以不同。单片版单片版 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。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。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，表面上涂一光学掩膜版是用石英玻璃做成的均匀

8、平坦的薄片，表面上涂一层层6080nm厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为铬版铬版（Cr mask），通常也称为光学（掩膜）版。），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。新的光刻技术的掩膜版与光刻技术有关。3.2.3 光刻光刻v光刻是把掩模版上的图形映射到晶圆上，并在晶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。图形结构的形成，起着决定性的作用。v光刻线条所能达到的最小尺寸通常被称为特征尺光刻线条所能达到的最小尺寸通

9、常被称为特征尺寸，用来评价一条寸，用来评价一条IC生产线的技术水平生产线的技术水平。v曝光曝光是在光刻胶上形成预定图案。有光学光刻是在光刻胶上形成预定图案。有光学光刻 和和 非光学光刻非光学光刻v刻蚀刻蚀是将图形转移到晶圆上。有湿法刻蚀、等离子是将图形转移到晶圆上。有湿法刻蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀等体刻蚀、反应离子刻蚀等v光刻基本步骤：光刻基本步骤：涂光刻胶涂光刻胶 曝光曝光显影与后烘显影与后烘刻蚀刻蚀去除光刻胶去除光刻胶 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v热扩散法掺杂热扩散法掺杂 利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高利用原子在高温下的扩散

10、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。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：热扩散通常分两个步骤进行：v预淀积（预淀积（predeposition，也称预扩散），也称预扩散）v推进（推进（drive in，也称主扩散）。，也称主扩散）。一种热扩散法掺杂的系统示意图一种热扩散法掺杂的系统示意图 v离子注入法掺杂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。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v在集成电路工艺中，导体和绝缘体是互补而又

11、相对的。在集成电路工艺中，导体和绝缘体是互补而又相对的。v绝缘层的作用绝缘层的作用电隔离电隔离防止湿气侵扰、化学玷污和机械划伤的保护作用防止湿气侵扰、化学玷污和机械划伤的保护作用制作如制作如MOS晶体管等器件晶体管等器件v两种常见的隔离手段两种常见的隔离手段局部氧化隔离法隔离（局部氧化隔离法隔离（LOCOS）浅沟槽隔离（浅沟槽隔离（STI）氧化隔离示意图氧化隔离示意图浅沟道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v集成电路工艺中的金属层有三个主要功能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；）形成器件本身的接触线；2）形成器件间的互连线；）形成器件间的互连

12、线；3）形成焊盘。）形成焊盘。v金属层的形成主要采用金属层的形成主要采用物理汽相沉积（物理汽相沉积（PVD：Pysical Vapor Deposition）技术。）技术。PVD技术有蒸镀和溅镀两种。技术有蒸镀和溅镀两种。金属金属CVD技术，正在逐渐发展过程中技术，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vCMOS工艺技术是当代工艺技术是当代VLSI工艺的主流工艺技术，该工工艺的主流工艺技术，该工艺是在艺是在PMOS与与NMOS工艺基础上发展起来的，特点是工艺基础上发展起来的，特点是将将NMOS器件和器件和PMOS器件同时制作在同一衬底上。器件同时制作在同

13、一衬底上。COMOS工艺一般可分为三类：工艺一般可分为三类：P阱阱CMOS工艺、工艺、N阱阱CMOS工艺和双阱工艺和双阱CMOS工艺。工艺。3.4.1 P阱阱CMOS工艺工艺vP阱阱CMOS工艺以工艺以N型单晶硅为衬底。首先在型单晶硅为衬底。首先在N型硅衬型硅衬底上制作底上制作P阱，然后将阱，然后将NMOS晶体管制作在该晶体管制作在该P阱中，阱中，而而PMOS管则直接做在管则直接做在N型硅衬底上。型硅衬底上。3.4.2 N阱阱CMOS工艺工艺vN阱阱CMOS工艺正好与工艺正好与P阱阱CMOS工艺相反，它是在工艺相反，它是在P型型衬底上形成衬底上形成N阱。因为阱。因为N沟道器件是在沟道器件是在P

14、型衬底上制成的，型衬底上制成的，这种方法与标准的这种方法与标准的N沟道沟道MOS晶体管的工艺是兼容的。晶体管的工艺是兼容的。在这种情况下，在这种情况下，N阱中和了阱中和了P型衬底，型衬底，N阱中的阱中的P沟道沟道MOS晶体管会受到过渡掺杂的影响。晶体管会受到过渡掺杂的影响。3.4.3 双阱双阱CMOS工艺工艺v双阱双阱CMOS工艺采用的原始材料是在工艺采用的原始材料是在N+或或P+衬底上外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延一层轻掺杂的外延层，然后用离子注入的方法同时制作作N阱和阱和P阱。使用双阱工艺阱。使用双阱工艺不但可以提高器件密度，不但可以提高器件密度，还可以有效的

15、控制寄生晶体管的影响，抑制闩锁现象还可以有效的控制寄生晶体管的影响，抑制闩锁现象。v1衬底准备：衬底氧化后，在衬底准备：衬底氧化后，在二氧化硅上生长氮化硅二氧化硅上生长氮化硅 v2光刻光刻P阱，形成阱版，在阱，形成阱版，在P阱阱区腐蚀氮化硅，区腐蚀氮化硅，P阱注入阱注入 v3去光刻胶，去光刻胶，P阱扩散并生长二阱扩散并生长二氧化硅氧化硅 v4腐蚀氮化硅，腐蚀氮化硅，N阱注入并扩散阱注入并扩散 v5 有源区衬底氧化有源区衬底氧化v6 NMOS管场注入光刻管场注入光刻 v7场区氧化，栅氧化，沟道掺场区氧化，栅氧化，沟道掺杂（阈值电压调节注入）杂（阈值电压调节注入）v8多晶硅淀积、掺杂、光刻和多晶硅

16、淀积、掺杂、光刻和腐蚀，形成栅区的多晶硅版腐蚀，形成栅区的多晶硅版 v9 P阱中的阱中的NMOS管光刻和注管光刻和注入硼并扩散，形成入硼并扩散，形成N+版版 v10 PMOS管光刻和注入磷并扩管光刻和注入磷并扩散，形成散，形成P+版版 v11硅片表面沉积二氧化硅薄膜硅片表面沉积二氧化硅薄膜 v12 接触孔光刻，接触孔腐蚀接触孔光刻，接触孔腐蚀 v13 淀积铝，反刻铝，形成铝连线淀积铝，反刻铝，形成铝连线 v最后做栅极金属引线后得到双阱最后做栅极金属引线后得到双阱CMOS工艺的工艺的CMOS晶体管晶体管 3.4.4 MOS工艺的自对准结构工艺的自对准结构v自对准自对准是一种在圆晶片上用单个掩膜形成不同区域的多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差。层结构的技术，它消除了用多片掩膜所引起的对准误差。v利用已经形成的结构特征作为掩膜版，来进行下一步工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。如的工艺对准，不存在对