超大規(guī)模集成電路分析與設(shè)計

1、主講：主講： 張冉張冉EmailEmail：書名： 超大規(guī)模集成電路設(shè)計導超大規(guī)模集成電路設(shè)計導論論出版社： 清華大學出版社清華大學出版社作者： 蔡懿慈，周強蔡懿慈，周強 編著編著CMOS超大規(guī)模集成電路設(shè)計（第超大規(guī)模集成電路設(shè)計（第3 3版）版） 出版社：中國電力出版社 作 者： 維斯特（美），哈里斯（美）超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)導論超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)導論 出版社：電子工業(yè)出版社 作 者： John P. Uyemura Verilog HDL入門（第入門（第3 3版）版） 出版社：北京航空航天大學出版社 作 者：巴斯克（美）Modern VLSI Design: Systems on

2、Chip（3rd Ed） 出版社： 辭學出版社 作 者： Wayne Wolf ISBN: 0-13-011076-0 課程要求課程要求 （1）掌握微結(jié)構(gòu)、電路單元、模型、參數(shù)、CAD過程 （2）實際分析典型電路，加深設(shè)計“概念”的理解教學時間安排教學時間安排 第4-15周，每周2下午7-8節(jié)、周4上午3-4節(jié)成績考核成績考核 考試（70%）+課外作業(yè)（30%）VLSI system 特點特點規(guī)模大（時序、控制復雜）、實體?。ň€條單元?。?、速度快（頻率）、功耗小技術(shù)范圍：集成電路、熱學、靜電學、拓撲學、系統(tǒng)控制、非線性電路等主要相關(guān)技術(shù)：微電子半導體、電路與系統(tǒng)、計算機CADMOS結(jié)構(gòu)為主體V

3、LSI分析和分析和設(shè)計與其他課程的區(qū)別設(shè)計與其他課程的區(qū)別VLSI課程是硅片上基于千萬個微細晶體管結(jié)構(gòu)組合的電路技術(shù)課程電子技術(shù)課 PCB上的電路課程總之，是解決模型模型、調(diào)試調(diào)試、仿真仿真、綜合綜合的技術(shù)問題Very-large-scale-integration (VLSI) Very-large-scale-integration (VLSI) is defined as a technology that allows the construction and interconnection of large numbers (millions) of transistors on a

4、 single integrated circuit.Integrated Circuit Integrated Circuit is a collection of one or more gates fabricated on a single silicon chip.Wafer Wafer is a thin slice of semiconductor material on which semiconductor devices are made. Also called a slice or substrate.Chip Chip is a small piece of semi

5、conductor material upon which miniaturized electronic circuits can be built.Die Die is an individual circuit or subsystem that is one of several identical chips that are produced after dicing up a wafer.Moores Law Moores Law （摩爾定律）（摩爾定律） “The number of transistors per chip would grow “The number of

6、transistors per chip would grow exponentially (double every 18 months)”. exponentially (double every 18 months)”. （ by Gordon by Gordon Moore, Intel 1965 Moore, Intel 1965 ）集成度是集成電路發(fā)展水平的一個重要標志19971997199919992001200120032003200620062009200920122012最小線寬/mm70.05DRAM 容量256MB1GB未定

7、4GB16GB64GB256GB每片晶體管數(shù)/106112140762005201400芯片尺寸/mm2300340385430520620720頻率/MHz750120014001600200025003000金屬化層數(shù)66-7777-88-99最低供電電壓1.8-2.511.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6最大晶圓直徑200mm300mm300mm300mm300mm450mm450mm特征尺寸特征尺寸( (Feature size) )：通常是指集成電路中半導體器件的最小尺度，如MOS晶體管的柵極長度。通常用特征尺寸來衡量集成電路的制造工藝

8、水平。特征尺寸越小，芯片的集成度越高、速度越快、性能越好。微米、亞微米、深亞微米、超深亞微米微米、亞微米、深亞微米、超深亞微米。 TechnologyTechnologyNumber of Number of gates/transistors gates/transistors per chipper chipYearYearSSI少于10060sMSI100-100070sLSI1000-10萬80sVLSI10-1000萬90sULSI1000萬以上2000The advances in the integration techniques can be attributed The a

9、dvances in the integration techniques can be attributed directly to : directly to : (1) Advances in photolithography techniques (1) Advances in photolithography techniques (光刻技術(shù)光刻技術(shù)) )(2)(2) New designs of semiconductor devices New designs of semiconductor devices(3)(3) Newer methods of metallizatio

10、n Newer methods of metallization （CuCu）(4)(4) Newer materials (Newer materials (低低K K介電材料，介電材料，SOI)SOI)System On a Chip (SOC) 片上系統(tǒng)發(fā)展方向發(fā)展方向 在發(fā)展微細加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)超高速、超高集成度的電路； 利用已達到的或成熟的工藝技術(shù)、設(shè)計技術(shù)、封裝技術(shù)和測試技術(shù)等開發(fā)各種專用集成電路初級集成電路硬件設(shè)計時期（60-70s） 組成元件：各種邏輯門、觸發(fā)器、計數(shù)器、寄存器和編碼器等 集成度：SSI/MSI集成電路的軟件編程設(shè)計時期（70-80s） 組成元件：Proc

11、essor、RAM、ROM、I/O 集成度： LSIASIC和系統(tǒng)集成設(shè)計時期（80-90s） 集成度： LSI EDA技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷第一代IC CAD系統(tǒng) 軟件：SPICE； 設(shè)計技術(shù)特點：電路模擬和版圖的設(shè)計驗證第二代IC CAD系統(tǒng) 技術(shù)特點： （1）以原理圖為基礎(chǔ)的EDA系統(tǒng)，以仿真和自動布局布線為核心 （2）自動綜合器使被動的對設(shè)計結(jié)果的分析驗證轉(zhuǎn)為主動去選 擇一個最佳的設(shè)計結(jié)果。第三代IC CAD系統(tǒng) 技術(shù)特點： （1）在用戶與設(shè)計者之間開發(fā)了一種虛擬環(huán)境。 （2）各種硬件描述語言的出現(xiàn)（VHDL、Verilog HDL等） （3）高級抽象的設(shè)計構(gòu)思手段（框圖、狀態(tài)圖和流程圖）ED

12、A技術(shù)的發(fā)展方向更廣（產(chǎn)品種類越來越多）更快（設(shè)計周期越來越快）更精（設(shè)計尺寸越來越精細）更準（一次成功率越來越高）更強（工藝適用性和設(shè)計自動化程度越來越高）EDA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 縮小尺寸、增加集成度、提高性能、和降低功耗 在深亞微米和超深亞微米工藝中， EDA技術(shù)主要面對互連線模型和分析互連線布線對延時的影響成為集成電路產(chǎn)業(yè)路線設(shè)計周期要求設(shè)計成本要求設(shè)計正確性及性能要求設(shè)計過程集成化要求VLSI設(shè)計可測試性要求市場市場設(shè)計設(shè)計制造制造應(yīng)用應(yīng)用集成電路的生產(chǎn)過程分為：設(shè)計和制造1.系統(tǒng)規(guī)范化說明2.寄存器傳輸級設(shè)計3.邏輯設(shè)計4.電路設(shè)計5.物理設(shè)計6.設(shè)計驗證系統(tǒng)描述系統(tǒng)描述行為級仿真行為

13、級仿真寄存器傳輸級設(shè)計綜合寄存器傳輸級設(shè)計綜合半途設(shè)計及驗證半途設(shè)計及驗證物理設(shè)計及優(yōu)化物理設(shè)計及優(yōu)化電路設(shè)計及分析電路設(shè)計及分析測試生成測試生成門級綜合仿真門級綜合仿真芯片制造芯片制造前端設(shè)計前端設(shè)計后端設(shè)計后端設(shè)計層次式的設(shè)計方法層次式的設(shè)計方法行為域行為域：功能具體化結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域：完成電路的具體結(jié)構(gòu)幾何域幾何域：將電路轉(zhuǎn)換成物理的版圖自頂向下的設(shè)計方法行為級設(shè)計算法描述寄存器傳輸級門級電路級版圖級（物理級）2.1 2.1 半導體材料半導體材料- -硅（硅（Silicon）集成電路制造中最常用的一種材料，本征狀態(tài)下是一種半導體材料。硅片的制備(西門子工藝：冶金級 SGS ) 1. SiC（

14、s）+ SiO2(s) Si(l) + SiO(g) + CO(g) 2. Si(s) + 3HCl(g) SiHCl3(g) + H2(g) + 加熱 3. 2SiHCl3(g) + 2H2(g) 2Si(s) + 6HCl(g)SGS：Semiconductor-grade Silicon 半導體級硅Czochralski（CZ）法制備單晶硅摻雜(Acceptor and Donor)雜質(zhì)雜質(zhì)材料材料類型類型1019(重摻雜）重摻雜）五價nn-n-nn+三價pp-p-pp+Equilibrium segregation coefficient K0= Cs/ClFloat zone sil

15、icon (FZ) 區(qū)熔法區(qū)熔法 特點：特點：Si純度高且含氧量低硅片制備的基本工藝步驟晶體生長晶體生長包裝包裝拋光拋光切片切片整形整形刻蝕刻蝕檢查檢查清洗清洗磨片倒角磨片倒角整形處理對于200mm及以上的硅片目前采用定位槽代替定位邊硅片質(zhì)量檢測物理尺寸平整度微粗糙度晶體缺陷顆粒體電阻超凈間（超凈間（Cleanroom） 一個凈化過的空間，它以超凈空氣把芯片制造與外界的沾污隔離開來。級別級別0.10.1mm0.20.2mm0.30.3mm0.50.5mm5 5mm13.50107.703.001.00103.501027.50103.00101.00101007.501023.001021.0

16、010210001.001037.0010，0001.001047.0010100，0001.001057.00102沾污：沾污：半導體制造過程中引入半導體硅片的任何危害芯片成品率及電化學性能的的不希望有的物質(zhì)。污染污染：顆粒、金屬雜質(zhì)、有機物沾污、自然氧化層、靜電釋放（ESD）VLSI制造工藝分類：a)薄膜制作（Layer）b)刻?。≒attern）c)刻蝕（Etching）d)摻雜（Doping）制造廠中分類： 擴散（氧化、膜沉積和摻雜）、光刻、刻蝕、薄膜、離子注入和拋光擴散區(qū)：擴散區(qū)：進行高溫工藝及薄膜沉積的區(qū)域。主要設(shè)備包括高溫擴散爐和濕法清洗設(shè)備。完成包括氧化、擴散、沉積、退火等工藝

17、。光刻（Photolithography） 將電路圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋于硅片表面的光刻膠上。光刻膠（Photoresist） 一種光敏的化學物質(zhì)，它通過深紫外線曝光來印制掩膜版的圖像。光刻膠只對特定波長的光線敏感。 刻蝕（Etching） 在硅片上沒有mask保護的地方留下永久的圖形。刻蝕工具分為等離子體刻蝕機、等離子體去膠機和濕法清洗設(shè)備。等離子體刻蝕機 采用射頻（RF）能量在真空腔中離化氣體分子的一種工具。離子注入 將帶有要摻雜的雜質(zhì)氣體（如As，P，B）在注入機中離化，采用高電壓和磁場來控制并加速離子。薄膜生長 （Thin film deposition） 薄膜區(qū)主要負責生產(chǎn)各個步驟當中的介質(zhì)

18、層和金屬層的沉積。薄膜生長中所需溫度低于擴散區(qū)中的設(shè)備的工作溫度設(shè)備 CVD,PVD,SOG,RTP和濕法清洗設(shè)備氧化物掩膜技術(shù)氧化物掩膜技術(shù)是一種在熱生長的氧化層上通過刻印圖形和刻蝕達到對硅襯底進行摻雜的工藝技術(shù)。硅片上的氧化物可以通過熱生長或沉積的方法產(chǎn)生。熱生長氧化硅熱生長氧化硅（Thermal oxide）的產(chǎn)生于750-1100.氧化膜的用途氧化膜的用途保護器件免劃傷和隔離沾污限制帶電載流子場區(qū)隔離（表面鈍化）柵氧或儲存器單元結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)材料摻雜中的注入掩蔽金屬導電層間的介質(zhì)層半導體應(yīng)用半導體應(yīng)用典型的氧化物厚度典型的氧化物厚度 柵氧（0.18工藝）20-60電容器的電介質(zhì)5-100

19、摻雜掩蔽的氧化物400-1200STI隔離氧化物150LOCOS墊氧200-500場氧2500-15000干氧生長法Si(s) + O2(g) SiO2(s)濕氧氧化 Si(s) + 2H2O(水汽) SiO2(s) + 2H2(g)反應(yīng)速率快氧化層密度小氧化生長模式氧化生長模式干氧或濕氧工藝都要消耗硅，硅消耗占氧化物總厚度的0.46.在Si-SiO2的界面處，通過氧化物的氧化運動控制并限制氧化層的生長。氧化物生長發(fā)生在氧分子通過已生成的SiO2層運動進入硅片的過程，這種運動稱為擴散擴散。 氧化物生長速率氧化物生長速率影響參數(shù)：溫度、壓力、氧化方式、摻雜水平和硅的晶向生長速率越快，熱預(yù)算越少氧

20、化物生長模型（氧化物生長模型（DealDeal，GroveGrove）氧化物有2個生成階段： 線性階段: 反應(yīng)速率控制 （0-150） 拋物線階段: 氧擴散速率控制初級線性階段初級線性階段 X=(B/A)t氧化生長階段氧化生長階段X=(Bt)1/2選擇性氧化(LOCOS)和淺槽隔離(STI)VLSI生產(chǎn)是一個平面加工的過程，通過淀積工藝完成在硅片表面生長各種導電薄膜層和絕緣薄膜層。多層金屬化指用來連接硅片上高密度堆積器件的那些金屬層和絕緣介質(zhì)層。金屬層通過在絕緣層上開的通孔來連接。金屬層 材料(Al過渡到Cu)； 關(guān)鍵層與非關(guān)鍵層；介質(zhì)層 (Interlayer dielectric, ILD

21、) ILD充當2層導電金屬或相鄰金屬線條之間的隔離膜。通常采用介電常數(shù)3.9-4.0的SiO2薄膜的定義 指一種在襯底上生長的薄的層狀固體物質(zhì)。薄膜厚度的單位用埃（）。半導體制造中，這層膜可以是導體、絕緣體或者半導體。譬如，SiO2，Si3N4，Poly-Si和金屬。薄膜特性好的臺階覆蓋能力填充高的深寬比間隙的能力好的厚度均勻性高純度和高密度高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力對襯底材料或下層好的粘附性薄膜生長 晶核形成 聚集成束 形成連續(xù)膜膜淀積技術(shù)膜淀積技術(shù) 膜淀積方法可分為化學工藝和物理工藝?；瘜W氣相淀積（化學氣相淀積（Chemical Vapor Deposition，CVD） 通過氣體混合的

22、化學反應(yīng)在硅片表面淀積一層固體膜的工藝。CVDCVD的基本方面包括的基本方面包括產(chǎn)生化學變化，這可以通過化學反應(yīng)或高溫分解膜中所有的材料物質(zhì)都源于外部的源化學氣相淀積工藝中的反應(yīng)物必須以氣相形式參與反應(yīng)CVD反應(yīng)步驟： (1)氣體傳輸至淀積區(qū)域；（2）膜先驅(qū)物的形成；（3）膜先驅(qū)物附著在硅片表面；（4）膜先驅(qū)物粘附；（5）膜先驅(qū)物擴散；（6）表面反應(yīng)；（7）副產(chǎn)物從表面移除；（8）副產(chǎn)物從反應(yīng)腔移除CVD的分類常壓CVD減壓CVD低壓CVD（LPCVD）等離子體輔助減壓CVDCVD（1）（2）熱壁和冷壁大氣壓化學氣相沉積 (Atmospheric Pressure CVD,縮寫APCVD)優(yōu)點

23、與缺點 （a）設(shè)備產(chǎn)量高、均勻性優(yōu)、能制造大直徑硅片； （b）氣體消耗高、需經(jīng)常清潔反應(yīng)腔和傳送帶，薄膜臺階覆蓋能力差、間隙填充能力差低壓化學氣相沉積(Low Pressure CVD，縮寫LPCVD)系統(tǒng)LPCVD優(yōu)點 系統(tǒng)成本低、產(chǎn)量高、膜性能更好、臺階覆蓋能力和溝槽填充能力優(yōu)；等離子體增強CVD（PECVD）優(yōu)點與缺點 （1）低溫制程、高沉積速率、臺階覆蓋性好 （2）化學污染1）更低的工藝溫度2）更優(yōu)的間隙填充能力3）淀積的膜對硅片有優(yōu)良的粘附能力4）高的淀積速率5）少的針孔和空洞，因而有高的膜密度6）工藝溫度低，應(yīng)用范圍廣旋涂 （1）旋涂玻璃（SOG）通常有2種類型：有機物（基于硅氧烷

24、）和無機物（基于硅酸鹽） （2）旋涂絕緣介質(zhì)（SOD） 以HSQ為例的低K絕緣介質(zhì)膜（350-475）金屬化（金屬化（MetallizationMetallization） 芯片制造過程中在絕緣介質(zhì)薄膜上淀積金屬薄膜以及隨后刻印圖形以便行程互連金屬線和集成電路的孔填充塞的過程?；ミB電阻和寄生電容問題互連電阻和寄生電容問題互連詞匯互連詞匯 互連（Interconnect） 接觸（contact） 通孔（via） 層間介質(zhì)（ILD） 傳統(tǒng)金屬化與雙大馬士革法工藝（Dual Damascene）基于Al為金屬導電材料基于Cu為金屬導電材料Cu金屬化金屬材料的要求金屬材料的要求導電率粘附性淀積平坦化/

25、刻印圖形可靠性抗腐蝕性應(yīng)力集成電路制造業(yè)中所選擇的金屬集成電路制造業(yè)中所選擇的金屬 Poly-Si, Al, Cu, W, Ti, Ta, Mo, Pt鋁（鋁（Aluminum, AlAluminum, Al） 低電阻率(2.65um-cm),耐腐蝕，在Si和SiO2中擴散率低，價格相對Au和Ag便宜，Al2O3可以促進SiO2和Al之間的附著。Al能夠輕易淀積在硅片上，濕法刻蝕而不影響下層薄膜。歐姆接觸 為了在鋁和硅之間形成接觸，加熱界面是必須的.這一過程在450-500進行。這個 加熱烘烤過程也被稱為低溫退火或燒結(jié)。在硅上加熱烘烤鋁形成期望的電接觸界面，被稱為歐姆接觸歐姆接觸。電遷移 結(jié)穿

26、通銅（銅（Copper，Cu）電阻率的減小減少功耗更高的集成密度良好的抗電遷移性能更少的工藝步驟特性特性/ /工藝工藝鋁鋁銅銅電阻率（um-cm）2.651.678扛電遷徙低高空氣中抗侵蝕高低刻蝕工藝可以不可以化學機械平坦化工藝可以可以挑戰(zhàn)：(1)Cu很快擴散進氧化硅和硅(2)Cu無法應(yīng)用常規(guī)的等離子刻蝕工藝形成圖形(3)低溫空氣中很容易氧化，切不會形成保護層阻止進一步氧化阻擋層金屬（阻擋層金屬（Barrier MetalBarrier Metal） 阻擋金屬層是淀積金屬或金屬塞，作用是阻止層上下的材料互相混合。阻擋層金屬的特征阻擋層金屬的特征有很好的阻擋擴散特性高電導率具有很低的歐姆接觸電阻

27、在半導體和金屬之間有很好的附著抗電遷徙在很薄并且高溫下具有很好的穩(wěn)定性抗侵蝕和氧化通常用做阻擋層的金屬是一類具有高熔點組被認為難熔的金屬通常用做阻擋層的金屬是一類具有高熔點組被認為難熔的金屬 Ti，W，Ta，Mo，Co，Pt CuCu阻擋層金屬要求（阻擋層金屬要求（TaTa適合作為適合作為CuCu的阻擋層）的阻擋層）阻止銅擴散低薄膜電阻對介質(zhì)材料和銅都有很好的附著與化學機械平坦化過程兼容很好的臺階覆蓋、高深寬比間隙填充硅化物硅化物 難熔金屬與硅在一起發(fā)生反應(yīng)，熔合形成硅化物。硅化物是一種具有熱穩(wěn)定性的金屬化合物，并且在硅/難熔金屬的分界面具有低的電阻率。Ti和Co在Al互連技術(shù)中被廣泛用于接觸

28、的難熔金屬。自對準硅化物技術(shù) 可提供穩(wěn)定接觸結(jié)構(gòu)、減小源和漏區(qū)接觸電阻的工藝。金屬填充塞（W）金屬淀積系統(tǒng)金屬淀積系統(tǒng) 傳統(tǒng)金屬化工藝歸并到被稱為PVD一類：蒸發(fā)、濺射、MOCVD、銅電鍍蒸發(fā)蒸發(fā) 將待蒸發(fā)的材料放置進坩堝、在真空系統(tǒng)中加熱并使之蒸發(fā)這些過程組成。在蒸發(fā)器中通過保持高真空環(huán)境，蒸汽分子的平均自由程增加，并在真空腔里以直線形式運動，直到它撞到表面凝結(jié)形成薄膜。缺點缺點不能產(chǎn)生均勻的臺階覆蓋對淀積合金的限制 濺射（濺射（SputteringSputtering） 高能粒子撞擊具有高純度的靶材料固定平板，按物理過程撞擊出原子，這些被撞擊出的原子穿過真空，最后淀積在硅片上。濺射的優(yōu)點濺

29、射的優(yōu)點具有淀積并保持復雜合金原組分的能力能夠淀積高溫熔化和難熔金屬能夠在直徑為200mm或更大的硅片上控制淀積均勻薄膜具有多腔集成設(shè)備，能夠在淀積金屬前清除硅片表面沾污和本身的氧化層濺射基本步驟（1）在高真空腔等離子體中產(chǎn)生正Ar離子，并向具有負電勢的靶材加速（2）在加速過程中離子獲得動量并轟擊靶材（3）離子通過物理過程從靶材上撞擊（濺射）原子，靶具有想要的材料組分（4）被撞擊出（濺射）的原子遷移到硅片表面（5）被濺射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜（6）額外材料由真空泵抽走刻蝕（刻蝕（EtchEtch） 用化學或物理方法有選擇地去除淀積在硅片表面的不需要的材料的工藝過程?？涛g工藝分類刻蝕工藝分

30、類 干法刻蝕干法刻蝕: 把硅片表面曝露于氣態(tài)中產(chǎn)生的等離子體，等離子體通過光刻膠中開出的窗口，與硅片發(fā)生物理化學反應(yīng)，從而去掉曝露的表面材料。 濕法腐蝕濕法腐蝕：液體化學試劑以化學方式去除硅片表面的材料。 介質(zhì)刻蝕介質(zhì)刻蝕 硅刻蝕硅刻蝕 金屬刻蝕金屬刻蝕 有圖形刻蝕有圖形刻蝕 無圖形刻蝕無圖形刻蝕刻蝕參數(shù)刻蝕參數(shù)（1）刻蝕速率（2）刻蝕剖面（3）刻蝕偏差（4）選擇性（5）均勻性（6）聚合物刻蝕速率刻蝕速率 刻蝕速率與濃度和圖形大小的關(guān)系 刻蝕剖面（刻蝕剖面（Etching ProfileEtching Profile） 指被刻蝕圖形的側(cè)壁形狀。各向同性和各項異性刻蝕剖面。各向同性刻蝕各向同性刻

31、蝕 (Isotropic Etching) 指在所有方向上（橫向和垂直方向）以相同的刻蝕速率進行刻蝕，導致被刻蝕材料在淹沒下面產(chǎn)生鉆蝕而形成的。各項異性刻蝕各項異性刻蝕 (Anisotropic Etching) 刻蝕只在垂直于硅片表面的方向進行，只有很少的橫向刻蝕?？涛g偏差刻蝕偏差 指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸間距。 刻蝕偏差刻蝕偏差=W=Wb b-W-Wa a Wb=刻蝕前光刻膠的線寬 Wa=光刻膠去掉后被刻蝕的線寬橫向鉆蝕橫向鉆蝕 當刻蝕中要去除掩膜下過量的材料時，會引起被刻蝕材料的上表面向光刻膠邊緣凹進去，從而產(chǎn)生橫向鉆蝕。選擇比（選擇比（SelectivitySelectivity） 指

32、在同一刻蝕條件下一種材料與另一種材料相比刻蝕速率快很多，它定義為被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率的比 S = Ef/Er Ef = 被刻蝕材料的刻蝕速率 Er = 掩蔽層材料的刻蝕速率均勻性（均勻性（UniformityUniformity） 指的是一種衡量刻蝕工藝在整個硅片上，或整個一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。深寬比相關(guān)刻蝕（ARDE，負載效應(yīng)）。聚合物聚合物濕法刻蝕（濕法刻蝕（Wet EtchingWet Etching） 對于下層材料具有高的選擇比，對器件不會帶來等離子損傷，并且設(shè)備簡單便宜。浸泡和噴射方式刻蝕浸泡和噴射方式刻蝕參數(shù)參數(shù)說明說明控制難度控制難度濃度溶液濃度

33、（e.g., 腐蝕SiO2的溶液NH4F與HF的比）最難控制的參數(shù)，因為槽內(nèi)溶液濃度一直在變時間硅片浸在濕法化學腐蝕槽中的時間相對容易控制溫度濕法化學刻蝕槽中的溫度相對容易控制攪動溶液槽的攪動相對容易控制批數(shù)為減少顆粒并確保適當?shù)娜芤簭姸?，一定批次后必須更換溶液相對容易控制濕法刻蝕氧化硅濕法刻蝕氧化硅 HF或者NH4F+HF作為刻蝕溶液濕法刻蝕氮化硅濕法刻蝕氮化硅 通常用熱磷酸（H3PO4）在160左右進行反應(yīng)刻蝕濕法刻蝕硅（濕法刻蝕硅（HFHF，KOHKOH，EPWEPW） SiO2+6HF H2SiF6+2H2O 3Si+4HNO3+18HF 3H2SiF8+4NO+8H2O Si+H2O

34、+2KOH K2SiO4+2H2干法刻蝕（干法刻蝕（Dry Etching） 主要目的是完整的把掩膜圖形復制到硅片表面。優(yōu)點（優(yōu)點（AdvantagesAdvantages） （1）刻蝕剖面是各相異性，具有非常好的側(cè)壁剖面控制 （2）好的CD控制 （3）最小的光刻膠脫落或粘附問題 （4）好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性 （5）較低的化學制品使用和處理費用缺點（缺點（DrawbackDrawback） （1）對下層材料的差的刻蝕選擇比 （2）等離子體帶來的器件損傷 （3）昂貴的設(shè)備干法刻蝕原理干法刻蝕原理 干法刻蝕系統(tǒng)中，刻蝕作用通常是化學作用或物理作用，或者是化學和物理的共同作用來實現(xiàn)的?；?/p>

35、學干法等離子體刻蝕和物理干法等離子體刻蝕化學干法等離子體刻蝕和物理干法等離子體刻蝕刻蝕參數(shù)刻蝕參數(shù)物理刻蝕物理刻蝕（RFRF電場垂直電場垂直與與SiSi片表面）片表面）物理刻蝕物理刻蝕（RFRF電場平行與電場平行與SiSi片表面）片表面）化學刻蝕化學刻蝕物理和化學刻蝕物理和化學刻蝕刻蝕機理物理離子濺射等離子中的活性基與硅片表面反應(yīng)液體中的活性基與硅片表面反應(yīng)在干法刻蝕中，刻蝕包括離子濺射和火星元素與硅片表面的反應(yīng)側(cè)壁剖面各向異性各向同性各向同性各向同性至各向異性選擇比差/難以提高（1：1）一般/好（5：1至100：1）高、很高（高于500：1）一般/高（5：1至100：1）刻蝕速率快適中慢適中

36、線寬控制一般/好差非常差好/非常好摻雜（摻雜（Doping） 指把雜質(zhì)引入半導體材料的晶體結(jié)構(gòu)中，以改變它的電學性能的一種方法。常用的雜質(zhì)元素有：硼、磷、砷、銻摻雜方式摻雜方式 熱擴散和離子注入擴散擴散(Diffusion) 擴散是利用高溫驅(qū)動雜質(zhì)穿過硅的晶格結(jié)構(gòu)，這種方法受到時間和溫度的影響擴散原理擴散原理 硅中固態(tài)雜質(zhì)的擴散需要三個步驟：預(yù)淀積、推進、激活預(yù)淀積預(yù)淀積(Pre-deposition) 硅片被送入高溫擴散爐中，雜質(zhì)原子從源轉(zhuǎn)移到擴散爐內(nèi)。雜質(zhì)僅進入了硅片中很薄的一層，且其表面濃度恒定。 C(x,t) = Cserfc(x/2(Dt)1/2)推進推進(Drive-in) 用以使

37、淀積的雜質(zhì)穿過硅晶體，在硅片中形成期望的結(jié)深。高溫環(huán)境下形成的氧化物會引起雜質(zhì)濃度的再分布。激活激活(Activation） 繼續(xù)升高溫度，使雜質(zhì)原子與晶格中的硅原子鍵合。這個過程激活了雜質(zhì)原子，改變了硅的電導率。雜質(zhì)移動雜質(zhì)移動 每一種雜質(zhì)在硅中都有一定的擴散率，擴散率表示雜質(zhì)在硅片中的移動速度，在硅片中，雜質(zhì)原子的擴散有2種機制：間隙式和替代式。擴散工藝擴散工藝 (1) 進行質(zhì)量測試以保證工具滿足生產(chǎn)質(zhì)量標準 （2）使用批控制系統(tǒng)，驗證硅片的特性 （3）下載包含所需擴散參數(shù)的工藝菜單 （4）開啟擴散爐，包括溫度分布 （5）清洗硅片并浸泡HF，去除自然氧化層 （6）預(yù)淀積：把硅片裝入擴散爐，

38、擴散雜質(zhì) （7）推進：升高爐溫，推進并激活雜質(zhì)，然后撤出硅片 (8) 測量、評價、記錄結(jié)深和電阻離子注入（離子注入（ImplantationImplantation） 離子注入是通過高壓高能離子轟擊把雜質(zhì)引入硅片。雜質(zhì)通過與硅片發(fā)生原子級的高能碰撞，才能被注入。雜質(zhì)的濃度和深度的可控性和重復性是離子注入的最大優(yōu)點。離子注入是一個物理過程，即不發(fā)生化學反應(yīng)。在0.25um工藝以下的注入過程有2個主要目標：（1）向硅片中引入均勻?？煽刂茢?shù)量的特定雜質(zhì)；（2）把雜質(zhì)放入在希望的深度。2.7 摻雜（6）優(yōu)點優(yōu)點描述描述精確控制雜質(zhì)含量能在很大范圍內(nèi)精確控制注入雜質(zhì)濃度(1010-1017ions/cm

39、2)。誤差在2%之間。很好的雜質(zhì)均勻性用掃描的方法控制雜質(zhì)的均勻性對雜質(zhì)穿透深度有很好的控制通過控制注入過程中離子能量控制雜質(zhì)的穿透深度，增大了設(shè)計的靈活性，如埋層，最大雜質(zhì)濃度在埋層里，最小濃度在硅片表面產(chǎn)生單一離子束質(zhì)量分離技術(shù)產(chǎn)生沒有沾污的純離子束，不同的雜質(zhì)能夠被選出進行注入。高真空保證最少沾污。低溫工藝注入在中等溫度(小于125)下進行，允許使用不同的光刻掩膜，包括光刻膠。注入的離子能穿過薄膜雜質(zhì)可以通過薄膜注入，如氧化物或氮化物。這就允許MOS晶體管閾值電壓調(diào)整在生長柵氧化層之后進行。增大了注入的靈活性無固溶度極限注入雜質(zhì)含量不受硅片固溶度的限制離子注入?yún)?shù)：劑量劑量和射程射程劑量

40、：單位面積硅片表面注入的離子數(shù)，單位是原子(or離子)每平方厘米。 Q=It/enA 其中，Q=劑量 I=束流，單位是庫侖每秒(安培) t=注入時間，單位是秒 e=電子電荷，等于1.610-19庫侖 n=離子電荷(比如B+等于1) A=注入面積，單位是cm2射程射程：指的是離子注入過程中，離子穿入硅片的距離。離子是運動的，所以他們的能量是動能(KE),常用單位是焦耳。然而，離子注入中的能量一般用電子電荷與電勢差的乘積，即電子伏特(eV)來表示。 KE = nV 其中，KE=能量，單位是是電子伏特（eV） n=離子的電荷狀態(tài) V=電勢差，單位是伏特諸如及的能量越高，意味著雜質(zhì)原子能穿入硅片越深，

41、射程越大。投影射程Rp 指注入離子在硅片中的穿行的距離，取決于離子質(zhì)量和能量、靶的質(zhì)量和離子束相對于硅片晶體結(jié)構(gòu)的方向。注入硅片的雜質(zhì)原子穿行的距離呈現(xiàn)一定的分布，即偏差Rp。Rp表示可以形成多深的結(jié)，而Rp表示被注入元素在Rp附近的分布電子阻礙和核阻礙電子阻礙和核阻礙 注入離子在穿行硅片的過程中與硅原子發(fā)生碰撞，導致能量損失，并最終停止在某一深度。兩個主要能量損失機制：電子阻礙和核阻礙。電子阻礙電子阻礙 雜質(zhì)原子與靶材料的電子發(fā)生反應(yīng)造成的，此過程與厚介質(zhì)阻礙彈射類似。核阻礙核阻礙 由于雜質(zhì)原子與硅原子發(fā)生碰撞，造成硅原子的移位，這個過程可以形象化為2個硬球之間的碰撞退火（退火（Anneal

42、Anneal） 離子注入會將原子撞擊出晶格結(jié)構(gòu)而損傷硅片晶格。另外，被注入離子基本不占據(jù)硅的晶格點，而是停留在晶格間隙位置。高溫退火能夠加熱被注入硅片，修復晶格缺陷；還能使雜質(zhì)原子移動到晶格點，將其激活。雜質(zhì)的激活與時間和溫度有關(guān)。退火有退火有2 2種基本方法：高溫爐退化和快速退火（種基本方法：高溫爐退化和快速退火（RTARTA）光刻（光刻（LithographyLithography） 光刻指使用光敏光刻膠材料和可控制的曝光將三維圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的任一復制過程。光刻的本質(zhì)是把臨時電路結(jié)構(gòu)復制到以后要進行刻蝕或離子注入的硅片上，這些結(jié)構(gòu)首先以圖形形式制作在掩膜版的石英模版上，紫外光透過掩膜版

43、把圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的光敏薄膜上。轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻圖形的形狀完全取決于硅片層面的構(gòu)成。圖形可能是硅片上的半導體器件、隔離槽、接觸孔、金屬互連線以及互連金屬層的通孔。光刻掩膜版（光刻掩膜版（PhotomaskPhotomask） 它是一塊石英版，包含了對于整個硅片來說確定一工藝層所需的完整管芯陣列。光譜光譜 能量要滿足激活光刻膠并將圖形從掩膜版中轉(zhuǎn)移過來的要求。光刻包括2種基本的工藝類型：負性光刻和正性光刻負性光刻負性光刻 基本特征：當曝光后，光刻膠會因為交聯(lián)而變得不可溶解，并會硬化。一旦硬化，交聯(lián)的光刻膠就不能在溶劑中被洗掉。因為光刻膠上的圖形與掩膜版上的圖形相反，所以這種光刻膠被稱為負性

44、光刻膠。正性光刻正性光刻 在正性光刻工藝中，復制到硅片表面上的圖形與掩膜版上的一樣。被紫外線曝光后的區(qū)域經(jīng)歷看一種光化學反應(yīng)，在顯影液中軟化并可溶解在其中。用這種方法，曝光的正性光刻膠區(qū)域?qū)⒃陲@影液中被除去，而不透明的掩膜版下的沒有被曝光的光刻膠仍然保留在硅片上。光刻工藝的8個基本步驟(1)氣相成膜(2)旋轉(zhuǎn)涂膠(3)軟烘(4)對準和光刻(5)曝光后烘培(6)顯影(7)堅膜烘培(8)顯影檢查步驟步驟1 1：氣相成底膜處理：氣相成底膜處理 光刻的第一步是清洗、脫水和硅片表面成底膜處理，這些步驟的目的是增強硅片和光刻膠之間的粘附性。脫水烘培后硅片立即要用六甲基二硅胺烷(HMDS)進行成膜處理。步驟

45、步驟2 2：旋轉(zhuǎn)涂膠：旋轉(zhuǎn)涂膠 硅片固定在真空載片臺上，將一定容量的液體光刻膠滴在硅片上，然后硅片旋轉(zhuǎn)得到一層均勻的光刻膠涂層。步驟步驟3 3：軟烘：軟烘 光刻膠被涂到硅片表面后必須要經(jīng)過軟烘，軟烘的目的是去除光刻膠中的溶劑。軟烘提高了粘附性，提高了硅片上光刻膠的均勻性。典型的軟烘條件是在熱板上90-100烘30秒。步驟步驟4 4：對準和曝光：對準和曝光 掩膜版與涂了膠的硅片上的正確位置對準。然后將掩膜版與硅片曝光，把掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上。光能激活了光刻膠中的光敏成分步驟5：曝光后烘培（Optional） 對DUV光刻膠在100-110的熱板上進行曝光后烘培是必要的。步驟6：顯影 顯影

46、是在硅片表面光刻膠中產(chǎn)生圖形的關(guān)鍵步驟。光刻膠上可溶解區(qū)域被化學顯影劑溶解，將可見的島或者圖形留在硅片表面。步驟7：堅膜烘培 顯影后的熱烘培指的就是堅膜烘培。烘培要求揮發(fā)掉存留的光刻膠溶劑，提高光刻膠對硅片表面的粘附性。正膠的堅膜烘培溫度約為120-140。步驟8：顯影后檢查 光刻膠在硅片上形成圖形后就要進行檢查以確定光刻膠圖形的質(zhì)量。檢查的目的有2個：(1)找出光刻膠有質(zhì)量問題的硅片；(2)描述光刻膠工藝性能以滿足規(guī)范要求氣相成底膜處理 1）硅片清洗 2）脫水烘培(盡快涂膠or室內(nèi)相對濕度50%) 3）硅片成底膜（六甲基胺烷，HMDS） 浸泡、噴霧、氣相方法在涂抹 旋轉(zhuǎn)涂膠1）分滴：當硅片靜

47、止或旋轉(zhuǎn)的非常緩慢時，光刻膠分滴在硅片上。2）旋轉(zhuǎn)鋪開：快速加速硅片的旋轉(zhuǎn)到一高速的轉(zhuǎn)速使光刻膠伸展到整個硅片表面。3）旋轉(zhuǎn)甩膠：甩去多余的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層.4）溶劑揮發(fā)：以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)已涂膠的硅片，直至溶劑揮發(fā)，光刻膠膠膜幾乎干燥。旋轉(zhuǎn)涂膠參數(shù) 靜止滴膠后，硅片首先低速旋轉(zhuǎn)，使光刻膠均勻鋪開，一旦光刻膠到達硅片邊緣，轉(zhuǎn)速被加速到設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速度。動態(tài)滴膠是在硅片慢速旋轉(zhuǎn)時滴膠，然后加速到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，這是為了均勻地覆蓋硅片。光刻膠甩膠厚度與光刻膠的粘稠度和甩膠轉(zhuǎn)速有關(guān)：光刻膠厚度1/(RPM)1/2軟烘（Soft Bake） 在硅片上旋轉(zhuǎn)涂布光刻膠后，硅片要經(jīng)過一個

48、稱為軟烘（也叫前烘）的高溫步驟，原因有：1）將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑去除；2）增強光刻膠的粘附性以便在顯影時光刻膠可以很好地粘附；3）緩和在旋轉(zhuǎn)過程中光刻膠膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力；4）防止光刻膠沾到設(shè)備上。軟烘溫度85-120軟烘時間30-60秒曝光后烘培（PEB） 為了促進關(guān)鍵光刻膠的化學反應(yīng)，對CA DUV光刻膠進行后烘培是必須的。對于常規(guī)的I線膠，進行后烘培的目的是提高光刻膠的粘附性并減少駐波。顯影（顯影（DevelopingDeveloping） 用化學顯影液溶解由曝光造成的光刻膠的溶可解區(qū)域就是光刻膠顯影，目的是把掩膜版圖形準確復制到光刻膠中。負膠（負膠（Negative Photores

49、istNegative Photoresist） 負膠通過紫外線曝光發(fā)生交聯(lián)(crosslink)或變硬，使曝光的光刻膠變得在顯影液中不可溶解。正膠（正膠（Positive PhotoresistPositive Photoresist） 正膠顯影液包含顯影液和光刻膠之間的化學反應(yīng)，從而溶解已曝光的光刻膠。顯影方法顯影方法 (1) 連續(xù)噴霧顯影(continuous spray) (2) 旋覆浸沒顯影(puddle)堅膜（堅膜（Hard BakeHard Bake） 顯影后的熱烘培稱為堅膜烘培，目的是蒸發(fā)掉剩余的溶劑使光刻膠變硬。此處理提高了光刻膠對硅襯底的粘附性，為下一步的工藝加工做好準備，

50、如提高光刻膠抗刻蝕能力。堅膜也除去了剩余的顯影液和水。堅膜溫度堅膜溫度 堅膜溫度可以達到溶劑沸點，以有效蒸發(fā)掉溶劑實現(xiàn)最大的光刻膠增密。通常的堅膜溫度對于正膠是130度，對于負膠是150。CMOS反向器制作步驟（反向器制作步驟（nMOS和和pMOS組成）組成）(8)局部互連工藝(9)通孔1和金屬塞1的形成(10)金屬1互連的形成(11)通孔2和金屬塞2的形成(12)金屬2互連的行程(13)制作金屬3直到制作壓點及合金(14)參數(shù)測試(1)雙阱工藝(2)淺槽隔離工藝(3)多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝(4)輕摻雜注入工藝（LDD）(5)側(cè)墻的形成(6)源/漏(S/D)注入工藝(7)接觸孔的形成雙雙阱阱工藝（工

51、藝（n n阱的形成）阱的形成） （1）外延生長；（2）原氧化生長；（3）第一層掩膜，n阱注入；（4）n阱注入（高能）；（5）退火。雙雙阱阱工藝（工藝（p阱的形成）阱的形成） （1）第二層掩膜，p阱注入；（4）n阱注入（高能）；（5）退火。淺槽隔離工藝（淺槽隔離工藝（STISTI）(1) STI槽刻蝕(隔離氧化 氮化物淀積 第三層掩膜，淺槽隔離 STI槽刻蝕)(2) STI氧化物填充(溝槽襯墊氧化硅溝槽CVD氧化物填充 )(3) STI氧化層拋光-氮化物去除(溝槽氧化物拋光氮化物去除)多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝（1）柵氧化層的生長（2）多晶硅淀積（3）第四層掩膜，多晶硅柵（4）多晶硅柵刻蝕輕摻雜漏注入工藝

52、輕摻雜漏注入工藝(1) n-輕摻雜注入(第五層掩膜，n-LDD注入 n-LDD注入(低能量，淺結(jié))(2) p-輕摻雜注入(第六層掩膜，p-LDD注入 p-LDD注入(低能量，淺結(jié))側(cè)墻的形成（淀積SiO2 SiO2反刻）源/漏注入工藝(第七層掩膜，n+源漏注入n+源漏注入(中等能量) (第八層掩膜，p+源漏注入p+源漏注入(中等能量)接觸孔的形成(鈦的淀積退火刻蝕金屬鈦)局部互連工藝1(SiNx CVD 摻雜氧化物的CVD CMP 第九層掩膜，局部互連刻蝕)局部互連工藝2(金屬鈦PVD TiN淀積W淀積 磨拋W)通孔1的形成(第一層層間介質(zhì)氧化物淀積(CVD) 氧化物拋光第十層掩膜，第一層層間

53、介質(zhì)刻蝕)鎢塞1的形成(金屬淀積鈦阻擋層(PVD) 淀積氮化鈦(CVD)淀積鎢(CVD) 磨拋W)第一層金屬互連形成(金屬阻擋層淀積淀積鋁銅合金(PVD) 淀積TiN(PVD) 第十一層掩膜，金屬刻蝕)集成電路的分類ASICSiGaAs雙極性雙極性ECLECL/CMLTTLTTLI I2 2L LMOSNMOSCMOSPMOSMNOSMOS器件中，柵-源兩極通常作為輸入端，其直流輸入電阻就是柵介質(zhì)SiO2的絕緣電阻，因而阻值高；柵氧化層厚度 越厚 ，質(zhì)量越好，絕緣電阻越高；高輸入阻抗的特性：靜態(tài)負載能力強；柵極漏電流很?。欢x 柵-源擊穿電壓指的是柵源之間能夠承受的最高電壓，超過該電壓，柵氧化

54、層就要發(fā)生破壞性擊穿。 實際中，因SiO2存在各種各樣缺陷和污染，其最大耐壓降低，尤其是由于MOS器件電容結(jié)構(gòu)和柵介質(zhì)SiO2有很高的絕緣性能，很小的電量就能產(chǎn)生很高的電壓，從而擊穿柵介質(zhì)。輸入保護PadRVddVssGSD定義 在MOS管工作在飽和區(qū)時，當Vds高于某一電壓值后，漏極的耗盡層會延伸到源極，而使電流流動與柵極電壓無關(guān)，即使柵極電壓=0，也有電流流動，這種情況稱為漏-源擊穿效應(yīng)。應(yīng)用 用于I/O保護電路中，以限制內(nèi)部電路節(jié)點的電壓。CMOS電路功耗的主要構(gòu)成：電路功耗的主要構(gòu)成： 靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗：由反向漏電流或持續(xù)從電源供電器流出的電流引起的功耗；動態(tài)功耗：動態(tài)功耗：由CMOS開關(guān)的瞬態(tài)電流和負載電容的充放電引起的功耗；靜態(tài)功耗產(chǎn)生的原因靜態(tài)功耗產(chǎn)生的原因 實際中，漏(D)-源極(S)的擴散區(qū)和P阱或N阱形成的PN結(jié)產(chǎn)生了寄生的二極管，因而存在漏電流，靜態(tài)功耗為漏電流所引起。漏電流求解漏電流求解 其中Is為反向飽和電流靜態(tài)功耗求解靜態(tài)功耗求解( (漏電流和供電電壓的乘積漏電流和供電電壓的乘積) ) 輸入波形為理想的階躍波形輸入波形為理想的階躍波形假設(shè)輸入波形為階躍的脈沖波形，其上升和下降時間遠小