微電子與集成電路設(shè)計(jì)2

外延生長(zhǎng)氧化摻雜淀積刻蝕光刻鈍化1了解每一步工藝對(duì)器件性能的影響集成電路的制造過程：前道工序和后道工序前道工序：原始晶片到中測(cè)，包括：圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)（光刻、刻蝕等）薄膜制備技術(shù)（外延、氧化、淀積等）摻雜技術(shù)（擴(kuò)散和離子注入）后道工序：中測(cè)到出廠2023/2/12340.5-0.8mm50-300mm(2’’-12’’)初始摻雜~1015cm-35半導(dǎo)體工藝流程中的基片是拋光過的晶圓基片，直徑在50到300mm(2-12英寸)之間，厚度約幾百微米。盡管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上，但大多數(shù)器件和IC都做在經(jīng)過外延生長(zhǎng)的襯底上。原因是未外延過的基片性能常常不能滿足要求。外延的目的是用同質(zhì)材料形成具有不同的摻雜種類及濃度，因而具有不同性能的晶體層。外延也是制作不同材料系統(tǒng)的技術(shù)之一。外延生長(zhǎng)后的襯底適合于制作有各種要求的器件與IC，且可進(jìn)行進(jìn)一步處理。不同的外延工藝可制出不同的材料系統(tǒng)。n-typeSiSiCl4orSiH4GaswithImpuritiesp-typeSiEpiLayer67SiSiO2SiO20.44tox89良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性可作：MOS管的柵氧化層、器件的保護(hù)層、絕緣材料、電容器的介質(zhì)等對(duì)某些雜質(zhì)起屏蔽作用可作：選擇性擴(kuò)散掩蔽層2023/2/110除了作為柵的絕緣材料外，二氧化硅在很多制造工序中可以作為保護(hù)層。在器件之間的區(qū)域，也可以生成一層稱為“場(chǎng)氧”（FOX）的厚SiO2層，使后面的工序可以在其上制作互連線。2023/2/111在襯底材料上摻入五價(jià)磷或三價(jià)硼，以改變半導(dǎo)體材料的電性能。摻雜過程是由硅的表面向體內(nèi)作用的。目前，有兩種摻雜方式：擴(kuò)散和離子注入。12擴(kuò)散爐與氧化爐基本相同，只是將要摻入的雜質(zhì)如P或B的源放入爐管內(nèi)。擴(kuò)散分為兩步：STEP1預(yù)淀積：將濃度很高的一種雜質(zhì)元素P或B淀積在硅片表面。STEP2推進(jìn)：在高溫、高壓下，使硅片表面的雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)部。只要控制預(yù)淀積后硅片表面淺層的P原子濃度、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間等三個(gè)因素就可以決定擴(kuò)散深度及濃度。1314FixedIonsDopantIonfromanacceleratorFinalImplantedIonLocation15Rp：平均濃度p：穿透深度的標(biāo)準(zhǔn)差Nmax=0.4NT/pNT：?jiǎn)挝幻娣e注入的離子數(shù)，即離子注入劑量離子注入的分布有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1．離子注入的分布曲線形狀（Rp，бp），只與離子的初始能量E0有關(guān)。并雜質(zhì)濃度最大的地方不是在硅的表面，X＝0處，而是在X＝Rp處。2．離子注入最大值Nmax與注入劑量NT有關(guān)。

E0與NT都是可以控制的參數(shù)。因此，離子注入方法可以精確地控制摻雜區(qū)域的濃度及深度。16淀積工藝主要用于在硅片表面上淀積一層材料，如金屬鋁、多晶硅及磷硅玻璃PSG等。1、金屬化工藝淀積鋁也稱為金屬化工藝，它是在真空設(shè)備中進(jìn)行的。在硅片的表面形成一層鋁膜。2、淀積多晶硅淀積多晶硅一般采用化學(xué)汽相淀積（LPCVD）的方法。利用化學(xué)反應(yīng)在硅片上生長(zhǎng)多晶硅薄膜。適當(dāng)控制壓力、溫度并引入反應(yīng)的蒸汽，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間，便可在硅表面淀積一層高純度的多晶硅。3、淀積PGS與淀積多晶硅相似，只是用不同的化學(xué)反應(yīng)過程。1718MaskLayerLayertobeetchedApplyEtchabc被刻蝕的有：抗蝕劑、半導(dǎo)體、絕緣體、金屬等。2023/2/119掩膜制造從物理上講，任何半導(dǎo)體器件及IC都是一系列互相聯(lián)系的基本單元的組合，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體及在基片上不同層上形成的不同尺寸的隔離材料等。要制作出這些結(jié)構(gòu)需要一套掩膜。一個(gè)光學(xué)掩膜通常是一塊涂著特定圖案鉻薄層的石英玻璃片，一層掩膜對(duì)應(yīng)一塊IC的一個(gè)工藝層。工藝流程中需要的一套掩膜必須在工藝流程開始之前制作出來。制作這套掩膜的數(shù)據(jù)來自電路設(shè)計(jì)工程師給出的版圖。2023/2/1200.18μm

process

Structure2023/2/121掩膜是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片，表面上涂一層600~800nm厚的Cr層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板。2023/2/122在IC的制造過程中，光刻是多次應(yīng)用的重要工序。其作用是把掩膜上的圖型轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)構(gòu)。光刻工藝是完成在整個(gè)硅片上進(jìn)行開窗的工作。到目前為止所討論的各基本半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，除淀積外都只在硅片上被選中的局部面積上進(jìn)行．它們的選取是由光刻工藝來實(shí)現(xiàn)的．光刻指的是將掩模版或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中存放的圖像復(fù)制到硅片上的整個(gè)過程．光刻次數(shù)越多，表示工藝越復(fù)雜光刻所能加工的線條越細(xì)，表示工藝水平越高23光刻類似于照相。3個(gè)主要步驟：曝光、顯影、刻蝕3種設(shè)備和器材：光刻膠、掩模版和光刻機(jī)

掩膜版和光刻膠：光刻膠：正膠和負(fù)膠24光刻過程如下：1．涂光刻膠2．掩膜對(duì)準(zhǔn)3．曝光4．顯影5．刻蝕：采用干法刻蝕（EryEatching）6．去膠：化學(xué)方法及干法去膠

(1)丙酮中，然后用無水乙醇(2)發(fā)煙硝酸(3)等離子體的干法刻蝕技術(shù)252023/2/12627StartwithaSiliconWafer28DepositaLayerofSiliconDioxide29A“Mask”LayerWewanttocreatethispatternonthesiliconwafer30SpinaPhotoresistLayer（光刻膠）31涂膠UniformUVLightIllumination32UniformUVLightIllumination33曝光UniformUVLightIlluminationpositivePhotoresist（正性光刻膠）光照后形成可溶物質(zhì)3435顯影Nextwedevelopthephotoresist36刻蝕Thenweremovethephotoresist37去膠Next,wewanttoimplantthedopant

ions38UniformImplantationofdopant

ions3940UniformImplantationofdopant

ionsDiffusionatHighTemperatures41RemoveSiliconDioxide4243StartwithaSiliconWafer444546474849Developthepattern50AfterEtching51RemovethePhotoresistWehaveapolysiliconregion52在集成電路制作好以后，為了防止外部雜質(zhì)，如潮氣、腐蝕性氣體、灰塵侵入硅片，通常在硅片表面加上一層保護(hù)膜，稱為鈍化。目前，廣泛采用的是氮化硅做保護(hù)膜。53第4章集成電路器件工藝CMOS是將NMOS器件和PMOS器件同時(shí)制作在同一硅襯底上。三種以硅為襯底的制造CMOS

IC的基本方法：1）N阱硅柵CMOS工藝；2）P阱硅柵CMOS工藝；3）雙阱硅柵CMOS工藝。1970年前，標(biāo)準(zhǔn)的MOS工藝是鋁柵P溝道2023/2/160制造源、漏極與制造柵極采用兩次掩膜步驟不容易對(duì)齊。這好比彩色印刷中，各種顏色套印一樣，不容易對(duì)齊。若對(duì)不齊，彩色圖象就很難看。在MOS工藝中，不對(duì)齊的問題，不是圖案難看的問題，也不僅僅是所構(gòu)造的晶體管尺寸有誤差、參數(shù)有誤差的問題，而是可能引起溝道中斷，無法形成溝道，無法做好晶體管的問題。2023/2/161柵極做得長(zhǎng)，同S、D重疊一部分2023/2/162將兩次MASK步驟合為一次。讓D，S和G三個(gè)區(qū)域一次成形。這種方法被稱為自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。2023/2/1631970年，出現(xiàn)了硅柵工藝(采用了自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)）。多晶硅Polysilicon，原是絕緣體，經(jīng)過重?cái)U(kuò)散，增加了載流子，可以變?yōu)閷?dǎo)體，用作電極和電極引線。在硅柵工藝中，S，D，G是一次掩膜步驟形成的。先利用光阻膠保護(hù)，刻出柵極，再以多晶硅為掩膜，刻出S，D區(qū)域。那時(shí)的多晶硅還是絕緣體，或非良導(dǎo)體。經(jīng)過擴(kuò)散，雜質(zhì)不僅進(jìn)入硅中，形成了S和D，還進(jìn)入多晶硅，使它成為導(dǎo)電的柵極和柵極引線。2023/2/1642023/2/165自對(duì)準(zhǔn)的，它無需重疊設(shè)計(jì)，減小了電容，提高了速度。無需重疊設(shè)計(jì)，減小了柵極尺寸，漏、源極尺寸也可以減小，即減小了晶體管尺寸，提高了速度，增加了集成度。增加了電路的可靠性。2023/2/1661、硅片制備

在晶體生長(zhǎng)過程中，摻入n型或p型雜質(zhì)以形成n或p型材料，晶片又叫作襯底，它是生產(chǎn)過程所要求的初始材料．大多數(shù)襯底摻雜的濃度約為1015雜質(zhì)原子／cm3．如果是n型襯底，對(duì)應(yīng)的電阻率約為3-5Ω·cm，如果是p型襯底，電阻率約為14-16Ω·cm．2、前部工序制版：圖形的縮小和重復(fù)具體步驟如下：1．生長(zhǎng)二氧化硅：2．P阱光刻：涂膠、掩膜對(duì)準(zhǔn)、曝光、顯影、刻蝕3．去膠4．摻雜：摻入B元素光刻用掩膜1：P阱1、淀積氮化硅2、光刻有源區(qū)3、場(chǎng)區(qū)氧化4、去除有源區(qū)氮化硅及二氧化硅5、生長(zhǎng)柵氧6、淀積多晶硅光刻用掩膜2：有源區(qū)光刻用掩膜3：多晶硅1、P+區(qū)光刻2、離子注入硼+，柵區(qū)有多晶硅做掩蔽，稱為硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝。3、去膠光刻用掩膜4：P+區(qū)1、N+區(qū)光刻2、離子注入磷+3、去膠光刻用掩膜5：N+區(qū)光刻用掩膜6：接觸孔1、淀積鋁2、光刻鋁光刻用掩膜7：鋁引線光刻用掩膜8：鈍化孔各個(gè)器件在電學(xué)上相互隔離用接觸孔和互連材料將各個(gè)獨(dú)立的器