集成电路制造工艺ppt课件

集成电路制造工艺集成电路制造工艺集成电路的发展历史集成电路的发展历史集成电路集成电路 Integrated CircuitIntegrated Circuit，缩写，缩写ICIC通过一系列特定的通过一系列特定的加工工艺加工工艺，将将晶体管、二极管等晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路器件，按照一定的电路互连，互连，“集成集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能集成电路的发展历史集成电路 Integrated Circ集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路1.19001.1900年普朗克发表了著名的年普朗克发表了著名的量子论量子论 揭开了现代物理学的新纪元，并深深揭开了现代物理学的新纪元，并深深地地 影响了影响了2020世纪人类社会的发展。世纪人类社会的发展。2.2.之后的之后的2 2，3030年时间里，包括爱因斯坦年时间里，包括爱因斯坦 在内的一大批物理学家逐步完善了量子理在内的一大批物理学家逐步完善了量子理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论基础论基础历史的回顾1.1900年普朗克发表了著名的量子论2.之后的2，3019471947年圣诞前夕，贝尔实验年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家室的科学家肖克利肖克利(William(William Shockley)Shockley)和他的两助手和他的两助手布拉布拉顿顿(Water Brattain(Water Brattain、巴丁巴丁（John bardeen)John bardeen)在贝尔实验在贝尔实验室工作时发明了世界上第一室工作时发明了世界上第一个点接触型晶体管个点接触型晶体管由于三人的杰出贡献，他们分享了由于三人的杰出贡献，他们分享了19561956年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖世界上第一个点接触型晶体管世界上第一个点接触型晶体管1947年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家肖克利(William锗多晶材料制备的点接触晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管集成电路的发明杰克-基尔比 1959年集成电路的发明杰克-基尔比 1959年19591959年第一块集成电路：年第一块集成电路：TITI公司的公司的KilbyKilby，1212个器件，个器件，GeGe晶片晶片1959年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（2000200020002000年）得主，年）得主，年）得主，年）得主，KilbyKilbyKilbyKilby博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课，博士来复旦给师生讲课，2001200120012001年年年年5 5 5 5月月月月集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（2000年）得主，集成电路制造工艺ppt课件集成电路制造工艺ppt课件集成电路制造工艺ppt课件从此从此ICIC经历了：经历了：SSISSIMSIMSILSILSI现已进入到：现已进入到：VLSIVLSIULSIULSIGSIGSI集成电路的发展集成电路的发展从此IC经历了：集成电路的发展 小规模集成电路小规模集成电路(Small Scale IC(Small Scale IC，SSI)SSI)中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale IC(Medium Scale IC，MSI)MSI)大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale IC(Large Scale IC，LSI)LSI)超大规模集成电路超大规模集成电路(Very Large Scale IC(Very Large Scale IC，VLSIVLSI)特大规模集成电路特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC(Ultra Large Scale IC，ULSI)ULSI)巨大规模集成电路巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC(Gigantic Scale IC，GSIGSI）VLSIVLSI使用最频繁，其含义往往包括了使用最频繁，其含义往往包括了ULSIULSI和和GSIGSI。中文中。中文中把把VLSIVLSI译为超大规模集成，更是包含了译为超大规模集成，更是包含了ULSIULSI和和GSIGSI的意义。的意义。小规模集成电路(Small Scale IC，SSCMOSCMOS工艺特征尺寸发展进程工艺特征尺寸发展进程 年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0m0.6m0.25m0.18m水平标志微米（M）亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（UDSM）0.80.35m0.80.35m称为亚微米，称为亚微米，0.25m0.25m及其以下称为深亚微米及其以下称为深亚微米 ，0.18 m0.18 m以下为超深亚微米，以下为超深亚微米，0.05m0.05m及其以下称为纳米级及其以下称为纳米级 Ultra Deep Sub Micron，UDSM CMOS工艺特征尺寸发展进程 年份1989年1993年199集成电路发展的特点集成电路发展的特点特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小布线层数布线层数/I/0/I/0引脚越来越多引脚越来越多硅圆片尺寸越来越大硅圆片尺寸越来越大芯片集成度越来越大芯片集成度越来越大时钟速度越来越高时钟速度越来越高电源电压电源电压/单位功耗越来越低单位功耗越来越低集成电路发展的特点布线层数/I/0引脚越来越多硅圆片尺寸越来摩尔定律摩尔定律 一个有关集成电路发展趋势的著名预一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该预言直至今日依然准确。言，该预言直至今日依然准确。集成电路自发明四十年以来，集成电路芯集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的片的集成度每三年翻两番集成度每三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩小，而加工特征尺寸缩小 倍。倍。即由即由IntelIntel公司创始人之一公司创始人之一Gordon E.MooreGordon E.Moore博士博士19651965年总结的规律，被称为摩尔定律。年总结的规律，被称为摩尔定律。摩尔定律 一个有关集成电路发展趋势的著名预言v集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线 集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线集成电路制造工艺ppt课件vICIC在各个发展阶段的在各个发展阶段的主要特征数据主要特征数据 发展发展 阶段阶段主要特征主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数元件数/芯片芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽特征线宽(um)10-55-33-11栅氧化层厚度栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积芯片面积(mm2)150IC在各个发展阶段的主要特征数据 发展 阶段MSvIntel Intel 公司第一代公司第一代CPU4004CPU4004电路规模：电路规模：23002300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um10um最快速度：最快速度：108KHz108KHzIntel 公司第一代CPU4004电路规模：2300个晶vIntel Intel 公司公司CPU386TMCPU386TM电路规模：电路规模：275,000275,000个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：1.5um1.5um最快速度：最快速度：33MHz33MHzIntel 公司CPU386TM电路规模：275,000个vIntel Intel 公司最新一代公司最新一代CPUPentium 4CPUPentium 4电路规模：电路规模：4 4千千2 2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um0.13um最快速度：最快速度：2.4GHz2.4GHzIntel 公司最新一代CPUPentium 4电路规器件结构类型器件结构类型集成度集成度电路的功能电路的功能应用领域应用领域集成电路的分类集成电路的分类 器件结构类型集成电路的分类 按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极型晶体管构成双极集成电路：主要由双极型晶体管构成NPNNPN型双极集成电路型双极集成电路PNPPNP型双极集成电路型双极集成电路金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路：主要由集成电路：主要由MOSMOS晶体管晶体管(单极型晶体管单极型晶体管)构成构成NMOSNMOSPMOSPMOSCMOS(CMOS(互补互补MOS)MOS)双极双极-MOS(BiMOS)-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极集成电路：是同时包括双极和和MOSMOS晶体管的集成电路。综合了双极和晶体管的集成电路。综合了双极和MOSMOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极型晶体管构成集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类 别数字集成电路模拟集成电路MOS IC双极ICSSI1021002000300ULSI107109GSI109 按集成度分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类 别数字集成电路数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital-Analog IC)(Digital-Analog IC)：例如例如 数模数模(D/A)(D/A)转换器和模数转换器和模数(A/D)(A/D)转换器等。转换器等。按电路的功能分类数字集成电路数字集成电路(Digital IC)(Digital IC)：是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)(Analog IC)：是指处理模拟信号是指处理模拟信号(连续变化的信号连续变化的信号)的集成电路，的集成电路，通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ：线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。电压比较器、跟随器等。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。数模混合集成电路(Digital-Analog IC)v标准通用集成电路标准通用集成电路 通通用用集集成成电电路路是是指指不不同同厂厂家家都都在在同同时时生生产产的的用用量量极极大大的的标标准准系系列列产产品品。这这类类产产品品往往往往集集成成度度不不高高，然然而社会需求量大，通用性强。而社会需求量大，通用性强。按应用领域分类v专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称设计的集成电路简称ASICASIC（Application Specific Application Specific Integrated Circuit)Integrated Circuit)，其特点是集成度较高功能较多，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。功耗较小，封装形式多样。标准通用集成电路按应用领域分类专用集成电路 1.1.特征尺寸特征尺寸 (Feature Size)/(Feature Size)/（Critical DimensionCritical Dimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对对MOSMOS器件而言，通常器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度指器件栅电极所决定的沟道几何长度)描述集成电路工艺技术水平的描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.180.18m m、0.130.13m m工工艺，艺，IntelIntel目前将大部分芯片生产制程转换到目前将大部分芯片生产制程转换到0.09 0.09 m m。1.特征尺寸描述集成电路工艺技术水平的减小特征尺寸 2.2.晶片直径晶片直径(Wafer Diameter)(Wafer Diameter)为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8 8吋，正在向吋，正在向1212吋晶圆迈吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从进。下图自左到右给出的是从2 2吋吋1212吋按比例画出的圆。由吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。尺寸从尺寸从2 2吋吋1212吋成比例增加的晶圆吋成比例增加的晶圆 2.晶片直径(Wafer Diameter)3.DRAM 3.DRAM 的容量的容量 RAM(Random-Access Memory)RAM(Random-Access Memory)随机存取存储器随机存取存储器 分为分为动态存储器动态存储器DRAM(Dynamic)DRAM(Dynamic)和静态存储器和静态存储器SRAM(Static)SRAM(Static)3.DRAM 的容量中国中国ICIC产业分布图产业分布图中国IC产业分布图 中芯国际集成电路制造有限公司中芯国际集成电路制造有限公司 上海华虹上海华虹(集团集团)有限公司有限公司 华润微电子华润微电子(控股控股)有限公司有限公司 无锡海力士意法半导体有限公司无锡海力士意法半导体有限公司 和舰科技和舰科技(苏州苏州)有限公司有限公司 首钢日电电子有限公司首钢日电电子有限公司 上海先进半导体制造有限公司上海先进半导体制造有限公司 台积电台积电(上海上海)有限公司有限公司 上海宏力半导体制造有限公司上海宏力半导体制造有限公司 吉林华微电子股份有限公司吉林华微电子股份有限公司 20062006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：飞思卡尔半导体飞思卡尔半导体(中国中国)有限公司有限公司 奇梦达科技奇梦达科技(苏州苏州)有限公司有限公司 威讯联合半导体威讯联合半导体(北京北京)有限公司有限公司 深圳赛意法半导体有限公司深圳赛意法半导体有限公司 江苏新潮科技集团有限公司江苏新潮科技集团有限公司 上海松下半导体有限公司上海松下半导体有限公司 英特尔产品英特尔产品(上海上海)有限公司有限公司 南通富士通微电子有限公司南通富士通微电子有限公司 星科金朋星科金朋(上海上海)有限公司有限公司 乐山无线电股份有限公司乐山无线电股份有限公司20062006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：年度中国集成电路封装测试前十大企业是：2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：炬力集成电路设计有限公司炬力集成电路设计有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司 (包含北京中电华大电子设计公司等包含北京中电华大电子设计公司等)北京中星微电子有限公司北京中星微电子有限公司 大唐微电子技术有限公司大唐微电子技术有限公司 深圳海思半导体有限公司深圳海思半导体有限公司 无锡华润矽科微电子有限公司无锡华润矽科微电子有限公司 杭州士兰微电子股份有限公司杭州士兰微电子股份有限公司 上海华虹集成电路有限公司上海华虹集成电路有限公司 北京清华同方微电子有限公司北京清华同方微电子有限公司 展讯通信展讯通信(上海上海)有限公司有限公司 20062006年度中国集成电路设计前十大企业是：年度中国集成电路设计前十大企业是：2006年度中国集成电路设计前十大企业是：集成电路集成电路（I Integrated ntegrated C Circuitircuit）制造工艺制造工艺是集成电路是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的实现的手段，也是集成电路设计的基础。基础。基础电路制造工艺基础电路制造工艺 集成电路（Integrated Circuit）集成电路工艺技术主要包括集成电路工艺技术主要包括:1 1、原始硅片工艺、原始硅片工艺 硅单晶拉制到最终形成作为硅单晶拉制到最终形成作为ICIC衬底和有衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。源区的硅片的一整套工艺技术。2 2、掺杂工艺、掺杂工艺 包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。集成电路工艺技术主要包括:3 3、微细图形加工工艺、微细图形加工工艺 包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。4 4、介质薄膜工艺、介质薄膜工艺 包括各种热生长技术和各种包括各种热生长技术和各种CVDCVD技术。技术。5 5、金属薄膜工艺、金属薄膜工艺 包括真空蒸发技术、溅射技术和包括真空蒸发技术、溅射技术和CVDCVD技技术。术。3、微细图形加工工艺集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介生产工厂简介生产工厂简介国外某集成电路工厂外景国外某集成电路工厂外景集成电路制造工艺简介国外某集成电路工厂外景净化厂房净化厂房净化厂房芯片制造净化区域走廊芯片制造净化区域走廊Here in the Fab Fab TwoTwo Photolithography area we see one of our 200mm 0.35.35 micron I-Line Steppers.this stepper can image and align both 6&8 inch wafers.投投影影式式光光刻刻机机Here in the Fab Two PhotolithoHere we see a technician loading 300mm 300mm waferswafers into the SemiTool.The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Process SpecialtiesSpecialties and SemiTool in 1995.Again these are the worlds worlds first first 300mm300mm wet process cassettes(that can be spin rinse dried).硅硅片片清清洗洗装装置置Here we see a technician loadiAs we look in this window we see the Worlds First true 300mm production furnace.Our development and design of this tool began in 19921992,it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 19961996.1212英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉As we look in this window we sHere we can see the loading of the loading of 300mm300mm wafers wafers onto the Paddle.1212英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉装装片片工工序序Here we can see the loading ofProcess Process SpecialtiesSpecialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system!We began processing 300mm LPCVD LPCVD Silicon Silicon NitrideNitride in May of 1997.1212英寸氧英寸氧化扩散炉化扩散炉取片工序取片工序（已生长（已生长SiSi3 3N N4 4）Process Specialties has develo2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is currently processing wafers!With increased 300mm&200mm processing capabilities including more PVD Metalization,300mm Wet processing/Cleaning capabilities and full full wafer wafer 300mm 300mm 0.35um 0.35um Photolithography,all in a Class One enviroment.Photolithography,all in a Class One enviroment.PVDPVD2,500 additional square feet o化学汽化学汽相沉积相沉积CVDCVD化学汽相沉积CVD化学汽化学汽相沉积相沉积CVDCVD 化学汽相沉积CVD Accuracy Accuracy in in metrology metrology is is never never an an issueissue at Process Specialties.We use the most advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film,resistivity,CD and step height measurement.Including our new Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and mapping tool.We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers,for additional correlation and calibration.检检测测工工序序Accuracy in metrology is neverAbove you are looking at a couple of views of the facilities on the west side of Fab One.Here you can see one of our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four 10,000 CFM air systems feeding this fab(left picture),as well as one of our waste air scrubber units(right picture).Both are inside the building for easier maintenance,longer life and better control.去去离离子子水水生生产产装装置置Above you are looking at a cou离子注入离子注入检查晶圆 检查晶圆 Here we are looking at the Here we are looking at the Incoming material disposition Incoming material disposition racks racks 库房库房Here we are looking at the Inc集成电路制造工艺分类集成电路制造工艺分类1.1.双极型工艺（双极型工艺（bipolarbipolar）2.2.CMOSCMOS工艺工艺集成电路制造工艺分类1.双极型工艺（bipolar）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设计与制造的主要流程框架芯片检测单晶、外延材料芯片制集成电路芯片设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设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授是功能要求行为设芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层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次次由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝 光刻 集成电路制造工艺ppt课件集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片集成电路的内部单元集成电路的内部单元(俯视图俯视图)集成电路的内部单元(俯视图)栅长为栅长为9090纳米的栅图形照片纳米的栅图形照片沟道长度为沟道长度为0.150.15微米的晶体管微米的晶体管 栅长为90纳米的栅图形照片沟道长度为0.15微米的晶体管 5050 m m100100 m m头发丝粗细头发丝粗细1 1 m m 1 1 m m(晶体管的大小晶体管的大小)9090年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较 1m 1m90年代生产的集成电路中晶N N沟道沟道MOSMOS晶体管晶体管N沟道MOS晶体管CMOS集成电路集成电路(互补型互补型MOS集成电路集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的集成电路总数的95%以上。以上。CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)：目前应用最为广泛的集成电路制造工艺ppt课件集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：制作各种材料的薄膜集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上11 双极型（双极型（NPNNPN）集成电路工艺）集成电路工艺(典型的典型的PNPN结隔离工艺结隔离工艺)1 双极型（NPN）集成电路工艺(典型的PN结隔离工艺)P-Sub衬底准备（衬底准备（P P型）型）光刻光刻n+n+埋层埋层区区氧化氧化n+n+埋层区注入埋层区注入 清洁表面清洁表面1.1.衬底准备衬底准备2.2.第一次光刻第一次光刻NN+隐埋层扩散孔光刻隐埋层扩散孔光刻 P-Sub衬底准备（P型）光刻n+埋层区氧化n+埋层区P-Sub生长生长n-n-外延外延 隔离氧化隔离氧化 光刻光刻p+p+隔离区隔离区p+p+隔离注入隔离注入 p+p+隔离推进隔离推进N+N+N-N-3.3.外延层淀积外延层淀积4.4.第二次光刻第二次光刻PP+隔离扩散孔光刻隔离扩散孔光刻P-Sub生长n-外延隔离氧化光刻p+隔离区p+隔离光刻硼扩散区光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散硼扩散5.5.第三次光刻第三次光刻PP型基区扩散孔光刻型基区扩散孔光刻光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散光刻磷扩散区光刻磷扩散区 磷扩散磷扩散P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP6.6.第四次光刻第四次光刻NN+发射区扩散孔光刻发射区扩散孔光刻氧化氧化光刻磷扩散区磷扩散P-SubN+N+N-N-P+P+P+光刻引线孔光刻引线孔清洁表面清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP7.7.第五次光刻第五次光刻引线接触孔光刻引线接触孔光刻 氧化氧化光刻引线孔清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+蒸镀金属蒸镀金属反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP8.8.第六次光刻第六次光刻金属化内连线光刻金属化内连线光刻 蒸镀金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PNPN晶体管剖面图ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+Epitaxial layer 外延层Buried LayerNPN晶体管剖面图ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+埋层的作用埋层的作用1.1.减小串联电阻减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）上表面引出，外延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+CECEBB2.2.减小寄生减小寄生pnppnp晶体管的影响晶体管的影响埋层的作用1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从上表面引隔离的实现隔离的实现1.P+1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与隔离扩散要扩穿外延层，与p p型衬底连通。型衬底连通。因此，将因此，将n n型外延层分割成若干个型外延层分割成若干个“岛岛”。2.P+2.P+隔离接电路最低电位，隔离接电路最低电位，使使“岛岛”与与“岛岛”之间形成两个背靠背的反偏二极之间形成两个背靠背的反偏二极管。管。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层钝化层隔离的实现1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此光刻掩膜版汇总光刻掩膜版汇总埋层区埋层区隔离墙隔离墙硼扩区硼扩区磷扩区磷扩区 引线孔引线孔金属连线金属连线光刻掩膜版汇总埋层区隔离墙硼扩区磷扩区引线孔金属连外延层电极的引出外延层电极的引出欧姆接触电极：欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）（金半接触势垒二极管）。因此，。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散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金属与半导体接触金属与半导体接触？形成欧姆接触的方法形成欧姆接触的方法？低势垒，高复合，高低势垒，高复合，高掺杂掺杂外延层电极的引出欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延层相接光刻光刻LithographyLithography光刻Lithography光刻是光刻是ICIC制造业中最为重要的一道工制造业中最为重要的一道工艺艺硅片制造工艺中，光刻硅片制造工艺中，光刻占所有成本的占所有成本的35%35%通常可通常可用光刻次数用光刻次数及所需及所需掩模的个数掩模的个数来来表示某生产工艺的难易程度。表示某生产工艺的难易程度。一个典型的硅集成电路工艺包括一个典型的硅集成电路工艺包括15152020块掩膜版块掩膜版光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺硅片制造工艺中，光刻占所 集成电路的集成电路的特征尺寸特征尺寸是否能够进一是否能够进一步减小，也与步减小，也与光刻技术光刻技术的近一步发展有的近一步发展有密切的关系。密切的关系。通常人们用通常人们用特征尺寸特征尺寸来评价一个集来评价一个集成电路生产线的技术水平成电路生产线的技术水平。所谓所谓特征尺寸（特征尺寸（CDCD：characteristic characteristic dimensiondimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分通常我们所说的通常我们所说的0.130.13 m,0.09m,0.09 m m工艺就是工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技光刻的定义光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或光刻的目的就是在二氧化硅或 金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图几何图 形，形，把掩模版上的图形转换成晶把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构圆上的器件结构,从而实现从而实现选择性扩散选择性扩散和和金属薄膜布线金属薄膜布线的目的。的目的。光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工光刻的要求光刻的要求对光刻的基本要求：对光刻的基本要求：（1 1）高分辨率）高分辨率 （2 2）高灵敏度）高灵敏度 （3 3）精密的套刻对准）精密的套刻对准 （4 4）大尺寸硅片上的加工）大尺寸硅片上的加工 （5 5）低缺陷）低缺陷 光刻的要求对光刻的基本要求：1.1.高分辨率高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。精度和清晰度的标志之一。随着集成电路随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。分辨率的要求也越来越高。分辨率表示每分辨率表示每mmmm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。R=1/2LR=1/2L1.高分辨率分辨率表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数2.2.高灵敏度高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。求高灵敏度。3.3.精密的套刻对准精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的特征尺寸的1010左右。左右。2.高灵敏度3.精密的套刻对准4.4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度因此对周围环境的温度控制要求十分严格，控制要求十分严格，否则会影响光刻质量否则会影响光刻质量5.5.低缺陷低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷4.大尺寸硅片的加工5.低缺陷5.2 5.2 光刻胶的组成材料及感光原光刻胶的组成材料及感光原理理光刻胶是光刻工艺的核心，光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程光刻过程中的所有操作都会根据中的所有操作都会根据特定的光刻胶特定的光刻胶性质性质和和想达到的预期结果想达到的预期结果而进行微调。而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。个非常漫长的过程。5.2 光刻胶的组成材料及感光原理光刻胶是光刻工艺的核心，光光刻胶种类光刻胶种类正光刻胶正光刻胶(Positive optical resist)(Positive optical resist)负光刻胶负光刻胶(Negative optical resist)(Negative optical resist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersResists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film and prebaked to produce a film 0.5-1 0.5-1 mm thick.m thick.光刻胶又称光刻胶又称光致抗蚀剂光致抗蚀剂(Photo-Resist)，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有有光刻胶种类正光刻胶(Positive optical res正性光刻胶正性光刻胶Positive Optical Positive Optical ResistResistv正胶的光化学性质是从抗溶正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。解到可溶性。v正胶曝光后显影时感光的胶正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。层溶解了。v现有现有VLSIVLSI工艺都采用正胶工艺都采用正胶 正性光刻胶Positive Optical Resist正正胶机制正胶机制曝光使感光材料曝光使感光材料(PAC)(PAC)中分子裂解，中分子裂解，被裂解的分子在显被裂解的分子在显影液中很易溶解，影液中很易溶解，从而与未曝光部分从而与未曝光部分形成强烈反差。形成强烈反差。正胶机制曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在显负性光刻胶负性光刻胶 Negative Optical resistNegative Optical resist负胶的光学性能是从可溶解负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。性到不溶解性。负胶在曝光后发生交链作用负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。部分充分溶解。负性光刻胶 Negative Optical resist 小小结结：正正性性和和负负性性光光刻刻胶胶 正正性性光光刻刻胶胶受受光光或或紫紫外外线线照照射射后后感感光光的的部部分分发发生生光光分分解解反反应应，可可溶溶于于显显影影液液，未未感感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面光的部分显影后仍然留在晶圆的表面 负负性性光光刻刻胶胶的的未未感感光光部部分分溶溶于于显显影影液液中中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。而感光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶负胶：曝光前负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻胶对大部分可见光敏感，光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。对黄光不敏感。因此光刻通常在因此光刻通常在黄光室（黄光室（Yellow RoomYellow Room）内进行。）内进行。小结：正性和负性光刻胶 正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较正胶正胶a)a)分辨率高分辨率高 小于小于1 1微米微米b)b)抗干法刻蚀能力强抗干法刻蚀能力强c)c)较好的热稳定性较好的热稳定性负胶负胶a)a)对某些衬底表面粘附性好对某些衬底表面粘附性好b)b)曝光时间短，产量高曝光时间短，产量高c)c)工艺宽容度较高工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等）（显影液稀释度、温度等）d)d)价格较低价格较低 （约正胶的三分之一）（约正胶的三分之一）正胶和负胶的比较正胶THANK YOUSUCCESS2024/5/997可编辑THANK YOUSUCCESS2023/8/197负胶负胶 曝光后变为曝光后变为可溶可溶 显影时未曝光的部显影时未曝光的部 分溶解于显影液分溶解于显影液 图形与掩模版相反图形与掩模版相反 分辨率较低分辨率较低 含二甲苯，对环境、含二甲苯，对环境、身体有害。身体有害。正胶正胶 曝光后变为可溶曝光后变为可溶 显影时曝光的部分显影时曝光的部分溶解于显影液溶解于显影液 图形与掩模版相同图形与掩模版相同 小的聚合物尺寸，小的聚合物尺寸，有有高的分辨高的分辨 大大应用于应用于IC fabsIC fabs光刻胶种类光刻胶种类负胶正胶光刻胶种类q分辨率(resolution)q敏感度(Sensitivity)q对比度(Contrast)q粘滞性q粘附性q抗蚀性光刻胶材料参数光刻胶材料参数分辨率(resolution)光刻胶材料参数1.1.光刻胶的分辨率光刻胶的分辨率（resolution）在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。光刻胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅与分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。正胶的分辨率较负胶好，一般正胶的分辨率较负胶好，一般2 2 m m以下工艺用以下工艺用正胶正胶1.光刻胶的分辨率（resolution）2.2.灵敏度灵敏度S(Sensitivity)S(Sensitivity)h h为比例常数；为比例常数；I I为照射光强度，为照射光强度，t t为曝光时间为曝光时间灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即，即光刻胶感光所必须的照射量。光刻胶感光所必须的照射量。曝光时间越短，曝光时间越短，S S越高。越高。波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。2.灵敏度S(Sensitivity)h为比例常数；I为照3.3.对比度对比度(Contrast)(Contrast)衡量光刻胶辨别亮衡量光刻胶辨别亮(light)/(light)/暗暗(dark)(dark)区域的能力区域的能力测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。对比度高的光刻胶造成更好的分辨率对比度高的光刻胶造成更好的分辨率D Df f:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；D D0 0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量3.对比度(Contrast)衡量光刻胶辨别亮(light)4.4.粘滞性粘滞性指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增加。的挥发增加。5.5.粘附性粘附性描述光刻胶粘附于衬底的强度。描述光刻胶粘附于衬底的强度。光刻胶与衬底膜层（光刻胶与衬底膜层（SiO2SiO2、AlAl等）的粘结能力直接影等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等硅，氮化硅，二氧化硅和金属等 必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入的等工艺的等工艺 4.粘滞性指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。5.6.6.抗蚀性抗蚀性光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为种性质被称为抗蚀性。抗蚀性。6.抗蚀性光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻光刻胶由光刻胶由4 4种成分组成：种成分组成：树脂（聚合物材料）树脂（聚合物材料）感光剂感光剂溶剂溶剂添加剂（备选）添加剂（备选）5.2.1 5.2.1 光刻胶的组成材料光刻胶的组成材料光刻胶由4种成分组成：5.2.1 光刻胶的组成材料树脂树脂 树脂是一种惰性的树脂是一种惰性的聚合物聚合物，包括，包括碳、氢、氧碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。一起的粘合剂。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是在大多数负性胶里面，聚合物是聚聚异戊二烯异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质类型。是一种相互粘结的物质抗刻抗刻蚀的物质蚀的物质，如图所示。，如图所示。树脂 正正性性胶胶的的基基本本聚聚合合物物是是苯苯酚酚甲甲醛醛聚聚合合物，也称为物，也称为苯酚甲醛树脂苯酚甲醛树脂。如图所示。如图所示。在在光光刻刻胶胶中中聚聚合合物物是是相相对对不不可可溶溶的的，用用适适当当能能量量的的光光照照后后变变成成可可溶溶状状态态。这这种种反反应应称称为为光溶解反应光溶解反应 正性胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也固体有机材料（胶膜的主体）固体有机材料（胶膜的主体）转移图形到硅片上转移图形到硅片上UVUV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变正胶从不可溶到可溶正胶从不可溶到可溶负胶从可溶到不可溶负胶从可溶到不可溶树脂树脂固体有机材料（胶膜的主体）树脂感光剂感光剂光光刻刻胶胶中中的的感感光光剂剂是是光光刻刻胶胶材材料料中中的的光光敏敏成成分分。在在紫紫外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。如如果果聚聚合合物物中中不不添添加加感感光光剂剂，那那么么它它对对光光的的敏敏感感性性差差，而而且且光光谱谱范范围围较较宽宽，添添加加特特定定的的感感光光剂剂后后，可可以以增增加加感感光光灵灵敏敏度度，而而且且限限制制反反应应光光的的光光谱谱范范围围，或者把反应光限制在某一波长的光。或者把反应光限制在某一波长的光。控制和或改变光化学反应控制和或改变光化学反应决定曝光时间和强决定曝光时间和强感光剂控制和或改变光化学反应集成电路制造工艺ppt课件溶剂溶剂 光刻胶中容量最大的成分是溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。刻胶的光化学性质几乎没有影响。溶解聚合物溶解聚合物 经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜溶剂 溶解聚合物添加剂添加剂 光光刻刻胶胶中中的的添添加加剂剂通通常常是是专专有有化化学学品品，成成份份由由制制造造商商开开发发，但但是是由由于于竞竞争争原原因因不不对对外外公布公布。主主要要在在光光刻刻胶胶薄薄膜膜中中用用来来改改变变光光刻刻胶胶的的特特定定化化学学性性质质或或光光响响应应特特性性。如如添添加加染染色色剂剂以以减少反射。减少反射。添加剂光刻工艺光刻工艺光刻工艺 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须须进行表面处理进行表面处理，包括三个阶段：，包括三个阶段：微粒清微粒清除、脱水和涂底胶。除、脱水和涂底胶。1 1 气