集成电路设计基础课件

集成电路设计基础集成电路设计基础山东大学山东大学 信息学院信息学院刘志军刘志军5/17/20241集成电路设计基础集成电路设计基础山东大学信息学院8/3/20231上次：第上次：第2章章集成电路材料、结构与理论集成电路材料、结构与理论2.1引言2.2集成电路材料2.3半导体基础知识2.4PN结与结型二极管2.5双极型晶体管2.6金属半导体场效应晶体管MESFET2.7MOS晶体管的基本结构与工作原理5/17/20242集成电路设计基础上次：第2章集成电路材料、结构与理论2.1引言8/3第第3章章集成电路工艺简介集成电路工艺简介3.1引言引言3.2外延生长工艺外延生长工艺3.3掩模的制版工艺掩模的制版工艺3.4光刻工艺光刻工艺3.5掺杂工艺掺杂工艺3.6绝缘层形成工艺绝缘层形成工艺3.7金属层形成工艺金属层形成工艺5/17/20243集成电路设计基础第3章集成电路工艺简介3.1引言8/3/20233集3.1引言引言*为何要介绍IC制造工艺？*集成电路设计人员虽然不需要直接参与集成电路的工工艺艺流流程程和掌握工艺的细节，但了解集集成成电电路路制制造造工工艺艺的的基基本本原原理理和和过过程程，对于集成电路设计大有裨益。*本章简单介绍集成电路的基本加工工艺加工工艺。*这些工艺可应用于各各类类半半导导体体器器件件和和集集成成电路的制造过程。电路的制造过程。5/17/20244集成电路设计基础3.1引言*为何要介绍IC制造工艺？8/3/202无生产线集成电路设计技术随着集成电路发展的过程，其发展的总趋势是革新工艺、提高集成度和速度革新工艺、提高集成度和速度。设计工作由有生产线集成电路设计有生产线集成电路设计到无无生产线集成电路设计生产线集成电路设计的发展过程。无生产线无生产线（Fabless）集成电路设计公司。如美国有200多家、台湾有100多家这样的设计公司。5/17/20245集成电路设计基础无生产线集成电路设计技术随着集成电路发展的过程，其发展的总趋代客户加工（代工）方式芯片设计单位和工艺制造单位的分离芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代工）方式代客户加工（简称代工）方式。代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特征重要特征。5/17/20246集成电路设计基础代客户加工（代工）方式芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯无生产线设计与代工方式的关系图（S图）5/17/20247集成电路设计基础无生产线设计与代工方式的关系图（S图）8/3/20237集PDK文件首先，代工单位代工单位将经过前期开发确定的一套工艺工艺设计文件设计文件PDKPDK（PocessDesignKits)通过因特网传送给设计单位。PDK文件包括：工艺电路模拟用的器件的器件的SPICESPICE参数参数，版图设计用的层次定义层次定义，设计规则设计规则，晶体晶体管、电阻、电容等元件和通孔（管、电阻、电容等元件和通孔（VIAVIA）、焊盘等）、焊盘等基本结构的版图基本结构的版图，与设计工具关联的设计规则检设计规则检查（查（DRCDRC）、参数提取（）、参数提取（EXTEXT）和版图电路对照）和版图电路对照（LVSLVS）用的文件。）用的文件。5/17/20248集成电路设计基础PDK文件首先，代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件电路设计和电路仿真设计单位设计单位根据研究项目研究项目提出的技术指标技术指标，在自己掌握的电路与系统知识电路与系统知识的基础上，利用PDK提供的工艺数据工艺数据和CAD/EDACAD/EDA工具工具，进行电路设计、电路仿真（或称模拟）和优化、电路设计、电路仿真（或称模拟）和优化、版图设计、设计规则检查版图设计、设计规则检查DRCDRC、参数提取和、参数提取和版图电路图对照版图电路图对照LVSLVS，最终生成通常称之为GDS-GDS-格式的版图文件格式的版图文件。再通过因特网传送到代工单位。5/17/20249集成电路设计基础电路设计和电路仿真设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掩模与流片代工单位代工单位根据设计单位提供的GDS-GDS-格式格式的版版图数据图数据，首先制作掩模（制作掩模（MaskMask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片芯片的流水式加工的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流流片片”5/17/202410集成电路设计基础掩模与流片代工单位根据设计单位提供的GDS-格式的版图数据参数测试和性能评估设计单位设计单位对芯片进行参数测试参数测试和性能评性能评估。估。符合技术要求时，进入系统应用系统应用。从而完成一次集成电路设计、制造和测完成一次集成电路设计、制造和测试与应用的全过程。试与应用的全过程。否则再进行改进和优化改进和优化，才能进入下一次循环直至成功直至成功。5/17/202411集成电路设计基础参数测试和性能评估设计单位对芯片进行参数测试和性能评估。符合代工工艺代工（代工（FoundryFoundry）厂家）厂家很多，如：l无锡上华（0.6/0.5mCOS和4mBiCMOS工艺)l上海先进半导体公司(1mCOS工艺)l首钢NEC(1.2/0.18mCOS工艺)l上海华虹NEC(0.35mCOS工艺)l上海中芯国际(8英寸晶圆0.25/0.18mCOS工艺)5/17/202412集成电路设计基础代工工艺代工（Foundry）厂家很多，如：8/3/2023在建、筹建半导体厂家宏力8英寸晶圆0.25/0.18mCOS工艺华虹NEC8英寸晶圆0.25mCOS工艺台积电(TSMC)在松江筹建8英寸晶圆0.18mCOS工艺联华(UMC)在苏州筹建8英寸晶圆0.18mCOS工艺等等。5/17/202413集成电路设计基础在建、筹建半导体厂家宏力8英寸晶圆0.25/0.18境外代工厂家一览表5/17/202414集成电路设计基础境外代工厂家一览表8/3/202314集成电路设计基础芯片工程芯片工程与多项目晶圆计划多项目晶圆计划F&F(FablessandFoundry)模式工业发达国家通过组织无生产线IC设计的芯片计划来促进集成电路设计的专业发展、人才培养、技术研究和中小企业产品开发，而取得成效。这种芯片工程芯片工程通常由大学或研究所作为龙头单位负责人员培训、技术指导、版图汇总、组织芯片的工艺实现，性能测试和封装。大学教师、研究生、研究机构、中小企业作为工程受益群体，自愿参加，并付一定费用。5/17/202415集成电路设计基础芯片工程与多项目晶圆计划F&F(FablessandFo多项目晶圆MPW多项目晶圆多项目晶圆MPWMPW（multi-projectwafer)技术服务是一种国际科研和大学计划的流行方式。MPW技术把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片（宏芯片（Macro-ChipMacro-Chip）上然后以步进的方式排列到一到多个晶圆上，制版和硅片加工费用由几十种芯片分担，极大地降低芯片研制成本，在一个晶圆上可以通过变换版图数据交替布置多种宏芯片。5/17/202416集成电路设计基础多项目晶圆MPW多项目晶圆MPW（multi-project芯片工程芯片工程与多项目晶圆计划多项目晶圆计划5/17/202417集成电路设计基础芯片工程与多项目晶圆计划8/3/202317集成电路设计基代工单位与其他单位关系图5/17/202418集成电路设计基础代工单位与其他单位关系图8/3/202318集成电路设计基集成电路设计需要的知识范围集成电路设计：门槛很高门槛很高l系统知识系统知识：应用范围涉及面很广l电路知识电路知识：是核心知识（技术和经验）l工具知识工具知识：包括硬件描述语言和设计流程l工艺知识工艺知识：微电子技术和版图设计经验5/17/202419集成电路设计基础集成电路设计需要的知识范围集成电路设计：门槛很高8/3/20集成电路工艺简介集成电路工艺简介以下对集成电路制造工艺集成电路制造工艺进行介绍，包括：l外延生长、外延生长、l掩模制版、掩模制版、l光刻、光刻、l掺杂、掺杂、l绝缘层、金属层形成绝缘层、金属层形成等等。5/17/202420集成电路设计基础集成电路工艺简介以下对集成电路制造工艺进行介绍，3.2外延生长工艺外延生长工艺“外延外延”指在单晶衬底上生长一层新单晶的指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术技术。新生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸而成，故称“外延层外延层”。外延生长之所以重要，在于外延层中的杂质浓度可以方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。5/17/202421集成电路设计基础3.2外延生长工艺“外延”指在单晶衬底上外延生长外延生长双极型集成电路元器件间的隔隔离离问问题题可通过外外延延与与隔隔离离扩扩散散技技术术相相结结合合而获得解决。外延技术还可用于解决高频功率器件的击击穿穿电电压压与与集集电电极极串串联联电电阻阻对对集集电电极极电电阻阻率率要要求求之之间间的的矛矛盾盾；掺杂较少的外延层保证了较高的击击穿穿电电压压，高掺杂的衬底降低了集电极的串联电阻。5/17/202422集成电路设计基础外延生长双极型集成电路元器件间的隔离问题可通过外延与隔外延生长外延生长气相外延生长气相外延生长 这是一种在集成电路制造中最普遍采用的硅外延工艺硅外延工艺，该工艺利用加热来提供化学过程进行所需的能量。5/17/202423集成电路设计基础外延生长气相外延生长8/3/202323集成电路设计基础外延生长外延生长如上图所示SiSi基基片片放在石英管中的石墨板上，SiCl4、H2及气态杂质原子通过反应管。在外延过程中，石墨板被石英管周围的射射频频线线圈圈加加热热到1500-2000度，在高温下发生了SiCl4+2H2Si+4HCl的反应，释放出的Si原子在基片表面形成单晶硅，典型的生生长速度长速度为0.51m/min。5/17/202424集成电路设计基础外延生长如上图所示Si基片放在石英管中的石外延生长外延生长金属有机物气相外延生长（金属有机物气相外延生长（MOVPE：MetalorganicVaporPhaseEpitaxy）金金属属有有机机物物气气相相外外延延生生长长（MOVPEMOVPE）开始于20世纪60年代后期，该工艺一般使用III族元素有机化合物和V族元素氢化物。由于VPE中使用的物质只有在高温下才能挥发成气体，故VPE是一种热壁工艺，它必须在炉子里加热，在石英反应管中进行。而MOVPE与VPE不同之处在于它是一种冷壁工艺，只要将衬底控制在一定温度就可以了。5/17/202425集成电路设计基础外延生长金属有机物气相外延生长（MOVPE：Metalo外延生长外延生长分子束外延生长（分子束外延生长（MBE：MolecularBeamEpitaxy）这种方法有生长半导体器件级质量的膜半导体器件级质量的膜的能力，生长厚度有原子级精度生长厚度有原子级精度。MBE系统的基本要求是超高真空，基本工艺流程包含产生轰击衬底上生长区的III、V族元素的分子束等。MBE几乎可以在GaAs基片上生长无限多的外延层，经过MBEMBE法法，衬底在垂直方向上的结构变化具有特殊的物理性质。5/17/202426集成电路设计基础外延生长分子束外延生长（MBE：MolecularBeam3.3掩模制版工艺掩模制版工艺在外延的晶圆晶圆上，工艺工程师可以开始集成电路制造的一系列工序。电路设计工程师为集成电路的制造设计出了一电路设计工程师为集成电路的制造设计出了一系列物理定义的抽象表达系列物理定义的抽象表达 版图。版图。在计算机及辅助设计软件中设计的集成电路版图要送到工艺线上生产时，必须要经过一个重重要的要的中间环节中间环节：制版制版。制版就是要产生一套分层的版图掩模制版就是要产生一套分层的版图掩模，为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到晶圆上去做准备。5/17/202427集成电路设计基础3.3掩模制版工艺在外延的晶圆上，工艺工程师可以开始集成掩模的制版工艺掩模的制版工艺(1)早期掩模制作方法早期掩模制作方法：先把版图分层画在纸上，每一层掩模一种图案。版图画得很大，可以达到50502或1001002，将其贴在墙上，用照相机拍照。然后缩小1020倍，变成552.52.52或1010552的精细底片。这一过程称为初缩初缩。接下去,将初缩版装入步进重复照相机，进一步缩小到222或3.53.52，一步一幅印到铬铬(Cr)(Cr)板板上，如下图所示，形成一个阵列。5/17/202428集成电路设计基础掩模的制版工艺(1)早期掩模制作方法：8/3/20232 铬铬(Cr)(Cr)板阵列版图板阵列版图5/17/202429集成电路设计基础铬(Cr)板阵列版图8/3/202329集成掩模的制版工艺掩模的制版工艺（2）掩模掩模是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层600800厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为铬版铬版(Cr mask)(Cr mask)，如前图所示。在接接触触式式曝曝光光方方法法中，掩模和晶圆尺寸相同，对应于38英寸晶圆，需要38英寸掩模。不过晶圆是圆的，掩模是方的。5/17/202430集成电路设计基础掩模的制版工艺（2）掩模是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片掩模的制版工艺掩模的制版工艺(3)接触曝光制作接触曝光制作的掩模图案失真掩模图案失真较大，原因有：a、图画在纸上，因为热胀冷缩、受潮起皱、铺不平等引起失真；b、初缩时，照相机有失真；c、步进重复照相时，同样有失真；d、从掩模到晶圆上成像，还有失真。5/17/202431集成电路设计基础掩模的制版工艺(3)接触曝光制作的掩模图案失真较大，掩模的制版工艺掩模的制版工艺图案发生器图案发生器PG(PatternGenerator)方法方法在PGPG法法中，规定版图的基本图形为矩形。任何版图都将分解成一系列各种大小、不同位置和方向的矩形条的组合，如下图所示。每个矩形条用5 5个个参参数数进行描述：（X，Y，A，W，H）5/17/202432集成电路设计基础掩模的制版工艺图案发生器PG(PatternGenerat掩模的制版工艺掩模的制版工艺人们将这些数据按一定格式录在磁带上，用来控制如图所示的一套制版装置而制得初初缩缩版版。而后再将制出的初缩版装入步进重复照相机制步进重复照相机制作掩模掩模。5/17/202433集成电路设计基础掩模的制版工艺人们将这些数据按一定格式录在磁带上，掩模的制版工艺掩模的制版工艺X X射线制版射线制版由于X X射射线线(X-ray)(X-ray)具有比可见光短得多的波长，可用来制作更高高分分辩辩率率的的掩掩模模版版。X射线掩模版的衬底材料与光学版不同，要求对X射线透明，而不一定对可见光或紫外线透明，它们常为硅或硅的碳化物，而金的沉淀薄层可使得掩模版对X射线不透明。虽然X射线可提高分辩率，但但问问题题是是要要想想控控制制好好掩掩模模版版上上每每一一小小块块区域的扭曲度是很困难的区域的扭曲度是很困难的。5/17/202434集成电路设计基础掩模的制版工艺X射线制版8/3/202334集成电路设计掩模的制版工艺掩模的制版工艺电子束扫描法电子束扫描法(E-BeamScanning)现在，装备先进的掩模公司、实验室、半导体制造厂都采用电子束来制作掩模电子束来制作掩模。这种技术采用电子束对抗蚀剂进行曝光，这是由于高速电子的波长很短、分辨率很高分辨率很高。高级的电子束制版设备的分辨率可达50nm，这意味着电子束的步进距离为50nm，轰击点的大小也为50nm。5/17/202435集成电路设计基础掩模的制版工艺电子束扫描法(E-BeamScanning)3.4光刻工艺光刻工艺 光刻光刻 是集成电路加工过程中的是集成电路加工过程中的重要工序重要工序。作用是作用是把掩模版上的图形转换成晶圆上把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构的器件结构。光刻对集成电路图形结构的形成，如各层薄光刻对集成电路图形结构的形成，如各层薄膜的图形及掺杂区域等，均膜的图形及掺杂区域等，均起着决定性的作用起着决定性的作用。5/17/202436集成电路设计基础3.4光刻工艺光刻是集成电路加工过程中的重特征尺寸特征尺寸 通常可用用光刻次数光刻次数及所需掩模的个数掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度。集成电路的特征尺寸特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术光刻技术的近一步发展有密切的关系。通常人们用特征尺寸来评价一个集成电通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平路生产线的技术水平。5/17/202437集成电路设计基础特征尺寸通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某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）高分辨率（2）高灵敏度（3）精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷5/17/202438集成电路设计基础光刻的要求对光刻的基本要求：8/3/202338集成电路光刻步骤光刻步骤光刻步骤光刻步骤 简介（1）涂光刻胶 （2）曝光 （3）显影与后烘 （4）刻蚀 5/17/202439集成电路设计基础光刻步骤光刻步骤简介8/3/202339集成电路设计（1）涂光刻胶首先使用旋旋涂涂技技术术对晶圆涂涂光光刻刻胶胶。光刻胶一般有两种：两种：-正正性性（PositivePositive）光刻胶 -负负性性（NegativeNegative）光刻胶5/17/202440集成电路设计基础（1）涂光刻胶首先使用旋涂技术对晶圆涂光刻胶正性和负性光刻胶正性和负性光刻胶正正性性光光刻刻胶胶受光或紫外线照射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，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面，它一般适合做长条形状；负负性性光光刻刻胶胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面，它一般适合做窗口结构，如接触孔、焊盘等。光光刻刻胶胶对对大大部部分分可可见见光光敏敏感感，对对黄黄光光不不敏敏感感。因此光刻通常在黄光室黄光室（YellowRoom）内进行。5/17/202441集成电路设计基础正性和负性光刻胶正性光（2）曝光曝光 将光刻掩模覆盖在涂有光刻胶的将光刻掩模覆盖在涂有光刻胶的硅片上，光刻掩模相当于照相底片硅片上，光刻掩模相当于照相底片，一定波长的光线通过这个“底片底片”，使光使光刻胶获得与掩模图形同样的感光图形刻胶获得与掩模图形同样的感光图形。5/17/202442集成电路设计基础（2）曝光将光刻掩模覆盖在涂有光刻胶的硅片上（3）显影与后烘显影与后烘 在曝光之后进行显影、定影、显影、定影、坚膜坚膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形版图图形。5/17/202443集成电路设计基础（3）显影与后烘在曝光之后进行显影、定影、坚（4）刻蚀刻蚀 为获得器件的结构必须把光刻胶的把光刻胶的图形转移到光刻胶下面的各层材料上面图形转移到光刻胶下面的各层材料上面去去。刻蚀的主要内容就是把经曝光、显刻蚀的主要内容就是把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉，分去掉，即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。5/17/202444集成电路设计基础（4）刻蚀为获得器件的结构必须把光刻胶的图形转移光刻工艺图示光刻工艺图示 涂光刻胶 曝光 显影与后烘 腐蚀 腐蚀 5/17/202445集成电路设计基础光刻工艺图示涂光刻胶曝光显影与后烘腐蚀腐蚀光刻光刻超大规模集成电路对图形转移图形转移有如下的要求：（1）图形转移的保真度要高图形转移的保真度要高；（2）选择比选择比：（3）均匀性均匀性；（4）刻蚀的清洁刻蚀的清洁。5/17/202446集成电路设计基础光刻超大规模集成电路对图形转移有如下的要求：8/3/202光刻光刻刻蚀方法刻蚀方法分为：l干法刻蚀干法刻蚀 l湿法刻蚀湿法刻蚀。5/17/202447集成电路设计基础光刻刻蚀方法分为：8/3/202347集成电路设计基础（1 1）干法刻蚀）干法刻蚀干干法法刻刻蚀蚀是是以以等等离离子子体体进进行行薄薄膜膜刻刻蚀蚀的技术。的技术。一般是借助等离子体中产生的粒子轰击刻蚀区，是各各向向异异性性的刻蚀技术，即在被刻蚀的区域内，各个方向上的刻蚀速度不同。通通常常SiSi3 3N N4 4、多多晶晶硅硅、金金属属以以及及合合金金材材料采用干法刻蚀技术。料采用干法刻蚀技术。5/17/202448集成电路设计基础（1）干法刻蚀干法刻蚀是以等离子体进行（2 2）湿法刻蚀）湿法刻蚀 湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术腐蚀液内进行腐蚀的技术，这是各向同性各向同性的刻蚀方法，利用化学反应过程去除待刻蚀区域的薄膜材料。通常通常SiOSiO2 2采用湿法刻蚀技术，有时金属采用湿法刻蚀技术，有时金属铝也采用湿法刻蚀技术。铝也采用湿法刻蚀技术。5/17/202449集成电路设计基础（2）湿法刻蚀湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸3.5掺杂工艺掺杂工艺 掺杂的目的是制作掺杂的目的是制作N N型或型或P P型半导体型半导体区域区域，以构成各种器件结构以构成各种器件结构。掺杂工艺掺杂工艺的基本思想就是通过某种技术措施，将一定浓度的三价元素三价元素（如硼、锑）或五价元素五价元素（如磷、砷等）掺入半导体衬底。通过掺杂，原材料的部分原子被杂质原子杂质原子代替。5/17/202450集成电路设计基础3.5掺杂工艺掺杂的目的是制作N型或P型半导提高杂质浓度或使原衬底改型提高杂质浓度或使原衬底改型 若在N型衬底上掺杂磷或在P型衬底上掺杂硼，均可提高原衬底表面杂质的提高原衬底表面杂质的浓度；浓度；若在N型衬底上掺杂硼或在P型衬底上掺杂磷，可以降低原衬低表面杂质的浓度，或将原衬底改型原衬底改型。5/17/202451集成电路设计基础提高杂质浓度或使原衬底改型若在N型衬底上掺杂磷或在掺杂工艺掺杂工艺 掺杂工艺方法掺杂工艺方法分为：-热扩散法热扩散法 掺杂掺杂 -离子注入法离子注入法 掺杂掺杂。5/17/202452集成电路设计基础掺杂工艺掺杂工艺方法分为：8/3/202352集成电路（1）热扩散法掺杂热扩散法掺杂热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺，主要用于SiSi工艺工艺。利用原子在高温下的扩散运动扩散运动，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。5/17/202453集成电路设计基础（1）热扩散法掺杂热扩散是最早使热扩散步骤热扩散步骤热扩散通常分两个步骤分两个步骤进行：-预淀积预淀积（predeposition）也称预扩散预扩散-推进推进（drive in）也称主扩散主扩散5/17/202454集成电路设计基础热扩散步骤预淀积（预淀积（预扩散）预扩散）预预淀淀积积是在高温下利用诸如硼、磷等杂质源对硅片上的掺杂窗口进行扩散，在窗口处形形成成一一层层较较薄薄但但具具有有较高浓度的杂质层较高浓度的杂质层。这是一种恒定表面源恒定表面源的扩散过程。5/17/202455集成电路设计基础预淀积（预扩散）推进（推进（主扩散）主扩散）推推进进是利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源，在高温下将这层杂质向硅体内扩散的过程。通常推推进进的的时时间间较较长长，推进是限定表面源扩散过程。5/17/202456集成电路设计基础推进（主扩散）推进是利用预（2 2）离子注入法掺杂）离子注入法掺杂 离子注入掺杂离子注入掺杂也分为 两个步骤两个步骤：-离子注入离子注入 -退火再分布退火再分布。5/17/202457集成电路设计基础（2）离子注入法掺杂离子注入掺杂也分为两个步骤：8/3离子注入离子注入 在离子注入离子注入中，电离的杂质离子经电离的杂质离子经静电场加速打到晶圆表面。在掺杂窗口静电场加速打到晶圆表面。在掺杂窗口处，杂质离子被注入裸露的半导体本体处，杂质离子被注入裸露的半导体本体，在其它部位杂质离子则被半导体上面的保护层屏蔽。通过测量离子电流可严格控制剂量。通过控制静电场可以控制杂质离通过控制静电场可以控制杂质离子的穿透深度子的穿透深度。5/17/202458集成电路设计基础离子注入在离子注入中，电离的杂质离子经静电场加速退火处理退火处理 通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离子注入后要在离子注入后要进行退火处理。进行退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布再分布。5/17/202459集成电路设计基础退火处理通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必离子注入技术优点离子注入技术优点离子注入技术离子注入技术主要有以下几方面的优点优点：（1）注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响质源纯度的影响。（2）注入剂量在1011一1017离子cm2的较宽范围内，同一平面内的杂质均匀度可保证在杂质均匀度可保证在11的精度的精度。（3）离子注入时，衬底一般是保持在室温或低于400。因此，像二氧化硅、氮化硅、铝和光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜。对器件制造中的自对准掩蔽技对器件制造中的自对准掩蔽技术给予更大的灵活性术给予更大的灵活性，这是热扩散方法根本做不到的。5/17/202460集成电路设计基础离子注入技术优点离子注入技术主要有以下几方面的优点：8/3离子注入技术优点离子注入技术优点（4）离子注入深度离子注入深度是随离子能量的增加而增加。（5）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底材料中溶解度的限制，原则上对各种元素均可掺杂，这就使掺杂工艺灵活多样，适应性强使掺杂工艺灵活多样，适应性强。根据需要可从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂。（6）离子注入时的衬底温度较低，这样就可以避避免高温扩散所引起的热缺陷免高温扩散所引起的热缺陷。，同时横向效应比热扩散小得多。（7）容易实现化合物半导体的掺杂容易实现化合物半导体的掺杂。5/17/202461集成电路设计基础离子注入技术优点（4）离子注入深度是随离子能量的增加而增加。3.6绝缘层形成工艺绝缘层形成工艺绝缘层形成工艺绝缘层形成工艺包括：-干法氧化干法氧化 -湿法氧化湿法氧化5/17/202462集成电路设计基础3.6绝缘层形成工艺绝缘层形成工艺包括：8/3/2干法氧化干法氧化 利用热氧化制作SiO2时，硅片置于通有氧气的高温环境内，通过到达硅表面的氧原子与硅的作用，发生Si（固体）+O2SiO2（固体）反应，形成SiO2。5/17/202463集成电路设计基础干法氧化利用热氧化制作SiO2时，硅片置于通有氧干法氧化干法氧化干法氧化生成的SiO2，具具有有结结构构致致密密、干干燥燥、均均匀匀性性和和重重复复性性好好，掩掩蔽蔽能能力力强强，与与光光刻刻胶粘附好等优点胶粘附好等优点，是一种很理想的钝化膜。目前制备高质量的SiO2薄膜基本上都采用这种方法，例如MOS晶体管的栅氧化层。干干法法氧氧化化的的生生长长速速率率慢慢，所以经经常常同同湿湿法法氧氧化化相相结结合来生长合来生长SiOSiO2 2。5/17/202464集成电路设计基础干法氧化干法氧化生成的SiO2，具有结构湿法氧化湿法氧化湿法氧化湿法氧化指的是在高温下，硅与高纯水产生的蒸汽发生如下反应：Si（固体）+2H2OSiO2（固体）+2H2，生成SiO2。在表面已有了SiO2后，由于这层已生成的SiO2对氧的阻碍作用，氧氧化化的的速速度度是是逐逐渐渐降降低低的的。由于Si和SiO2晶格尺寸的差异，每生长1m的SiO2，约需消耗0.44m的Si。5/17/202465集成电路设计基础湿法氧化湿法氧化指的是在高温下，硅与硅氧化示意图硅氧化示意图5/17/202466集成电路设计基础硅氧化示意图8/3/202366集成电路设计基础绝缘层隔离工艺绝缘层隔离工艺 对MOS电路来说，场氧化物区的阈值电压必须足够高以隔离隔离每个器件，现在已经提出了许多隔离方法。这里举两两种种最常用的适于超大规模集成电路的结构：-局部氧化隔离法隔离局部氧化隔离法隔离(LOCOS)(LOCOS)-浅沟槽隔离浅沟槽隔离(STI)(STI)。5/17/202467集成电路设计基础绝缘层隔离工艺对MOS电路来说，场氧化物区的阈值电压（1 1）局部氧化隔离法）局部氧化隔离法 局部氧化隔离法局部氧化隔离法在集成电路技术中当然是最占统治地位的隔离工艺隔离工艺。它利用了氧在Si3N4中扩散非常缓慢的性质。当硅表面有一层氮化硅时，无法生成氧化物。此外，氮本身氧化过程也非常缓慢。这样在整个氧化步骤中，氮化硅将氮化硅将作为氧化物阻挡层保持不变作为氧化物阻挡层保持不变。5/17/202468集成电路设计基础（1）局部氧化隔离法局部氧化隔离法在集成电路技术局部氧化隔离工艺步骤局部氧化隔离工艺步骤 5/17/202469集成电路设计基础局部氧化隔离工艺步骤8/3/202369集成电路设计基础（2 2）浅沟槽隔离）浅沟槽隔离(STI)在浅沟槽隔离法浅沟槽隔离法中，用干刻方法在硅衬底上各向异性地刻出一个深度约为03微米至08微米的沟槽。在刻蚀沟槽时，活动区用光刻胶保护起来不受影响。接下来用CVD法在硅圆晶片表面沉积层二氧化硅，再用回蚀法仅保留下沟槽中的二氧化硅，而把其它区域的二氧化硅全刻掉，使回蚀后的表面与原来的硅表面在同一平面上,如下图。5/17/202470集成电路设计基础（2）浅沟槽隔离(STI)在浅沟槽隔离法中，用干3.7金属层形成工艺金属层形成工艺金属层有三个功能金属层有三个功能：（1）形成器件本身的接触线；（2）形成器件间的互连线；（3）形成焊盘。5/17/202471集成电路设计基础3.7金属层形成工艺金属层有三个功能：8/3/半导体与金属线间的接触分为两类半导体与金属线间的接触分为两类半半导导体体与与金金属属线线间间的的接接触触分分为为两两类类：欧欧姆姆接触和肖特基接触。接触和肖特基接触。在理想的欧姆接触中，电流随外加电压线性变化。为了将尽可能多的电流从器件传输给电路中的各种电容充电，接触电阻占器件电阻的比例也必须小。与此相反，肖肖特特基基接接触触应应接接近近理理想想的的二二极极管管，正偏时它们的电阻应很低，而反偏时，电阻则为无穷大。5/17/202472集成电路设计基础半导体与金属线间的接触分为两类半导理想与现实的差异尽管半导体技术中经常使用这些关于金属与半导体之间接触的描述，但实但实际工艺制造出的接触，既不会是完全际工艺制造出的接触，既不会是完全的的欧姆接触，也不会是完全的整流的的欧姆接触，也不会是完全的整流接触接触。5/17/202473集成电路设计基础理想与现实的差异尽管半导体技术中经常使用这些关于金属与半导体金属层形成金属层形成为了能够在有限的圆晶片表面上有有足足够够的的金金属属内内连连线线，以配合日趋精密且复杂的集成电路的发展需求，在在晶晶片片上上制制作作两两层层以以上上的的金金属属层层，早早已已成成为为半半导导体体工工艺艺发发展展的的一一种种趋趋势势(尤尤其其是是在在VLSIVLSI逻逻辑辑产产品品上上更更显显得得重重要要)。为了使两层金属线之间有良好的隔离效果，在制作第二层金属层之前，必须先把用用来来隔隔离离这这两两层层导导线线的的介介电电层层做好才行。但是，因为这层以CVDCVD法法所沉积的介电层会受到第一层金属层的轮廓的影响，因此必须加以平坦化，以利于第二层金属的光刻。平坦化以后，就可以沉积第二层金属了。5/17/202474集成电路设计基础金属层形成为了能够在有限的圆晶片表面上有足够的金属内连金属层形成金属层形成金属层的形成主要采用物理汽相沉积物理汽相沉积(PysicalVaporDeposition，简称简称PVDPVD)技术。在半导体工艺发展过程中，主要的主要的PVDPVD技技术有两种：术有两种：l蒸镀法蒸镀法l溅镀法溅镀法5/17/202475集成电路设计基础金属层形成金属层的形成主要采用物理汽相沉积(Pysical蒸镀法和溅镀法蒸镀法和溅镀法前者前者是通过把被蒸镀物体加热，利用被蒸镀物在高温(接近其熔点)时的饱和蒸汽压，来进行薄膜沉积薄膜沉积的；而后者后者是利用等离子体中的离子，对被溅镀物体电极(也就是离子的靶)进行轰击，使汽相等离子体内具有被溅镀物的粒子(如原子)，这些粒子沉积粒子沉积到晶片上就形成了薄膜。5/17/202476集成电路设计基础蒸镀法和溅镀法前者是通过把被蒸镀物体加热，利用被蒸镀物在高温 金属层形成金属层形成用用高高能能粒粒子子从从某某种种物物质质的的表表面面撞撞击击出出原原子子的的物物理过程叫理过程叫溅射溅射。溅溅射射方方法法是大规模集成电路生产中用来沉积不同金属，包括铝、铝合金、钛、钨钛合金和钨的应用最为广泛的技术。虽然经常用化化学学汽汽相相沉沉积积或或蒸蒸发发法法来沉积铝，Si，SiO2(硅玻璃)及高熔点的金属硅化物，在某些场合，也用溅溅射射法法来沉积这些薄膜。5/17/202477集成电路设计基础金属层形成用高能粒子从某种物质的表面撞击出原溅射法优点溅射法优点在大规模集成电路的生产中，溅溅射射法法之所以能够取代曾经在物理气相沉积中占主要地位的蒸发法蒸发法，是因为它具有以下优点优点：（1）溅射过程可在一个面积很大的靶子上进行，这样就简化厂在大尺寸的硅晶片上沉积薄膜厚度的均匀性问题均匀性问题。（2）在选定的工作条件下，比较容易控控制制膜膜厚厚。只要调节时间调节时间就可以得到所需厚度。（3）溅射法沉积的薄膜的合合金金成成分分比蒸发法容容易控制。易控制。5/17/202478集成电路设计基础溅射法优点在大规模集成电路的生产中，溅射法溅射法的优点溅射法的优点（4）改变加在硅晶片上的偏压和温度可以对薄膜的许多重要性质加以控制，如台阶覆盖和晶粒结构等。（5）在开始溅射沉积以前，可以在真空中先进行溅射消除(表面上的氧化物等)。5/17/202479集成电路设计基础溅射法的优点（4）改变加在硅晶片上的偏预习下节课：第第4章章集成电路特定工艺集成电路特定工艺5/17/202480集成电路设计基础预习下节课：第4章集成电路特定工艺8/3/202380集本节结束（179）谢谢！5/17/202481集成电路设计基础本节结束（179）谢谢！8/3/202381集成电路设计5/17/202482集成电路设计基础8/3/202382集成电路设计基础5/17/202483集成电路设计基础8/3/202383集成电路设计基础