集成电路中的有源与无源器件

,*,集成电路中的有源与无源器件,哈尔滨工程大学,集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的 化学或者物理操作。简而言之，这些操作可以分为 四大基本类：薄膜制作、光刻、刻蚀和掺杂。典型 的集成电路硅片制造工艺可能要花费六到八周的时 间，包括,350,或者更多步骤来完成所有的制造工 艺。,集成电路是在硅片制造厂中制造完成的。硅片制造厂可以分成,6,个主要的生产区：扩散（包括氧化、膜淀积和掺杂工艺）、光刻、刻蚀、薄膜、离子注人和抛光。虽然对硅片上的独立管芯进行测试的测试,/,拣选区就在硅片厂的附近，但是测试区并不与硅片制造厂的其他部分在同一超净环境当中。装配和封装则在其他工厂进行，甚至在别的国家完成。,扩散,扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域，扩散区的主要没备是高温扩散炉和湿法清洗设备。高温扩散炉可以在近,1200,的高温下工作，并能完成多种工艺流程，包括氧化、扩散、淀积、退火以及合金。湿法清洗设备是扩散区中的辅助工具。硅片在放人高温炉之前必须进行彻底地清洗，以除去硅片表面的沾污以及自然氧化层。,光刻,使用黄色荧光管照明使得光刻区与芯片厂中的其他各个区明显不同。光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一种光敏的化学物质，它通过深紫外线曝光来印制掩膜版的图像。光刻胶只对特定波长的光线敏感，例如深紫外线和白光，而对黄光不敏感。光刻区位于硅片 厂的中心。因为硅片从硅片制造厂的所有其他区流入光刻区。由于在光刻过程中缺陷和颗粒可能进入光刻胶层，沾污的控制 显得格外重要。光刻掩膜版上的缺陷以及步进光刻机上的颗粒 能够复印到所有用这些设备处理的硅片上。,硅片制造厂的分区概述,刻蚀,刻蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀区最常见的工具是等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。目前，虽然仍采用一些湿法刻蚀工艺，但大多数步骤采用 的是干法等离子体刻蚀。等离子体刻蚀机是一种采用射频（,RF,）能量在真空腔中离化气体分子的一种工具。等离子体是一种由电激励气体发光的物质 形态。等离子体与硅片顶层的物质发生化学反应。刻蚀结束后利用另一种称为去胶机的等离子体装置，用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。紧接着用一种化学溶剂彻底清洗硅片。,离子注入,离子注入机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体带着要掺的杂质，例如砷,(As),、磷,(P),、硼（,B,）在注入机中离化。采用高电压和磁场来控制并加速离子。高能杂质离子穿透了涂胶硅片的表面。离子注入完成后，要进行去胶和彻底清洗硅片。,硅片制造厂的分区概述,薄膜生长,薄膜区主要负责生产各个步骤当中的介质层与金属层的淀积。薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。薄膜生长区中有很多不同的设备。所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作，包括化学气相淀积和金属溅射工具（物理气相淀积）。该区中用到的其他设备可能会有,SOG(spin-on-glass),系统、快速退火装置（,RTP,）系统和湿法清洗设备。,SOG,用来填充硅片上的低凹区域以实现硅片表面的平坦化（使平滑）。快速退火装置用于修复离子注入引人的衬底损伤，也用于金属的合金化步骤。,抛光,CMP,（化学机械平坦化）工艺的目的是使硅片表面平坦化，这是通过将硅片表面突出的部分减薄到下凹部分的高度实现的。硅片表面凹凸不平给后续加工带来了困难，而,CMP,使这种硅片表面的不平整度降到最小。抛光机是,CMP,区的主要设备，而这一步工艺也可以叫抛光。,CMP,用化学腐蚀与机械研磨相结合，以除去硅片顶部希望的厚度。其他辅助,CMP,的设备包括刷片机（,wafer scrubber),清洗装置和测量工具。,硅片制造厂的分区概述,集成电路电阻,为形成集成电路电阻，可以淀积一层具有阻值的薄膜在硅衬底上，然后利用图形曝光技术和刻蚀定出其图样。也可以在生长于硅衬底土的热氧化层上开窗，然后注人（或是扩散）相反导电型杂质到晶片内。图显示利用后者方法形成的两个电阻的顶视图和截面图，一个是曲折型，另一个是直条型。,由掩模版定义出不同的几何图样，可同时在一个集成电路中制造出许多不同阻值的电阻因此将电阻值的大小分成两部分是很方便的：由离子注入（或是扩散）工艺决定薄层电阻,(R,）；由图样尺寸决定,L/W,比例,.,一旦,R,已知电阻值可以由,L/W,的比例得知，或是由电阻图样中的方块数目得知（每个方块的面积为,W2),。端点接触面积会增加额外的电阻值至集成电路电阻中,无源元件,无源元件,集成电路电容,在集成电路中有两种电容：,MOS,电容和,p-n,结电容。电容的制造是利用一个高浓度区域（如发射极区域）作为一个电极板上端的金属电极作为另一个电极板中间的氧化层当作介电层。为了形成,MOS,电容，一层利用热氧化的厚氧化层生长在硅衬底上。接着，利用图形曝光技术在氧化层上定义出一个窗口，然后进行氧化层刻蚀以周围的厚氧化层当作掩蔽层，利用扩散或是离子注人在窗口区域内形成,P+,区域。然后，一层热氧化的薄氧化层生长在窗口区域，接下来则是金属化的步骤。,为了增加电容的大小，人们开始研究具有较高介电常数的绝缘体如氮化硅,（,Si,3,N,4,）及五氧化二钽（,Ta,2,O,5,）,其介电常数分别为,7,和,25,。因为电容的下电极板是高浓度材料，因此,MOS,电容值与所加偏压无关高浓度材料的下电极可同时降低串联电阻。,无源元件,无源元件,集成电路电感,集成电路电感已被广泛地应用在,-,族的单片微波集成电路上,(MMIC,）。随着硅器件速度的增加及多层金属连线技术的进步，在以硅器件为主的无线电射频（,RF,）和高频应用上，集成电路电感已经越来越受到注意。利用,IC,工艺可以制作出各式各样的电感，其中最普遍的为薄膜螺旋形电感。在硅衬底上,具有两层金属螺旋形电感的顶视图和截面图。为形成一个螺旋形的电感，可利用热氧化或是淀积方式在硅衬底上形成层厚氧化层。然后，淀积第一层金属作为电感的一端。接着淀积另一层介电层在第一层金属上。利用图形曝光方式定义并刻蚀氧化层形成通孔，接着淀积第二层金属并且将通孔填满。螺旋形电感可在作为电感第二端的第二层金属上被定义及刻蚀出来。,无源元件,无源元件,双极型晶体管,目前，,MOSFET,是,ULSI,电路中最主要的器件。因为它可比其他种类器件缩小至更小的尺寸。,MOSFET,的主要技术为,CMOS(CMOSFET,，,complementary MOSFET),技术。用此技术，,n,沟道与,p,沟道,MOSFET,可以制作在同一芯片内,CMOS,技术对,ULSI,电路而言特别具有吸引力，因为在所有,IC,技术中,.CMOS,技术具有最低的功率消耗。,CMOS,制作步骤如下：,1,双阱工艺,定义,MOSFET,的有源区,通常是采用双阱工艺来定义,nMOS,和,pMOS,晶体管的有源区。双阱包括一个,n,阱和一个,p,阱，每个阱都至少包括三到五步主要步骤来完成制作。通常采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性，这一技术采用高能量、大剂量的注入，深人外延层大概,1,微米左右。随后的阱注入在相同区域进行，只是注入能量、结深以及掺杂剂量都有大幅度的减小。,CMOS,技术,形成,n,阱的,5,个主要步骤：,(1),外延生长,硅片在到达扩散区之前已经有了一个薄的外延层。外延层与衬底有完全相同的晶格结构，只是纯度更高，晶格缺陷更少而已。外延层已经进行了轻的,p,型杂质（硼）掺杂。,(2),原氧化生长,硅片漂洗、甩干之后放人高温（,1000,）炉中。工艺腔中通入氧气使之与硅发生反应，得到大约,150,的氧化层。这一氧化层主要有以下作用：,1,）保护表面的外延层免受沾污，,2,）阻止了在注入过程中对硅片过度损伤，,3,）作为氧化物屏蔽层，有助于控制注人过程中杂质的注人深度。,(3),第一层掩膜，,n,阱注人,预处理硅片的上表面涂胶、甩胶、烘焙。传送装置将经过涂胶处理的硅片每次一片地送入对准与曝光系统。光刻机将特定掩膜的图形直接刻印在涂胶的硅片上。曝光后的硅片用显影液喷到硅片上时，图形第一次显现出来。显影后的硅片再次烘焙，并在转人离子注入区前进行检测。,CMOS,制作步骤,(4)n,阱注入（高能）,刻印后的硅片来到离子注入区。光刻胶图形覆盖了硅片上的特定区域，将其保护起来免于离子注入。未被光刻胶覆盖的区域允许高能杂质阳离子穿透外延层的上表面。在每一步离子注入后，一个氧基等离子反应器将每一个硅片去胶。随后，经过一系列化学湿法清洗过程去除硅片上残留的光刻胶以及等离子体处理过程中形成的聚合物。,(5),退火,注入后的硅片被转移到扩散区，在这里硅片经过清洗处理后被放入退火炉。退火产生下列,4,个结果：,l,）裸露的硅片表面生长了一层新的阻挡氧化层，,2,）高温使得杂质向硅中移动（扩散），,3,）注入引入的损伤得到修复，,4,）杂质原子与硅原子间的共价键被激活，使得杂质原子成为晶格结构中的一部分（电学激活）。,CMOS,制作步骤,2.,浅槽隔离工艺,浅槽隔离（,STI,）是在衬底上制作的晶体管有源区之间隔离区的,一种可选工艺。,STI,槽刻蚀,STI,槽刻蚀的,4,个主要步骤：,隔离氧化层,硅片到达扩散区后，进行清洗以除去沾污和氧化，经过,漂洗和甩干后，硅片进入高温氧化设备。又一层厚度约为,150,的氧,化层生长在硅片表面，这层氧化物将作为隔离层保护有源区在去掉,氧化物的过程中免受化学沾污。,氮化物淀积,硅片被放入低压化学气相淀积（,LPCVD,）设备，在设,备的腔体中氨气和二氯硅烷发生反应，在硅片表面生成一薄层氮化,硅，作用：,1,）氮化硅是一层坚固的掩膜材料，有助于在,STI,氧化物,淀积过程中保护有源区；,2,）氮化硅可以在化学机械抛光（,CMP,）,这一步中充当抛光的阻挡材料。,CMOS,制作步骤,第三层掩膜，浅槽隔离,硅片从扩散区转移到光刻区，由于光刻的尺,度更小，此次光刻的要求比第一次光刻更加苛刻。,槽刻蚀,没有光刻胶保护的区域被离子和强腐蚀性的化学物质刻蚀掉,氮化硅、氧化硅以及硅。干法离子刻蚀机是利用大功率的射频能量,在真空反应腔中将氟基或氯基的气体离化，射频能量分解分子、离,子原子，使反应腔中充满了多种等离子体成分，这些等离子体成分,通过物理刻蚀、化学刻蚀将硅片上定义为隔离区的硅移走。,CMOS,制作步骤,STI,氧化物填充,STI,氧化物填充的基本步骤：,（,1,）沟槽衬垫氧化硅,硅片在扩散区再一次经过清洗以除去氧化物以及沾污，经过漂洗及甩干之后，硅片进入高温氧化设备。在曝露隔离沟槽的侧壁上生长了一层厚约为,150,的氧化层，氮化物掩蔽层的存在阻止了氧分子向有源区的扩散。,（,2,）沟槽,CVD,氧化物填充,这一淀积步骤既可以在扩散区利用低压化学气相淀积炉，也可以在薄膜区利用各种氧化物化学气相淀积设备完成。,CMOS,制作步骤,STI,氧化层抛光,-,氮化物去除,硅片表面的平坦化可以通过多种方法实现，过去能够通过使用,SOG,（,spin-on-glass,）填充间隙实现硅片的平坦化，,SOG,由,80,的溶剂与,20,的二氧化硅构成。淀积之后烘焙,SOG,蒸发掉溶剂，将二氧化硅留在间隙当中。也可以进行全部表面的反刻，以减少整个硅片的厚度。但是到目前为止，,CMP,（也称为抛光）是最有效的一种平坦化技术。,STI,氧化层抛光,-,氮化物去除的基本步骤：,（,1,）沟槽氧化物抛光（化学机械抛光）,在化学机械抛光区，硅片反转过来并通过真空吸附在载片台。当抛光垫贴紧一个正在旋转的抛光台时，硅片做同向旋转。抛光液在抛光过程中使得硅片和抛光垫保持湿润，同时与硅片表面的二氧化硅发生反应，这有助于研磨硅片。比二氧化硅更加坚韧的氮化硅充当抛光阻挡层，阻止隔离结构的过度抛光。,CMOS,制作步骤,（,2,）氮化物去除,在扩散区一般都配有热磷酸槽用来从硅片上去除氮化物。在扩散区硅片表面的氮化物被去除，然后清洗、漂洗、烘于，最后检查隔离氧化层的厚度。,CMOS,制作步骤,3.,多晶硅栅结构工艺,晶体管中栅结构的制作是流程当中最关键的一步，因为它包括了,最薄的栅氧