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北京pk10是国家彩票吗 《微电子学概论》Chap04

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《微电子学概论》Chap04

晨辞叶
2018-11-11 0人阅读 0 0 0 暂无简介 举报

北京pk10是国家彩票吗 www.qdpo.net 简介:本文档为《《微电子学概论》Chap04ppt》,可适用于工程科技领域

第四章集成电路制造工艺集成电路的制造需要非常复杂的技术它主要由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计者可以不去深入研究但是作为从事系统设计的工程师有必要了解芯片设计中的工艺基础知识才能根据工艺技术的特点优化电路设计方案。对于电路和系统设计者来说更多关注的是工艺制造的能力而不是工艺的具体实施过程。由于系统芯片SOC(SystemOnChip)的出现给IC设计者提出了更高的要求也面临着新的挑战:设计者不仅要懂系统、电路也要懂工艺、制造。学习工艺的必要性集成电路设计与制造的主要流程框架包括功能设计、逻辑设计、电路设计、掩膜版图设计、计算机仿真(后面章节讨论)。集成电路的设计过程:设计创意仿真验证设计业制造业芯片制造过程AA直拉单晶硅集成电路芯片的显微照片集成电路的内部单元(俯视图)Vsspoly栅Vdd布线通道参考孔有源区NPN沟道MOS晶体管CMOS集成电路(互补型MOS集成电路):目前应用最为广泛的一种集成电路约占集成电路总数的以上。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一、图形转换:光刻光刻三要素:光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶又叫光致抗蚀剂它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶是对光、电子束或者x线等敏感具有在显影液中溶解性变化的性质同时具有耐腐蚀性的材料。光刻胶有正型和负型两种。正型光刻胶受紫外线照射其感光的部分发生光分解反应溶于显影液末感光的部分显影后仍然留在基片的表面。与此相反负型光刻胶的未感光的部分溶于显影液中而感光部分显影后仍留在基片表面。光刻胶受到特定波长光线的作用后导致其化学结构发生变化使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变正胶:分辨率高在超大规模集成电路工艺中一般只采用正胶负胶:分辨率差适于加工线宽≥?m的线条正胶:曝光后可溶负胶:曝光后不可溶光刻工艺流程示意图光刻工艺(Photolithography)将电路图形转移到晶片上Design=>Mask(掩膜)=>Wafer(晶片)光刻需要的掩模CMOS电路版图和断面构造版图Layout掩模MaskCMOS工艺中使用的掩模(与左图对应)IC由不同层次的材料组成的。每一层上的图形各不相同。在每一层上形成不同图形的过程叫光刻。版图由代表不同类型“层”的多边形组成。在IC工艺中制作每一层时都需要用掩模板来确定在什么位置进行掺杂、腐蚀、氧化等。光刻是定域半导体面积的一种手段。在此确定的面积上进行工艺加工。光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与Mask上完全对应的几何图形从而实现选择性掺杂、腐蚀、氧化等目的。光刻工序:光刻胶的涂覆→爆光→显影→刻蚀→去胶光刻的基本要素是掩模板和光刻胶。三种光刻方式二、几种常见的光刻方法接触式光刻:分辨率较高但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光:在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(~?m)可以大大减小掩膜版的损伤分辨率较低投影式曝光:利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法目前用的最多的曝光方式三、超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV)电子束光刻X射线离子束光刻经过光刻后在光刻胶上得到的图形并不是器件的最终组成部分光刻只是在光刻胶上形成临时图形。为了得到集成电路真正需要的图形必须将光刻胶上的图形转移到硅片上。完成这种图形转换的方法之一就是将未被光刻胶掩蔽的部分通过选择性腐蚀去掉。常用的腐蚀方法分为湿法刻蚀和干法刻蚀四、刻蚀技术湿法刻蚀:利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干法刻蚀:主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的湿法腐蚀:利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法用在线条较大的IC(≥mm)优点:选择性好重复性好生产效率高设备简单成本低缺点:钻蚀严重对图形的控制性差广泛应用在半导体工艺中:磨片、抛光、清洗、腐蚀干法刻蚀主要有溅射与离子束刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀等。溅射与离子束刻蚀:通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀各向异性性好但选择性较差等离子刻蚀(PlasmaEtching):利用放电产生的游离基与材料发生化学反应形成挥发物实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小但各向异性较差反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching简称为RIE):通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术干法刻蚀:主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。优点:各项异性好可以高保真的转移光刻图形扩散与离子注入掺杂:将需要的杂质掺入特定的半导体区域中以达到改变半导体电学性质形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)N型硅硼(B)P型硅掺杂工艺:扩散、离子注入一扩散扩散法(diffusion)是将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中将杂质扩散到硅片内的一种方法。有以下两种扩散方式:替位式扩散:杂质离子占据硅原子的位:Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的温度(~℃)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层间隙式扩散:杂质离子位于晶格间隙:Na、K、Fe、Cu、Au等元素扩散系数要比替位式扩散大~个数量级对于杂质扩散除了纵向扩散(向垂直硅表面方向扩散)外还有横向扩散(向侧面扩散)。杂质横向扩散示意图立体示意图剖面图由于横向扩散实际的扩散区宽度将大于氧化层掩蔽窗口的尺寸对制作小尺寸器件不利扩散方法主要有:固态源扩散、液态源扩散和气态源扩散横向扩散使扩散区的四个角为球面状引起电场在该处集中导致pn结击穿电压降低。掺杂层的横向扩展固态源扩散:如BO、PO、BN等利用固态源进行扩散的装置示意图利用液态源进行扩散的装置示意图二离子注入离子注入:将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定(需要进行退火处理)。离子注入的主要特点:掺杂的均匀性好温度低:小于℃可避免高温过程引起的缺陷??梢跃房刂圃又史植伎梢宰⑷敫髦指餮脑睾嵯蚶┱贡壤┥⒁〉枚?。(接近垂直射入衬底)可以对化合物半导体进行掺杂。(化合物半导体材料经过高温过程后组分可能发生变化因此无法采用高温扩散工艺进行掺杂)离子注入目前已成为集成电路工艺中主要的杂质掺杂技术离子注入系统的原理示意图离子注入系统主要包括:离子源(产生注入离子)、磁分析器(筛选出需要的杂质离子)、加速管、聚焦和扫描系统、靶室和后台处理系统。离子注入到无定形靶中的高斯分布情况离子注入原理:高能离子射入靶(衬底)后不断与衬底中的原子核以及核外电子碰撞能量逐步损失最后停止下来。每个离子停止下来的位置是随机的大部分将不在晶格上。三退火退火:也叫热处理集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。退火作用:激活杂质:使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置以便具有电活性产生自由载流子起到杂质的作用消除晶格损伤引起的晶体缺陷退火方式:炉退火:在扩散炉中升温然后降温时间太长使杂质分布发生显著改变引起横向扩散快速退火:脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)可在很短时间(~s)消除缺陷激活杂质完成退火。氧化工艺氧化:制备SiO层SiO的性质及其作用SiO是一种十分理想的电绝缘材料它的化学性质非常稳定室温下它只与氢氟酸发生化学反应一氧化硅层的主要作用在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质器件的组成部分扩散时的掩蔽层离子注入的(有时与光刻胶、SiN层一起使用)阻挡层作为集成电路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料二SiO的制备方法热氧化法干氧氧化水蒸汽氧化湿氧氧化干氧-湿氧-干氧(简称干湿干)氧化法氢氧合成氧化化学气相淀积法热分解淀积法溅射法Si(固体)O??SiOSiHO??SiOH进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition):通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点:具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜例如掺杂或不掺杂的SiO、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等化学汽相淀积(CVD)常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD)常压化学汽相淀积(APCVD)反应器的结构示意图低压化学汽相淀积(LPCVD)反应器的结构示意图这种反应器的最大特点是薄膜厚度的均匀性非常好,装片量大,但淀积速度慢平行板型PECVD反应器的结构示意图(这种反应器的最大优点是淀积温度低)化学汽相淀积(CVD)单晶硅的化学汽相淀积(外延):一般地将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积:可以作为金属化时的介质层而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源低温CVD氧化层:低于℃中等温度淀积:~℃高温淀积:℃左右SiClH??SiHCl化学汽相淀积(CVD)多晶硅的化学汽相淀积:利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入使MOS集成电路的集成度得到很大提高。氮化硅的化学汽相淀积:中等温度(~℃)的LPCVD或低温(℃)PECVD方法淀积物理气相淀积(PVD)蒸发:在真空系统中金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子淀积在晶片上。按照能量来源的不同有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种溅射:真空系统中充入惰性气体在高压电场作用下气体放电形成的离子被强电场加速轰击靶材料使靶原子逸出并被溅射到晶片上蒸发原理图集成电路工艺图形转换:光刻:接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻刻蚀:干法刻蚀、湿发刻蚀掺杂:离子注入退火扩散制膜:氧化:干氧氧化、湿氧氧化等CVD:APCVD、LPCVD、PECVDPVD:蒸发、溅射作业集成电路工艺主要分为哪几大类每一类中包括哪些主要工艺并简述各工艺的主要作用简述光刻的工艺过程CMOS集成电路制造工艺、形成N阱(见图a)初始氧化淀积氮化硅层光刻版定义出N阱反应离子刻蚀氮化硅层N阱离子注入注磷双阱CMOS工艺制作CMOS反相器的工艺流程图如下:(磷砷)(N阱光刻)(N阱磷注入砷注入)(a)、形成P阱(见图bc)在N阱区生长厚氧化层其它区域被氮化硅层?;ざ换岜谎趸サ艄饪探杭暗璨鉖阱离子注入注硼(硼)(氧化层)(N阱氧化)(第一次p阱硼注入)(b)、推阱退火驱入去掉N阱区的氧化层(阱推进)(第二次和第三次p阱硼注入)(c)、形成场隔离区(见图d)生长一层薄氧化层淀积一层氮化硅光刻场隔离区非隔离区被光刻胶?;て鹄捶从胱涌淌吹璩∏胱幼⑷肴壬ず竦某⊙趸闳サ舻璨?、形成多晶硅栅(见图de)生长栅氧化层淀积多晶硅光刻多晶硅栅刻蚀多晶硅栅多晶硅栅(d)场氧生长栅氧多晶硅淀积多晶硅刻蚀、形成硅化物淀积氧化层反应离子刻蚀氧化层形成侧壁氧化层淀积难熔金属Ti或Co等低温退火形成C相的TiSi或CoSi去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Co高温退火形成低阻稳定的TiSi或CoSi(e)侧墙选择n注入选择p注入源漏杂质激活自对准硅化物、形成N管源漏区光刻利用光刻胶将PMOS区?;て鹄蠢胱幼⑷肓谆蛏樾纬蒒管源漏区、形成P管源漏区(见图e)光刻利用光刻胶将NMOS区?;て鹄蠢胱幼⑷肱鹦纬蒔管源漏区、形成接触孔(见图f)化学气相淀积磷硅玻璃层退火和致密光刻接触孔版反应离子刻蚀磷硅玻璃形成接触孔(f)介质I平坦化:淀积氧化层氧化层回流光刻、刻蚀、形成第一层金属(见图gh)淀积金属钨(W)形成钨塞(g)溅射TiWLPCVD钨刻蚀钨(W塞)、形成第一层金属淀积金属层如AlSi、AlSiCu合金等光刻第一层金属版定义出连线图形反应离子刻蚀金属层形成互连图形(h)溅射Tiw淀积Al(Cu)形成金属I、形成穿通接触孔(见图i)化学气相淀积PETEOS通过化学机械抛光进行平坦化光刻穿通接触孔版反应离子刻蚀绝缘层形成穿通接触孔、形成第二层金属(见图i)淀积金属层如AlSi、AlSiCu合金等光刻第二层金属版定义出连线图形反应离子刻蚀形成第二层金属互连图形(i)淀积氧化层刻蚀穿通孔形成金属II、合金、形成钝化层在低温条件下(小于℃)淀积氮化硅光刻钝化版刻蚀氮化硅形成钝化图形、测试、封装完成集成电路的制造工艺CMOS集成电路一般采用()晶向的硅材料(过程见CMOS)AA双极集成电路制造工艺双极集成电路最主要的应用领域是模拟和超高速集成电路,集成电路中晶体管的所有电极都必须制作在芯片的表面。在现代集成电路工艺中广泛采用的是厚场氧化层隔离方法和先进的沟槽隔离方法。采用厚氧化层隔离技术的npn晶体管的截面图制作埋层(如图a):主要作用是减少集电极的串联电阻。初始氧化热生长厚度约为~nm的氧化层光刻#版(埋层版)利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氧化层刻蚀掉并去掉光刻胶进行大剂量As注入并退火形成n埋层双极集成电路工艺(a)生长n型外延层(如图b)利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层将硅片放入外延炉中进行外延外延层的厚度和掺杂浓度一般由器件的用途决定(b)形成横向氧化物隔离区(如图cde)热生长一层薄氧化层厚度约nm淀积一层氮化硅厚度约nm光刻#版(场区隔离版)(C)形成横向氧化物隔离区利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氮化硅层氧化层以及一半的外延硅层刻蚀掉进行硼离子注入(d)形成横向氧化物隔离区去掉光刻胶把硅片放入氧化炉氧化形成厚的场氧化层隔离区去掉氮化硅层(e)形成基区(如图f)光刻#版(基区版)利用光刻胶将收集区遮挡住暴露出基区基区离子注入硼(f)形成接触孔(如图g):光刻#版(基区接触孔版)进行大剂量硼离子注入刻蚀掉接触孔中的氧化层(g)形成基极接触(如图h)光刻#版(基区接触孔版)进行大剂量硼离子注入形成发射区和集电极接触(如图i)光刻#版(发射区版)利用光刻胶将基极接触孔?;て鹄幢┞冻龇⑸浼图缂哟タ捉械湍芰?、高剂量的砷离子注入形成发射区和集电区(i)金属化(如图j)淀积金属一般是铝或AlSi、PtSi合金等光刻#版(连线版)形成金属互连线合金:使Al与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触一般是在℃、NH气氛下处理~分钟形成钝化层在低温条件下(小于℃)淀积氮化硅光刻#版(钝化版)刻蚀氮化硅形成钝化图形测试、封装、完成集成电路的制造工艺接触与互连Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料但Al连线也存在一些比较严重的问题电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等Cu连线工艺有望从根本上解决该问题IBM、Motorola等已经开发成功目前互连线已经占到芯片总面积的~且连线的宽度越来越窄电流密度迅速增加几个概念场区有源区栅结构材料Al二氧化硅结构多晶硅二氧化硅结构难熔金属硅化物多晶硅二氧化硅结构隔离技术在集成电路中要把晶体管在电学上隔离开目前常用的隔离技术主要有:PN结隔离等平面氧化层隔离绝缘介质隔离沟槽隔离标准隐埋集电极隔离工艺(简称SBC)见上图。首先在p型硅衬底上利用扩散技术形成n埋层再外延n型硅层然后进行隔离扩散直通衬底的p型区从而将外延层分割成一个一个孤立的n型区不同n型区之间靠反向偏置的pn结隔离。缺点:隔离区较宽限制了集成密度的提高寄生电容较大使电路速度受到限制目前少用这种隔离结构。介质隔离的工艺流程优点:隔离效果好。缺点:研磨背面时要求精确的机械定位。在硅片上热生长一层氧化硅并进行光刻利用氧化层作为掩蔽进行各向异性腐蚀刻出V形槽去掉掩蔽氧化层后热生长一层厚度为微米的氧化层该氧化层即为单晶硅和随后淀积的多晶硅之间的介质隔离层研磨硅片背面的单晶硅直至磨出单晶硅岛为止在这些硅岛内可制作各种类型的器件采用厚氧化层隔离技术的npn晶体管的截面图这种工艺中横向之间采用氧化层介质隔离纵向为pn结隔离是一种混合隔离结构。优点:寄生电容小隔离面积小适合于制作高速、高密度集成电路。MOS集成电路隔离工艺MOS晶体管的结构本身具有自隔离性在同一硅片上制作MOS晶体管无需采用隔离措施。但当导线经过相邻MOS管之间的场氧化层上时,该导线将成为寄生MOS管的栅极,若导线上的电压大到一定的程度时就可能导致寄生MOS管开启,使相邻晶体管之间的隔离被破坏因此,MOS集成电路隔离的实质就是如何防止场寄生晶体管开启局部氧化隔离(LOCOS)工艺(MOS集成电路中应用最为广泛的隔离技术)在硅片上热生长一层薄氧化层并CVD淀积一层氮化硅之后进行光刻以光刻胶作为掩蔽层刻蚀场区的氮化硅氧化硅层通过离子注入进行场区掺杂去胶以后利用氮化硅作为掩蔽层进行场区氧化最后再去掉氮化硅完成了LOCOS隔离工艺通过离子注入进行场区掺杂沟槽隔离工艺在硅片上热生长一层氧化硅并CVD淀积一层氮化硅通过光刻定义出隔离槽的位置之后利用反应离子刻蚀技术刻蚀氮化硅、氧化硅进而刻出比较深的隔离槽并在隔离槽壁上热氧化生长一层氧化层。最后再利用CVD方法淀积多晶硅或氧化硅回填隔离槽实现了器件与器件之间的介质隔离。优点:隔离效果好消除了LOCOS隔离结构中寄生双极晶体管的闩锁效应隔离间距小有利于提高集成度适合于制作窄宽度的MOS晶体管。集成电路封装工艺在常见电路中的集成块都是封装好的集成电路,没有封装好的集成电路一般是不能直接使用各种封装类型示意图集成电路工艺小结前工序图形转换技术:主要包括光刻、刻蚀等技术薄膜制备技术:主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发)等掺杂技术:主要包括扩散和离子注入等技术后工序划片封装测试老化筛选辅助工序超净厂房技术超纯水、高纯气体制备技术光刻掩膜版制备技术材料准备技术作业设计制备NMOSFET的工艺并画出流程图

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