半导体制造工艺简介半导体制工艺简介造工艺简介.ppt

集成电路版图设计与验证 第三章 半导体制造工艺简介 学习目的 （1）了解晶体管工作原理，特别是MOS管的工作原理 （2）了解集成电路制造工艺 （3）了解COMS工艺流程 主要内容 3.1半导体基础知识 3.2 工艺流程 3.3 工艺集成 3.1半导体基础知识 半导体硅原子结构：4个共价键，比较稳定，没有明显的自由电子。 3.1半导体基础知识 1、半导体能带 禁带带隙介于导体和绝缘体之间 2、半导体载流子 空穴和电子 3.1半导体基础知识 3、半导体分类 N型半导体和P型半导体 掺杂半导体的特点： （1）导电性受掺杂浓度影响。被替代的硅原子数越多，材料的电阻率越低，越容易导电。 （2）多子的浓度取决于杂质浓度，少子的浓度取决于温度。 3.1半导体基础知识 关于扩散电阻： 集成电路中经常见到的扩散电阻其实就是利用掺杂的方法改变材料的电阻率得到的。但是当掺杂的杂质浓度增高时，电阻率会随着浓度增高快速降低吗？ （与温度有关：杂质需要完全电离；掺杂半导体中载流子的迁移率会随杂质浓度增加而显著下降） 3.1半导体基础知识 4、 PN结 单向导电性：整流、开关、稳压二极管。 、5 MOS场效应管 （1）MOS管结构 NMOS、PMOS和CMOS MOS管是左右对称的，漏和源可以互换，只是外加电压不同。 3.1半导体基础知识 漏区和源区称为有源区，是由掺杂形成的。 栅：铝栅和硅栅（性能更好） MOS晶体管尺寸定义：宽和长 （2）MOS管工作原理 反型层、沟道、饱和。 饱和之后，沟道形成楔型，电流不再增加。（漏端电压增加，但沟道的电阻率也在增加） 3.1半导体基础知识 （3）MOS管应用 栅压越大，电子沟道越厚，沟道电阻率越低，电流越大。因此MOS晶体管是电压控制电流的器件。 数字电路：开关作用，栅压为VDD或GND 模拟电路：栅压介于VDD和GND之间，调整电流大小，进行信号放大作用。 主要内容 3.1半导体基础知识 3.2 工艺流程 3.3 工艺集成 3.2 工艺流程 1 制造工艺简介 2 材料的作用 3 工艺流程 4 常用工艺之一：外延生长 5 常用工艺之二：光刻 6 常用工艺之三：刻蚀 7 常用工艺之四：掺杂 8 常用工艺之五：薄膜制备 3.2 工艺流程 材料制备 1 制造工艺简介 （a）n型硅晶片原材料（b）氧化后的晶片 1 制造工艺简介 （c）涂敷光刻胶（d）光刻胶通过掩膜版曝光 1 制造工艺简介 （a）显影后的晶片（b）SiO2去除后的晶片 氧化工艺 1 制造工艺简介 （c）光刻工艺处理后的晶片 （d）扩散或离子注入形成PN结 光刻和刻蚀工艺；扩散和离子注入工艺 1 制造工艺简介 （e）光刻工艺处理后的晶片（金属化工艺） （f）完整工艺处理后的晶片（光刻工艺） 1 制造工艺简介 工艺总结一：集成电路的制造是平面工艺，需要多层加工 工艺总结二：芯片是由底层P-Sub到最上层的不同图形层次叠加而成。 2 材料的作用 表2.1 集成电路中所需要的材料 导体：低值电阻，电容极板，器件边线，接触，焊盘 半导体：衬底 绝缘体：电容介质，栅氧化层，横向隔离，层间隔离，钝化层 3 工艺流程 集成电路的制造工艺是由多种单道工艺组合而成的，单道工艺通常归为以下三类： （1）薄膜制备工艺：包括外延生长、氧化工艺、薄膜淀积工艺，如制造金属、绝缘层等。 （2）图形转移工艺：包括光刻工艺和刻蚀工艺。 （3）掺杂工艺：包括扩散工艺和离子注入工艺。 3 工艺流程 以上工艺重复、组合使用，就形成集成电路的完整制造工艺。 光刻掩模版（mask）：版图完成后要交付给代工厂，将版图图形转移到晶圆上，就需要经过一个重要的中间环节——制版，即制造一套分层的光刻掩膜版。 3 工艺流程 制版——光刻掩膜版就是讲电路版图的各个层分别转移到一种涂有感光材料的优质玻璃上，为将来再转移到晶圆做准备，这就是制版。 每层版图都有相对应的掩膜版，并对应于不同的工艺。 4 常用工艺之一：外延生长 半导体器件通常不是直接做在衬底上的，而是先在沉底上生长一层外延层，然后将器件做在外延层上。外延层可以与沉底同一种材料，也可以不同。 在双极型集成电路中：可以解决原件间的隔离；减小集电极串联电阻。 在CMOS集成电路中：可以有效避免闩锁效应。 5 常用工艺之二：光刻 目的：按照集成电路的设计要求，在SiO2或金属层上面刻蚀出与光刻掩膜版完全相对应的几何图形，以实现选择性扩散或金属布线的目的。 5 常用工艺之二：光刻 主要步骤 （1）在晶圆上涂一层光刻胶，并将掩膜版放在其上。 （2）曝光。正胶感光部分易溶解，负胶则相反。 （3）显影、刻蚀。 （4）去除光刻胶 尘埃粒子影响：洁净室 接触式和接近式曝光 掩膜 图形转移 图形转移 5