第3章集成电路制造工艺.ppt

集成电路设计技术与工具 第三章 集成电路制造工艺 本章基本要求： 了解集成电路基本加工工艺 了解CMOS工艺流程的主要步骤 掌握MOS工艺的自对准原理 了解器件模拟及工艺模拟的意义及原理 内容提要 3.1 引言 3.2 集成电路基本加工工艺 3.3 CMOS集成电路的基本制造工艺 3.4 集成电路工艺及器件CAD 3.5 本章小结 3.1 引言 集成电路基本加工工艺包括衬底外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、绝缘层和金属层形成等。而集成电路的特定工艺包括硅基的双极型工艺、CMOS、BiCMOS，锗硅HBT工艺和BiCMOS工艺，SOI材料的CMOS工艺，GaAs基/InP基的MESFET工艺、HEMT工艺和HBT工艺等。 尽管特定工艺种类繁多，若以晶体管类型来区分，目前常用的大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS、BiCMOS四大类型。 目前应用最广泛的特定工艺是CMOS工艺。 在CMOS工艺中，又可细分为DRAM工艺、逻辑工艺、模拟数字混合集成工艺，RFIC工艺等。 本章将介绍主流的CMOS工艺的基本加工过程。 3.2 集成电路基本加工工艺 制造一个集成电路需要经过几十甚至几百道工艺过程。这样复杂的工艺过程其实是由数种基本的集成电路加工工艺组成的。集成电路的基本加工工艺包括外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、金属层的形成、绝缘层的形成等。任何复杂的集成电路制造都可以分解为这些基本加工工艺。下面分别介绍几种主要的集成电路基本加工工艺。 3.2.1 外延生长 “外延”是指在单晶硅衬底上生长一层新单晶的技术。同质外延 vs. 异质外延 外延层具有很多优良性能。 不同的外延工艺可制备不同的材料系统。目前常见的外延技术为化学汽相沉积 （CVD：Chemical Vapor Deposition）、金属有机物汽相沉积（MOCVD：Metal Organic CVD）和分子束外延生长（MBE：Molecular Beam Epitaxy）。 3.2.2 掩膜的制版工艺 在集成电路开始制造之前，需要预先设定好每个工艺的制造过程和先后顺序。 每个工艺中都需要掩膜来覆盖暂时不需要加工的位置，需要加工的位置则需要按照一定的图形来加工。 版图设计就是将集成电路的布局按照集成电路工艺过程分为多层掩膜版的过程。 将这些过程制作成掩膜版的过程就是制版。 制版就是要产生一套分层的版图掩膜，为将来将设计的版图转移到晶圆上做准备，掩膜版主要用在光刻工艺过程中。 掩膜制造 掩膜版可分成：整版及单片版 整版是指晶圆上所有的集成电路芯片的版图都是有该掩膜一次投影制作出来的。各个单元的集成电路可以不同。 单片版 是指版图只对应晶圆上的一个单元。其他单元是该单元的重复投影。晶圆上各个芯片是相同的。 早期掩膜制造是通过画图照相微缩形成的。 光学掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层60~80nm厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为铬版（Cr mask），通常也称为光学（掩膜）版。 新的光刻技术的掩膜版与光刻技术有关。 3.2.3 光刻 光刻是把掩模版上的图形映射到晶圆上，并在晶圆上形成器件结构。光刻的灵敏度和分辨率等对IC图形结构的形成，起着决定性的作用。 光刻线条所能达到的最小尺寸通常被称为特征尺寸，用来评价一条IC生产线的技术水平。 光刻基本步骤： 涂光刻胶 ?曝光?显影与后烘?刻蚀?去除光刻胶 3.2.4 掺杂 热扩散法掺杂 利用原子在高温下的扩散运动，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。 热扩散通常分两个步骤进行： 预淀积（predeposition，也称预扩散） 推进（drive in，也称主扩散）。 离子注入法掺杂 离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布。 3.2.5 绝缘层形成 在集成电路工艺中，导体和绝缘体是互补而又相对的。 绝缘层的作用 电隔离 防止湿气侵扰、化学玷污和机械划伤的保护作用 制作如MOS晶体管等器件 两种常见的隔离手段 局部氧化隔离法隔离（LOCOS） 浅沟槽隔离（STI） 3.2.6 金属层形成 集成电路工艺中的金属层有三个主要功能 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。 金属层的形成主要采用 物理汽相沉积（PVD：Pysical Vapor Deposition）技术。PVD技术有蒸镀和溅镀两种。 金属CVD技术，正在逐渐发展过程中 3.4 CMOS集成电路的基本制造工艺 CMOS工艺技术是当代VLSI工艺的主流工艺技术，该工艺是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，特点是将NMOS器件和PMOS器件同时制作在同一衬底上。COMOS工艺一般可分为三类：P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺和双阱CMOS工艺。 3.