第二章____集成电路制造工艺_

教学目的和要求：1、了解集成电路制造的过程和典型工艺流程。2、了解集成电路制造过程中的关键技术及概念。3、理解集成电路设计规则及其意义，初步认识集成电路工艺水平对集成电路发展的影响。第二章集成电路制造工艺第一节概述意义：1、了解集成电路制造的基本过程的常识2、为了得到最佳集成电路设计所需要的灵活性，有必要在工艺和制造技术方面有很好的了解，以便借助于工艺技术方面的知识，在电路设计过程中可以考虑实际的版图布局等问题；3、工艺参数的知识使设计者在设计过程中能够进行成品率的计算，在成品率、性能以及简化设计之间实现平衡折衷。第二节集成电路的生产过程一、集成电路制造过程1、示意图：设计掩模板装配单晶材料芯片制造检测掩膜版二、平面工艺技术框图生成保护膜确定工作窗口开设窗口渗入杂质图象转移二、典型双极工艺制造过程（以PN结隔离技术）外延层N+N+N+P+P+NNPN+Sio2N+集电区N+发射区N+基区P隔离埋层N+PSi衬底2．工艺流程(1)制作埋层（图2.4a）SiO21#掩模版（2）生长外延层（图2.4B）N+（3）形成隔离岛（图2.4C）2＃掩模版（4）形成基区（图2.4D）P+N3#掩模版PSi(5)形成发射区，集电区(图2.4E)4＃掩模版（6）金属化(图2.4F)5＃掩模版（7）连线三、小结：双极性工艺过程，芯片制造主要包括三类技术：1、图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术。2、薄膜制造技术：主要包括外延、氧化、化学汽相淀积，物理汽相淀积（如溅射，蒸发）等。3、掺杂技术：主要包括扩散和离子注入技术。第三节集成电路制造工艺的关键技术一、图形转换技术：将掩膜板上设计好的图形转移到硅片上的技术，包括光刻与刻蚀技术。1、光刻：概念：是指通过类似于洗印照片的原理，通过暴光和选择腐蚀等工序，将掩膜版上设计好的图形转移到硅片表面涂敷的感光胶上的过程。光刻包括：光刻胶、掩膜板、光刻机三要素光刻技术决定着集成电路特征尺寸和时延。分类（1）光刻常见的方法①接触式;②接近式;③投影式.（2）超细线光刻技术（短波长的射线进行光刻）①甚远紫外线光刻;②电子束光刻;③X射线光刻;④离子束光刻.2、刻蚀技术（1）概念：将未被光刻胶掩蔽的部分有选择地腐蚀掉，从而实现将光刻胶图形转换为硅片上的图形的方法。分类：①湿法刻蚀②干法刻蚀刻蚀直接影响到特征尺寸二、薄膜制备技术概念：指通过一定的工序，在衬底表面生产成一层薄膜的技术，此薄膜可以是作为后序加工的选择性的保护膜、作为电绝缘的绝缘膜、器件制作区的外延层、起电气连接作用的金属膜等。分类：氧化、化学汽相淀积、物理汽相淀积等等。1、氧化:(1)概念:主要是指在硅表面生长二氧化硅(SiO2）膜。(2)作用：①在MOS集成电路中，SiO2层作为MOS器件的绝缘栅介质，到深亚微术或亚0.1μm工艺后，用氮氧化硅膜替代（是因为随特征尺寸缩小，膜厚减小，氮氧化硅绝缘性能更好）。②在扩散硼、磷、砷等杂质时用作掩蔽膜。③作为集成电路的隔离介质材料。④作为电容器的绝缘介质的材料。⑤作为多层金属互连层之间的介质材料。⑥作为对器件和电路进行钝化层材料。（1）概念：指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。VCD的结构可以是单晶、多晶或非晶态。（2）作用：生长外延层，淀积隔离膜，导电线等。2、化学汽相淀积（VCD）3、物理汽相淀积（1）概念：用物理的方法，如蒸发、溅射等技术，在半导体表面淀积薄膜的技术，(2)作用:主要用于实际集成电路互联的金属薄膜。三、掺杂技术概念:掺杂是指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、欧姆接触等各种结构的目的。分类主要有：扩散、离子注入两种1、扩散概念：扩散是微观粒子热运动的统计结果，是指杂质从浓度高的地方向浓度低的地方运动的过程。2、离子注入概念：离子注入是将具有很高能量的带电杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术。第四节CMOS工艺流程与直流模型一、P阱CMOS工艺主要流程1、P阱CMOS晶体管的截面图：NMOS栅极PMOS栅极2、P阱CMOS晶体管的工艺流程（1）定义P阱（图2.7(a)）1#掩膜版（2）确定有源区2#掩膜版（3）确定多晶硅栅3#掩膜版（4）PMOS管源漏区形成4#掩膜版（5）NMOS管源漏区形成5#掩膜版（6）引线孔6#掩膜版（7）铝引线形成7#掩膜版二、MOS晶体管的直流模型1、MOS场效应晶体管Shichman-Hodges模型（1）模型要求①直流模型，要表示器件在直流及低频下工作时，端电压和电流之间的数学函数关系。②以设计参数和工艺参数为参量，并在很宽的几何尺寸、工艺参数以及工作条件范围内，精确地预示实验特性。（2）低频MOS场效应晶体管模型低频MOS场效应晶体管模型(续)3µm,CMOS典型工艺参数2、模型的意义建立了工艺参数，电学参数，几何设计参数三者之间的关系，是版图设计的基础。即，对于给定的工艺（工艺参数已知），根据晶体管在电路电所起的作用（电学参数的要求），可以求出掩膜板的几何参数（即设计参数）。第五节集成电路的设计规划1、概念：集成电路设计规划通常指的是版图设计规划，即几何设计规划，它是集成电路设计和工艺制备之间的接口，是电路设计人员必须遵从的设计约束条件。2、制定设计规划的目的（意义）：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线条宽度偏差和不同层掩膜版套准偏差可能带来的问题，尽可能提高电路成品率。3、内容：在考虑器件正常工作的条件下，根据实际工艺水平（包括光刻水平、刻蚀能力、对准容差等）和成品率的要求，给出一组同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制，主要包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则，分别给出它们的最小值，以防止掩膜图形的断裂、连接和一些不良物理效应的出现。4、设计规则表示方法（1）以λ为单位的设计规则。（2）以微米为单位的设计规则。