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1、集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 系系统统需需求求第1页/共82页 集成电路的设计过程：设计创意 +仿真验证集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化网表时序仿真布局布线版图后仿真否是否否是Sing off设计业第2页/共82页制造业芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次第3页/共
2、82页集成电路芯片的显微照片第4页/共82页集成电路的内部单元(俯视图)第5页/共82页沟道长度为沟道长度为0.150.15微米的晶体微米的晶体管管 栅长为栅长为9090纳米的栅图形照片纳米的栅图形照片第6页/共82页 50 m100 m头发丝粗细 30 m1 m 1 m(晶体管的大小)3050 m(皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较第7页/共82页N沟道沟道MOS晶体管晶体管第8页/共82页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95%以上。第9页/共82页第10页/共82页集成电路制造工
3、艺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第11页/共82页图形转换：光刻图形转换：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3m的线条第12页/共82页正胶：曝光正胶：曝光后可溶后可溶负胶：曝光负胶：曝光后
4、不可溶后不可溶第13页/共82页图形转换：光刻图形转换：光刻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(1025m)，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第14页/共82页三种光刻方式第15页/共82页图形转换：光刻图形转换：光刻超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV)电子束光刻 X射线离子束光刻第16页/共82页图形转换：刻蚀技术图形转换：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
5、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第17页/共82页图形转换：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术湿法腐蚀：湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差第18页/共82页干法刻蚀干法刻蚀溅射与离子束铣蚀：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(Plasma Etching)：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
6、向异性较差反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，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第19页/共82页杂质掺杂杂质掺杂掺杂：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、离子注入第20页/共82页扩扩 散散替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：、族元素一般要在很高的温度(9501280)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系
7、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67个数量级第21页/共82页杂质横向扩散示意图第22页/共82页固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等第23页/共82页利用液态源进行扩散的装置示意图第24页/共82页离子注入离子注入离子注入：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 掺杂的均匀性好温度低：小于600可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多。可以对化合物半导
8、体进行掺杂第25页/共82页离子注入系统的原理示意图第26页/共82页离子注入到无定形靶中的高斯分布情况第27页/共82页退退 火火退火：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损伤退火方式：炉退火快速退火：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)第28页/共82页氧化工艺氧化工艺氧化：制备SiO2层SiO2的性质及其作用SiO2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
9、化学反应第29页/共82页氧化硅层的主要作用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、Si3N4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第30页/共82页SiO2的制备方法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第31页/共82页进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图第32页/共82页化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)化学
10、汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：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SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等第33页/共82页化学汽相淀积化学汽相淀积(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)第34页/共82页APCVD反应器的结构示意图第35页/共82页 LPCVD反应器的结构示意图
11、第36页/共82页平行板型PECVD反应器的结构示意图第37页/共82页化学汽相淀积化学汽相淀积(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500中等温度淀积：500800高温淀积：900左右第38页/共82页化学汽相淀积化学汽相淀积(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MO
12、S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(780820)的LPCVD或低温(300)PECVD方法淀积第39页/共82页物理气相淀积物理气相淀积(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第40页/共82页蒸发原理图第41页/共82页集成电路工艺集成电路工艺图形转换
13、：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、湿法刻蚀掺杂：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、溅射第42页/共82页CMOS集成电路制造工艺集成电路制造工艺集成电路制造工艺第43页/共82页第44页/共82页形成N阱初始氧化淀积氮化硅层光刻1版，定义出N阱反应离子刻蚀氮化硅层N阱离子注入，注磷第45页/共82页形成P阱去掉光刻胶在N阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化去掉氮化硅层 P阱离子注入，注硼第46页/共82页推阱退火驱入去掉N阱区的氧化层第47页/共82页形成场隔离区生长一层薄氧化
14、层淀积一层氮化硅光刻场隔离区，非隔离区被光刻胶保护起来反应离子刻蚀氮化硅场区离子注入热生长厚的场氧化层去掉氮化硅层形成多晶硅栅?生长栅氧化层?淀积多晶硅?光刻多晶硅栅?刻蚀多晶硅栅第48页/共82页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-47相的TiSi2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TiSi2或CoSi2第49页/共82页形成N管源漏区?光刻，利用光刻胶将PMOS区保护起来?离子注入磷或砷，形成N管源漏区形成P管源漏区?光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来?离子注入硼，形成P管源漏区第50页
15、/共82页形成接触孔 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，形成接触孔第51页/共82页形成第一层金属淀积金属钨(W)，形成钨塞第52页/共82页形成第一层金属淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu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，形成互连图形第53页/共82页形成穿通接触孔化学气相淀积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淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu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第54页/共82页合金 形成钝化层 在
16、低温条件下(小于300)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(100)晶向的硅材料第55页/共82页AA第56页/共82页双极集成电路制造工艺第57页/共82页第58页/共82页制作埋层初始氧化，热生长厚度约为5001000nm的氧化层光刻1#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双极集成电路工艺第59页/共82页生长n型外延层利用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第60页
17、/共82页形成横向氧化物隔离区热生长一层薄氧化层，厚度约50nm淀积一层氮化硅，厚度约100nm光刻2#版(场区隔离版第61页/共82页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第62页/共82页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第63页/共82页形成基区光刻3#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第64页/共82页形成接触孔：光刻4#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第65页/共82页形成发射区光刻5#版(发射区版)，利
18、用光刻胶将基极接触孔保护起来，暴露出发射极和集电极接触孔进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成发射区和集电区第66页/共82页金属化淀积金属，一般是铝或Al-Si、Pt-Si合金等光刻6#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450、N2-H2气氛下处理2030分钟形成钝化层在低温条件下(小于300)淀积氮化硅光刻7#版(钝化版)刻蚀氮化硅，形成钝化图形第67页/共82页隔离技术隔离技术PN结隔离场区隔离绝缘介质隔离沟槽隔离第68页/共82页PN结隔离工艺第69页/共82页绝缘介质隔离工艺第70页/共82页LOCOS隔离工艺第71页/共82页LOCOS
19、隔离工艺第72页/共82页沟槽隔离工艺第73页/共82页接触与互连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7080%；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加第74页/共82页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-二氧化硅结构第75页/共82页Salicide工艺淀积多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层；淀积Ti或Co等难熔金属RTP并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属；最后形成Salicide结构第76页/共82页集成电路封装工艺流程第77页/共82页各种封装类型示意图第78页/共82页 集成电路工艺小结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第79页/共82页 集成电路工艺小结集成电路工艺小结后工序划片封装测试老化筛选第80页/共82页 集成电路工艺小结集成电路工艺小结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第81页/共82页感谢您的观看！第82页/共82页