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1、会计学1MOS集成电路的基本制造工艺集成电路的基本制造工艺1.1.1.1.双极集成电路的基本工艺双极集成电路的基本工艺双极集成电路的基本工艺双极集成电路的基本工艺2.2.双极集成电路中元件结构双极集成电路中元件结构双极集成电路中元件结构双极集成电路中元件结构第1页/共67页2023/2/24pn+n-epin+P-Sin+-BLCBESP+P+双极集成电路的基本工艺双极集成电路的基本工艺第2页/共67页2023/2/24P-SiTepiCBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BLTepiAATBL-uptepi-oxxmcxjc四层三结结构的双极晶体管四层三结结构的双极晶体管双极集成
2、电路中元件结构双极集成电路中元件结构第3页/共67页2023/2/24ECB第4页/共67页相关知识点相关知识点隐埋层的作用、电隔离的概念、寄生晶体管隐埋层的作用、电隔离的概念、寄生晶体管隐埋层的作用、电隔离的概念、寄生晶体管隐埋层的作用、电隔离的概念、寄生晶体管第5页/共67页 MOSMOSMOSMOS集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺 P P P P阱阱阱阱CMOSCMOSCMOSCMOS工艺工艺工艺工艺 BiCMOSBiCMOSBiCMOSBiCMOS集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺 N N N N阱阱阱阱CMOSCMOSCMOSCMOS工艺
3、工艺工艺工艺 双阱双阱双阱双阱CMOSCMOSCMOSCMOS工艺工艺工艺工艺第6页/共67页2023/2/24MOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的开关开关开关开关n+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极N N沟沟沟沟MOSMOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)第7页/共67页2023/2/24silicon substratesourcedraingatega
4、teoxideoxideoxideoxidetop nitridemetal connection to sourcemetal connection to gatemetal connection to drainpolysilicon gatedoped siliconfield oxidegate oxideMOSMOS晶体管的立体结构晶体管的立体结构晶体管的立体结构晶体管的立体结构第8页/共67页2023/2/24在硅衬底上制作在硅衬底上制作MOS晶体管晶体管silicon substrate第9页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxidefie
5、ld oxide第10页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxidephotoresistphotoresist第11页/共67页2023/2/24Shadow on photoresistphotoresistphotoresistExposed area of photoresistChrome platedglass maskUltraviolet Lightsilicon substrateoxideoxide第12页/共67页2023/2/24非感光区域非感光区域silicon substrate感光区域感光区域oxideoxidephotore
6、sistphotoresist第13页/共67页2023/2/24Shadow on photoresistsilicon substrateoxideoxidephotoresistphotoresistphotoresist显影显影显影显影第14页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxideoxideoxidesilicon substratephotoresistphotoresist腐蚀腐蚀第15页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxideoxideoxidesilicon substratefield ox
7、ide去胶去胶第16页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxideoxideoxidegate oxidegate oxidethin oxide layer第17页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxideoxideoxidepolysiliconpolysilicongate oxide第18页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxideoxideoxidegategategateultra-thin gate oxidepolysilicongate第19页/共67页202
8、3/2/24silicon substrateoxideoxideoxideoxidegategategatephotoresistphotoresistScanning direction of ion beamimplanted ions in active region of transistorsImplanted ions in photoresist to be removed during resist strip.sourcedrainion beam第20页/共67页2023/2/24silicon substrateoxideoxideoxideoxidegategateg
9、atesourcedraindoped silicon第21页/共67页2023/2/24自对准工艺自对准工艺1.1.1.1.在有源区上覆盖一层薄氧化层在有源区上覆盖一层薄氧化层在有源区上覆盖一层薄氧化层在有源区上覆盖一层薄氧化层2.2.2.2.淀积多晶硅，用多晶硅栅极版淀积多晶硅，用多晶硅栅极版淀积多晶硅，用多晶硅栅极版淀积多晶硅，用多晶硅栅极版图刻蚀多晶硅图刻蚀多晶硅图刻蚀多晶硅图刻蚀多晶硅3.3.3.3.以多晶硅栅极图形为掩膜板，以多晶硅栅极图形为掩膜板，以多晶硅栅极图形为掩膜板，以多晶硅栅极图形为掩膜板，刻蚀氧化膜刻蚀氧化膜刻蚀氧化膜刻蚀氧化膜4.4.4.4.离子注入离子注入离子注入离
10、子注入第22页/共67页2023/2/24silicon substratesourcedraingategate第23页/共67页2023/2/24silicon substrategategatecontact holesdrainsource第24页/共67页2023/2/24silicon substrategategatecontact holesdrainsource第25页/共67页2023/2/24完整的简单完整的简单MOS晶体晶体管结构管结构silicon substratesourcedraingategateoxideoxideoxideoxidetop nitridem
11、etal connection to sourcemetal connection to gatemetal connection to drainpolysilicon gatedoped siliconfield oxidegate oxide第26页/共67页2023/2/24CMOSFETP型型 si subn+gategateoxideoxiden+gategateoxideoxideoxideoxidep+p+第27页/共67页2023/2/24VDDP阱工艺阱工艺N阱工艺阱工艺双阱工艺双阱工艺P-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINVDDN-P+P+N+N+P+N+VSS
12、VOUTVINVDDP-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINN-SiP-SiN-I-SiN+-Si第28页/共67页2023/2/24n n掩膜掩膜1：P阱光阱光刻刻P-wellP-well N+N+P+P+N+P+N-SiP第29页/共67页2023/2/24具体步骤如下：具体步骤如下：1生长二氧化硅（湿法氧化）：生长二氧化硅（湿法氧化）：Si(固体固体)+2H2O SiO2（固体）（固体）+2H2第30页/共67页2023/2/24第31页/共67页2023/2/242P阱光阱光刻：刻：涂胶涂胶涂胶涂胶腌膜对准腌膜对准腌膜对准腌膜对准曝光曝光曝光曝光光源光源显影显影显影显影第32页
13、/共67页2023/2/24第33页/共67页2023/2/24硼掺杂（离子注入）硼掺杂（离子注入）硼掺杂（离子注入）硼掺杂（离子注入）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）去胶去胶去胶去胶P+去除氧化膜去除氧化膜去除氧化膜去除氧化膜P-well3P阱掺阱掺杂：杂：第34页/共67页2023/2/24第35页/共67页2023/2/24离子源离子源离子源离子源高压高压高压高压电源电源电源电源电流电流积分积分器器离子束离子束离子束离子束第36页/共67页2023/2/24n n掩膜掩膜2：光刻光刻有源区有源区有源区有源区：nMOS、PMOS 晶体管形成的
14、区晶体管形成的区域域P+N+N+P+N-SiP-wellP-wellP-well 淀积氮化硅淀积氮化硅 光刻有源区光刻有源区 场区氧化场区氧化 去除有源区氮化硅及二氧化硅去除有源区氮化硅及二氧化硅SiO2隔离岛隔离岛第37页/共67页2023/2/24有源区有源区depositednitride layer有源区光刻板N型p型MOS制作区域(漏-栅-源)第38页/共67页2023/2/24P-well1.淀积氮化硅：淀积氮化硅：氧化膜生长（湿法氧化）氧化膜生长（湿法氧化）P-well氮化膜生长氮化膜生长P-well涂胶涂胶P-well对版曝光对版曝光有源区光刻板有源区光刻板2.光刻有源区：光刻
15、有源区：第39页/共67页2023/2/24P-well显显影影P-well氮化硅刻蚀去胶氮化硅刻蚀去胶3.场区氧化：场区氧化：P-well场区氧化（湿法氧化）场区氧化（湿法氧化）P-well去除氮化硅薄膜及有源区去除氮化硅薄膜及有源区SiO2第40页/共67页2023/2/24掩膜掩膜掩膜掩膜3 3：光刻多晶硅光刻多晶硅光刻多晶硅光刻多晶硅P-well去除氮化硅薄膜及有源区去除氮化硅薄膜及有源区SiO2P-wellP+N+N+P+N-SiP-well栅极氧化膜栅极氧化膜多晶硅栅极多晶硅栅极 生长栅极氧化膜生长栅极氧化膜 淀积多晶硅淀积多晶硅 光刻多晶硅光刻多晶硅第41页/共67页2023/2
16、/24P-well生长栅极氧化膜生长栅极氧化膜P-well淀积多晶硅淀积多晶硅P-well涂胶光刻涂胶光刻多晶硅光刻板多晶硅光刻板P-well多晶硅刻蚀多晶硅刻蚀第42页/共67页2023/2/24掩膜4 ：P+区光刻区光刻 1、P+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入B+，栅区有多晶硅做掩蔽，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。称为硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶P-wellP+N+N+P+N-SiP-wellP-wellP+P+第43页/共67页2023/2/24P-wellP+P-wellP+P+硼离子注入硼离子注入去胶去胶第44页/共67页2023/2/24掩膜5 ：N+区光刻区光刻
17、 1、N+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入P+，栅区有多晶硅做掩蔽，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。称为硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶P-wellP+N+N+P+N-SiP-wellP-wellP+P+N+N+第45页/共67页2023/2/24P-wellN+P-wellP+P+磷离子注磷离子注入入去胶去胶P+P+N+N+第46页/共67页2023/2/24掩膜6 ：光刻接：光刻接触孔触孔1、淀积、淀积PSG.2、光刻接触孔、光刻接触孔3、刻蚀接触孔、刻蚀接触孔P-wellP+N+N+P+N-SiP-wellP-wellP+P+N+N+磷硅玻璃（磷硅玻璃（PSG)第47页/共67
18、页2023/2/24掩膜6 ：光刻接触：光刻接触孔孔P-wellP+P+N+N+淀积PSGP-wellP+P+N+N+光刻接触孔P-wellP+P+N+N+刻蚀接触孔P-wellP+P+N+N+去胶第48页/共67页2023/2/24第49页/共67页2023/2/24掩膜7 ：光刻：光刻铝线铝线1、淀积铝、淀积铝.2、光刻铝、光刻铝3、去胶、去胶P-wellP-wellP+P+N+N+第50页/共67页2023/2/24P-wellP+P+N+N+铝线铝线PSG场氧场氧栅极氧化膜栅极氧化膜P+区区P-wellN-型硅极板型硅极板多晶硅多晶硅N+区区第51页/共67页2023/2/24Exam
19、ple:Intel 0.25 micron Process5 metal layersTi/Al-Cu/Ti/TiNPolysilicon dielectric第52页/共67页2023/2/24Interconnect Impact on Chip第53页/共67页2023/2/24掩膜8：刻刻钝钝化孔化孔CircuitPADCHIP第54页/共67页双阱标准CMOS工艺P+p-epip welln wellp+n+gate oxideAl(Cu)tungstenSiO2SiO2TiSi2field oxide增加器件密度增加器件密度防止寄生晶体管效应（闩锁效应）防止寄生晶体管效应（闩锁效应
20、）第55页/共67页p-epiP阱阱n+STITiSi2STI深亚微米深亚微米CMOS晶体晶体管结构管结构STISTISTIN阱阱n-n+n-p+p-p+p-源/漏扩展区浅槽隔离侧墙多晶硅硅化物第56页/共67页2023/2/24功耗功耗驱动能力驱动能力CMOS双极型双极型Bi-CMOSBiCMOS集成电路工艺第57页/共67页2023/2/24BiCMOS工艺分类工艺分类n n以以以以CMOSCMOS工艺为基础的工艺为基础的工艺为基础的工艺为基础的BiCMOSBiCMOS工艺工艺工艺工艺n n以双极工艺为基础的以双极工艺为基础的以双极工艺为基础的以双极工艺为基础的BiCMOSBiCMOS工工
21、工工艺。艺。艺。艺。第58页/共67页2023/2/24以以P阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工艺工艺NPN晶体管电流增益小；晶体管电流增益小；集电极的串联电阻很大集电极的串联电阻很大;NPN管管C极只能接固定电位，从而限制了极只能接固定电位，从而限制了NPN管的使用管的使用第59页/共67页2023/2/24以以N阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工艺工艺NPN具有较薄的基区，提高了其性能；具有较薄的基区，提高了其性能；N阱使得阱使得NPN管管C极与衬底隔开，可根据电路需要接电位极与衬底隔开，可根据电路需要接电位集电极串联电阻还是太大，影响双极器件的驱动能力集电
22、极串联电阻还是太大，影响双极器件的驱动能力在现有在现有N阱阱CMOS工艺上增加一块掩膜板工艺上增加一块掩膜板第60页/共67页2023/2/24 以以N阱阱CMOS工艺为基础的改进工艺为基础的改进BiCMOS工艺工艺使使NPN管的集电极串联电阻减小管的集电极串联电阻减小5 6倍倍；使使CMOS器件的抗闩锁性能大大提高器件的抗闩锁性能大大提高第61页/共67页2023/2/24三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）（1 1）背面减薄）背面减薄）背面减薄）背面减薄（2 2）切片）切片）切片）切片（3 3）粘片）粘片）粘片）粘片（4 4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊）
23、压焊：金丝球焊（5 5）切筋）切筋）切筋）切筋（6 6）整形）整形）整形）整形（7 7）密封）密封）密封）密封（8 8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（9 9）老化）老化）老化）老化（1010）成测）成测）成测）成测（1111）打印、包装）打印、包装）打印、包装）打印、包装第62页/共67页2023/2/24金丝劈加热压焊第63页/共67页2023/2/24三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）第64页/共67页2023/2/24第65页/共67页2023/2/24作业：作业：作业：作业：1.课本P14，1.2题2.下图是NMOS晶体管的立体结构图，请 标出各区域名称及掺杂类型，并画出这个器件的版图（包括接触孔和金属线）。3.名词解释：MOS NMOS PMOS CMOS 场氧、有源区、硅栅自对准工艺第66页/共67页