集成电路工艺原理
集成电路工艺原理接触及互连原理
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各
种
延
迟
减小互连延迟的途径:
1）低电阻率金属(Cu) 2）low-k介质
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对IC金属化系统的主要要求
电学、机械、热学、热力学及化学
(1) 金属和半导体形成低阻接触 (2) 低阻互连 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 台阶覆盖好 (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单
1540 2165 1326 992
TiN
50-150
2950
Ti30W70 Heavily doped poly-Si
75-200 450-10000
2200 1417
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衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻 c
金属线 接触面积A
重掺杂硅
rc
1 dJ
dV V 0
定义：零偏压附近电流密
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（1）铝的电迁移
当大密度电流流过金属薄膜时，具有大动量 的导电电子将与金属原子发生动量交换，使 金属原子沿电子流的方向迁移，这种现象称 为金属电迁移
电迁移会使金属原子在阳极端堆积，形成小 丘或晶须，造成电极间短路；在阴极端由于 金属空位的积聚而形成空洞，导致电路开路
void Hillock e
金属间介质（IMD）
钝化层（passivation）
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后端工艺越来越重要 占了工艺步骤中大部分 影响IC芯片的速度
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多层金属互 连增加了电 路功能并使 速度加快
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互
连
的
速
度
限
制
可
以
作
由全局互连造成的延迟可以表达为：
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理集成电路是现代电子技术的重要组成部分，它的出现使得电子设备变得更加小型化、高效化和可靠化。
本文将详细介绍集成电路的工作原理，从晶体管、逻辑门到集成电路的制造过程等方面进行探讨。
1. 晶体管的基本原理晶体管是集成电路的基本单元，其基本原理是利用半导体材料的特性来实现信号放大和开关控制。
在晶体管中，一般由两个PN结构组成：N型半导体和P型半导体。
当控制端施加适当电压时，PN结的导电性发生变化，使得电流可以通过或被阻断。
2. 逻辑门的构成和功能逻辑门是由晶体管组成的电路，用于处理数字信号。
常见的逻辑门有与门、或门、非门等。
以与门为例，当输入端1和输入端2同时为高电平时，输出端才为高电平；否则输出端为低电平。
逻辑门的功能是根据输入信号的逻辑条件，产生相应的输出信号。
3. 集成电路的分类和特点集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路。
模拟集成电路主要用于信号的放大和处理，数字集成电路用于处理离散的二进制信号。
集成电路的特点包括体积小、功耗低、性能稳定和可靠性高等，这使得它在电子产品中得到广泛应用。
4. 集成电路的制造过程集成电路的制造过程主要包括晶圆制备、光刻、扩散、腐蚀和封装等环节。
首先，通过化学物质对硅晶片进行处理，形成所需的零件结构。
然后，利用光刻技术将图形投射到硅片上，并进行刻蚀。
接着，通过扩散和腐蚀等工艺步骤，形成晶体管和逻辑电路等功能。
最后，将集成电路封装到外壳中，以便安装和连接。
5. 集成电路的应用领域集成电路广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子和医疗器械等领域。
在计算机领域，中央处理器和内存芯片等都是基于集成电路技术的。
在通信领域，手机和网络设备等都需要借助集成电路来实现信号处理和通信功能。
总结：集成电路是利用晶体管和逻辑门构成的电路，通过制造工艺将它们集成到一个小的芯片上。
它的工作原理基于晶体管的特性和逻辑门的功能，实现信号的放大、处理和控制。
集成电路具有体积小、功耗低、性能稳定和可靠性高等特点，广泛应用于各个领域。
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理
集成电路是一种将许多电子元件如晶体管、电阻、电容等集成在一块硅片上的化学器件，它能够实现电子元件之间的相互连接和相互作用。
通过集成电路，许多功能模块可以被集成在一个小小的芯片上，从而实现各种复杂的电子系统。
集成电路的工作原理是基于半导体材料的特性，其中最常用的材料是硅。
半导体材料中的电子在低温下几乎处于静止状态，但是当材料被加热时，电子能量增加，它们就会跳到更高能级的位置上。
这个过程被称为激进。
在集成电路中，晶体管是最基本的元件。
晶体管由三个不同特性的材料层组成，分别是n型材料、p型材料和电解介质。
当
电流通过晶体管时，n型材料的电子会移动到p型材料中，从
而形成一个电子空穴对。
这个电子空穴对的形成导致了材料的导电性变化，使晶体管成为一个电子开关。
在集成电路中，晶体管通过连接起来，形成各种电路结构，例如放大器、逻辑门等。
这些电路结构能够根据输入信号的特性，调整晶体管的开关状态，从而实现不同的功能。
通过不同的电路结构和连接方式，集成电路能够实现各种复杂的电子功能，如计算、存储、通信等。
总之，集成电路的工作原理是基于半导体材料的特性和晶体管的工作原理。
通过将许多电子元件集成在一个芯片上，并通过不同的电路结构和连接方式，集成电路能够实现各种复杂的电子功能。
集成电路工作原理
集成电路工作原理
集成电路是将多个电子器件和元件集成在一块半导体材料上，通过布线和各种连接方式相互连接组合而成的电路，它是现代电子技术的基础。
集成电路通过在半导体晶片上制作不同的电子器件，如晶体管、二极管、电阻器、电容器等，然后将它们连接在一起形成完整的电路。
这些器件和元件通过微细的金属线或多层金属层电路互连起来，从而实现复杂的功能。
集成电路的工作原理可以大致分为三个步骤：制作、封装和测试。
首先，制作集成电路需要通过光刻等工艺将电子器件和元件制作在半导体晶片上。
这一步骤涉及使用特殊的光刻机、化学溶液和掩模等工具进行精细的加工，将电子器件的结构和形状准确地制作在半导体晶片的表面上。
然后，经过制作完成的半导体晶片需要进行封装。
封装是将半导体晶片用外壳保护起来，并通过金属引脚连接到外部电路中。
这一过程包括将半导体晶片倒装封装或芯片封装到保护盒中，并通过焊接或其他连接方式将引脚与晶片内的金属线连接起来，形成完整的芯片。
最后，封装完成的集成电路需要进行测试以确保其正常工作。
测试目的是检测芯片是否存在制造缺陷、故障或其他问题。
测试包括电学测试、功能测试和可靠性测试等，通过这些测试，
确认集成电路的质量和性能是否符合要求。
总的来说，集成电路利用半导体材料和微细制造工艺将多个电子器件和元件集成在一起，通过连线互连形成完整电路，能够实现复杂的功能。
制作、封装和测试是集成电路工作的三个主要步骤，每一步都需要高度的精确性和技术要求，以确保集成电路的质量和性能。
集成电路的基本原理和工作原理
集成电路的基本原理和工作原理集成电路是指通过将多个电子元件（如晶体管、电容器、电阻器等）和互连结构（如金属导线、逻辑门等）集成到单个芯片上，形成一个完整的电路系统。
它是现代电子技术的重要组成部分，广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统和各种电子设备中。
本文将介绍集成电路的基本原理和工作原理。
一、集成电路的基本原理集成电路的基本原理是将多个电子元件集成到单个芯片上，并通过金属导线将这些元件互连起来，形成一个完整的电路系统。
通过集成电路的制造工艺，可以将电子元件和互连结构制造到芯片的表面上，从而实现芯片的压缩和轻量化。
常见的集成电路包括数字集成电路（Digital Integrated Circuit，简称DIC）、模拟集成电路（Analog Integrated Circuit，简称AIC）和混合集成电路（Mixed Integrated Circuit，简称MIC）等。
集成电路的基本原理包括以下几个关键要素：1. 材料选择：集成电路芯片的制造材料通常选择硅材料，因为硅材料具有良好的电子特性和热特性，并且易于形成晶体结构。
2. 晶圆制备：集成电路芯片的制造过程通常从硅晶圆开始。
首先，将硅材料熔化，然后通过拉伸和旋转等方法制备成硅晶圆。
3. 掩膜制备：将硅晶圆表面涂覆上光感光阻，并通过光刻机在光感光阻表面形成图案。
然后使用化学溶液将未曝光的部分去除，得到掩膜图案。
4. 传输掩膜：将掩膜图案转移到硅晶圆上，通过掩膜上沉积或蚀刻等方法，在硅晶圆表面形成金属或电子元件。
5. 互连结构制备：通过金属导线、硅氧化物和金属隔离层等材料，形成元件之间的互连结构，实现元件之间的电连接。
6. 封装测试：将芯片放置在封装材料中，通过引脚等结构与外部电路连接，然后进行测试和封装。
集成电路的基本原理通过以上几个关键步骤实现电子元件和互连结构的制备和组装，最终形成一个完整的电路系统。
二、集成电路的工作原理集成电路的工作原理是指通过控制电流和电压在电路系统中的分布和变化，从而实现电子元件的工作和电路系统的功能。
集成电路制造工艺原理课程
集成电路制造工艺原理课程集成电路制造工艺原理是现代集成电路技术的基础课程之一。
在这门课程中，学生将学习到有关集成电路的制造工艺和原理。
本文将介绍一些与该课程相关的关键知识点。
首先，介绍集成电路制造工艺的基本概念。
集成电路制造工艺是指将微纳米级的材料进行加工和制造，以制造出微小而复杂的电路结构。
它涉及到多个步骤，包括晶圆制备、光刻、薄膜沉积、离子注入和金属蒸镀等。
的晶圆制备是集成电路制造的第一步，它是指将硅片加工成适合集成电路制造的形状和尺寸。
这一步骤通常包括切割、抛光和清洗等操作。
与此同时，晶圆的质量和纯度也是非常重要的，因为它们将直接影响到后续制造步骤的效果。
光刻是集成电路制造中一项非常重要的步骤。
它通过使用特殊的光刻胶和光刻机，将电路图案记录在晶圆表面上。
光刻胶是一种特殊的材料，可以在光照后形成图案，并保护晶圆表面。
光刻机则是用来控制光照的设备，它可以精确地记录电路图案。
薄膜沉积是另一个重要的制造步骤。
它通过使用特殊的化学气相沉积设备，将薄膜材料沉积在晶圆表面上。
薄膜材料可以是金属、半导体或绝缘体等。
这些薄膜将用于构建电路的不同部分，例如导线、晶体管和电容器等。
离子注入是通过将特定的离子注入晶圆表面来改变其电子结构和电学特性的过程。
这种技术被广泛应用于控制电导率和电阻等参数的调整。
通过控制离子注入的能量和浓度，可以改变晶圆的电子特性，从而实现不同的电路功能。
金属蒸镀是为了形成导线和连接器等电路元件而进行的步骤。
它通过在晶圆表面上蒸发金属材料，然后再通过化学反应固定在晶圆表面上。
这样可以形成电路连接所需的导线和连接器。
除了以上这些步骤外，还有一些其他的关键步骤，比如晶圆测试和封装等。
晶圆测试是在制造过程中对晶圆的质量进行测试和评估，以确保其符合设计参数。
而封装是将芯片封装进塑料或陶瓷外壳中，以保护芯片并方便安装。
这些步骤都是集成电路制造中不可或缺的环节。
综上所述，集成电路制造工艺原理课程涵盖了许多关键的知识点，包括晶圆制备、光刻、薄膜沉积、离子注入和金属蒸镀等。
集成电路工艺原理考点整理
第一章1、何为集成电路：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如Si、GaAs）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
关键尺寸：集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。
2、它是衡量集成电路设计和制造水平的重要尺度，越小，芯片的集成度越高，速度越快，性能越好3、摩尔定律：、芯片上所集成的晶体管的数目，每隔18个月就翻一番。
4、High-K材料：高介电常数，取代SiO2作栅介质，降低漏电。
Low-K 材料：低介电常数，减少铜互连导线间的电容，提高信号速度5、功能多样化的“More Than Moore”指的是用各种方法给最终用户提供附加价值，不一定要缩小特征尺寸，如从系统组件级向3D集成或精确的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。
6、IC企业的分类：通用电路生产厂；集成器件制造；Foundry厂；Fabless：IC 设计公司；Chipless；Fablite第二章：硅和硅片的制备7、单晶硅结构：晶胞重复的单晶结构能够制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性能8、CZ法生长单晶硅把熔化的半导体级硅液体变成有正确晶向并且被掺杂成n或p型的固体硅锭；9、直拉法目的：实现均匀掺杂和复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径，限制杂质引入；关键参数：拉伸速率和晶体旋转速度10、CMOS （100）电阻率：10~50Ω•cm BJT（111）原因是什么？11、区熔法？纯度高，含氧低；晶圆直径小。
第三章集成电路制造工艺概况12、亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型第四章氧化；氧化物12、热生长（吃硅）：在高温环境里，通过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应，得到一层热生长的SiO2 。
13、淀积：通过外部供给的氧气和硅源，使它们在腔体中方应，从而在硅片表面形成一层薄膜。
14、干氧：Si（固）＋O2（气）－> SiO2(固)：氧化速度慢，氧化层干燥、致密，均匀性、重复性好，与光刻胶的粘附性好.水汽氧化：Si （固）＋H2O （水汽）－>SiO2（固）+ H2 （气）：氧化速度快，氧化层疏松，均匀性差，与光刻胶的粘附性差。
集成电路工艺原理资料
第一章衬底材料1、三种单晶制备方法的特点和用途比较直拉法（引晶，缩颈，放肩，等径生长，收晶）基本原理：将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热，使多晶硅熔化，然后利用籽晶来拉制单-固相界面附近存在温度梯度(dT/dz)。
区熔法（悬浮区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后竖直固定在区溶炉上、下轴之间；水平区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后水平固定在区溶炉左、右轴之间）基本原理：将籽晶与多晶硅棒紧粘在一起，利用分段熔融多晶棒，在溶区由籽晶移向多晶硅棒另一端的过程中，使多晶硅转变成单晶硅。
中子嬗变掺杂法：利用热中子（即低能中子）对高阻单晶进行辐照，从而使其电阻率发生改变的方法。
主要用来对高阻区熔单晶电阻率的均匀性进行调整。
三种单晶制备方法的比较方法C、O含量直径电阻率大小电阻率均匀性用途直拉法较高大低径向、轴向均匀性很差制作VLSI区熔法较低较小高径向、轴向均匀性较差制作PowerDevice中子嬗变法不变不变可调较好调整电阻率2、硅中有害杂质的分类、存在形式及其影响非金属主要有C、O、H原子。
重金属主要有Au、Cu、Fe、Ni原子。
金属主要有Na 、K、Ca、Al、Li、Mg、Ba 原子等。
分类种类存在形式主要影响影响器件的特性参数(UT,β,Usat,fT)；影响硅单晶的力O 间隙位置学性质(降低其机械强度)；有源区外的氧有利于吸收附非金属近的重金属杂质,增强硅器件抗α粒子辐射的能力。
C 替位位置影响硅器件的电学性质(IR↑，UB↓)；会减小硅的晶格常数，引起晶格畸变；间隙90% 有多个能级和双重电活性(受主或施主)或复合重金属Au 替位10% 中心, 影响硅的电阻率(ρ)和寿命(τ)；有效的复合中心影响较严重，除影响τ, ρ外，易在缺陷处形成杂Cu Fe 深能级质线和沉积微粒，使器件产生等离子击穿、PN结漏电“管道”等现象金属Na,K 间隙位置参与导电、影响器件的电学特性；Al Al会对N型材料的掺杂起补偿作用,使ρ↑3、硅中杂质吸除技术的分类，四种非本征杂质吸除方法的原理。
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离子注入的基本过程
❖将某种元素的原子或携 带该元素的分子经离化 变成带电的离子
❖在强电场中加速，获得 较高的动能后，射入材 料表层（靶）
❖以改变这种材料表层的 物理或化学性质
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
6
离子注入特点
➢ 可通过精确控制掺杂剂量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来 达到各种杂质浓度分布与注入浓度
b) 离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的 自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞 击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极 吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，... 离子源：B ， As，Ga，Ge，Sb，P，...
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
1
集成电路工艺原理
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
2
大纲
第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战
➢ 平面上杂质掺杂分布非常均匀（1% variation across an 8’’ wafer） ➢ 表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度 ➢ 注入元素可以非常纯，杂质单一性 ➢ 可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由
度大 ➢ 离子注入属于低温过程（因此可以用光刻胶作为掩膜），避免了高
电子阻止本领：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止。
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
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LSS理论
dE dx
NSn ES e E
Sn E
1 N
dE dx
, n
SeE
1 N
dE dx
e
-dE/dx：入射粒子在 密度为N的 靶内走过x 距离后损失 的能量
扫描系统
靶
加速管
离
子
源
B10
B11
r
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
Q
1 A
I q
dt
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
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a) 源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便， 一般采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。 如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它
C
x,
t
C
s
erfc
2
x Dt
Distribution according to Gaussian function
Cx,t
QT
Dt
exp
x2 4Dt
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
4
实
第一步 为恒定表面浓度的扩散（Pre-deposition） （称为预沉积或预扩散）
• 总能量损失为两者的和
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
11
核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论
阻止本领（stopping power）：材料中注入离子的能量损失大小 单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量 (Sn(E),
Se(E) )。
核阻止本领：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论。
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
9
离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入 靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失 能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大 部分不在晶格上，因而没有电活性。
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
对心碰撞，最大能量转移：
ETrans
4m1m2 (m1 m2 )2
E
核阻止能力的一阶近似为：
m——质量， Z——原子序数 下标1——离子，下标2——靶
Sn E 2.8 1015
Z1Z 2
m1 eV cm2
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注入离子如何在体内静止？
LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
• 1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离 子在靶内分布理论，简称 LSS理论。
• 该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独 立的过程
(1) 核阻止（nuclear stopping） (2) 电子阻止 （electronic stopping）
温过程引起的热扩散 ➢ 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小 • 会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改进 • 设备相对复杂、相对昂贵（尤其是超低能量离子注入机） • 有不安全因素，如高压、有毒气体
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
7
磁分析器
聚焦
际
控制掺入的杂质总量
工
艺 中
Q 2C1
D1t1
二 第二步 为有限源的扩散（Drive-in），往往同时氧化
步
（称为主扩散或再分布）
扩
控制扩散深度和表面浓度
散
C2
Q
D2t2
2
C1
D1t1 D2t2
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
5
什么是离子注入
离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的 表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
3
有关扩散方面的主要内容
➢费克第二定律的运用和特殊解 ➢特征扩散长度的物理含义 ➢非本征扩散 ➢常用杂质的扩散特性及与点缺陷的相互作用 ➢常用扩散掺杂方法 ➢常用扩散掺杂层的质量测量
Distribution according to error function
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领/截面 (eVcm2) Se(E)：电子阻止本领/截面（eVcm2) N: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量E的函数
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集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
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核阻止本领
➢注入离子与靶内原子核之间两体碰撞 ➢两粒子之间的相互作用力是电荷作用