第3章 集成电路制造工艺

5 有源区衬底氧化
6 NMOS管场注入光刻 管场注入光刻
7场区氧化，栅氧化，沟道掺 场区氧化，栅氧化， 场区氧化 阈值电压调节注入） 杂（阈值电压调节注入）
8多晶硅淀积、掺杂、光刻和 多晶硅淀积、掺杂、 多晶硅淀积 腐蚀， 腐蚀，形成栅区的多晶硅版
9 P阱中的 阱中的NMOS管光刻和注 阱中的 管光刻和注 入硼并扩散，形成N+版 入硼并扩散，形成 版
掩膜制造
掩膜版可分成： 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 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。 投影制作出来的。各个单元的集成电路可以不同。 是指版图只对应晶圆上的一个单元。 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。 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。 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， 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 厚的铬， 层60~80nm厚的铬，使其表面光洁度更高，这称之为铬版 厚的铬 使其表面光洁度更高，这称之为铬版 ），通常也称为光学 （Cr mask），通常也称为光学（掩膜）版。 ），通常也称为光学（掩膜） 新的光刻技术的掩膜版与光刻技术有关。 新的光刻技术的掩膜版与光刻技术有关。
1衬底准备：衬底氧化后，在 衬底准备：衬底氧化后， 衬底准备 二氧化硅上生长氮化硅
2光刻 阱，形成阱版，在P阱 光刻P阱 形成阱版， 光刻 阱 区腐蚀氮化硅， 阱注入 区腐蚀氮化硅，P阱注入
3去光刻胶，P阱扩散并生长二 去光刻胶， 阱扩散并生长二 去光刻胶 氧化硅
4腐蚀氮化硅，N阱注入并扩散 腐蚀氮化硅， 阱注入并扩散 腐蚀氮化硅
两种常见的隔离手段
局部氧化隔离法隔离（ 局部氧化隔离法隔离（LOCOS） ） 浅沟槽隔离（ 浅沟槽隔离（STI） ）
浅沟道隔离示意图
氧化隔离示意图
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； ）形成器件本身的接触线； 2）形成器件间的互连线； ）形成器件间的互连线； 3）形成焊盘。 ）形成焊盘。
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 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。 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， 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。 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 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。 掩膜版的过程。 将这些过程制作成掩膜版的过程就是制版。 将这些过程制作成掩膜版的过程就是制版。 制版 制版就是要产生一套分层的版图掩膜， 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。 到晶圆上做准备，掩膜版主要用在光刻工艺过程中。
一种热扩散法掺杂的系统示意图
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。 离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布。
中等电流离子注入系统示意图
3.2.5 绝缘层形成
在集成电路工艺中， 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、 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 晶体管等器件 制作如
3.4.2 N阱CMOS工艺 阱 工艺
N阱CMOS工艺正好与 阱CMOS工艺相反，它是在 型 阱 工艺正好与P阱 工艺相反， 工艺正好与 工艺相反 它是在P型 衬底上形成N阱。因为N沟道器件是在 型衬底上制成的， 衬底上形成 阱 因为 沟道器件是在P型衬底上制成的， 沟道器件是在 型衬底上制成的 这种方法与标准的N沟道 沟道MOS晶体管的工艺是兼容的。 晶体管的工艺是兼容的。 这种方法与标准的 沟道 晶体管的工艺是兼容的 在这种情况下， 阱中和了 型衬底， 阱中的 阱中和了P型衬底 阱中的P沟道 在这种情况下，N阱中和了 型衬底，N阱中的 沟道 MOS晶体管会受到过渡掺杂的影响。 晶体管会受到过渡掺杂的影响。 晶体管会受到过渡掺杂的影响
3.4.3 双阱 双阱CMOS工艺 工艺
双阱CMOS工艺采用的原始材料是在 或P+衬底上外 工艺采用的原始材料是在N+或 衬底上外 双阱 工艺采用的原始材料是在 延一层轻掺杂的外延层，然后用离子注入的方法同时制 延一层轻掺杂的外延层， 作N阱和 阱。使用双阱工艺不但可以提高器件密度， 阱和P阱 使用双阱工艺不但可以提高器件密度 不但可以提高器件密度， 阱和 还可以有效的控制寄生晶体管的影响，抑制闩锁现象。 还可以有效的控制寄生晶体管的影响，抑制闩锁现象。
脱水、增黏、涂胶、软烘
显影、坚膜、固胶等
刻蚀过程
3.2.4 掺杂
热扩散法掺杂
利用原子在高温下的扩散运动， 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。 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： 热扩散通常分两个步骤进行：
预淀积（ 预淀积（predeposition，也称预扩散） ，也称预扩散） 推进（ 推进（drive in，也称主扩散）。 ，也称主扩散）。
10 PMOS管光刻和注入版
11硅片表面沉积二氧化硅薄膜 硅片表面沉积二氧化硅薄膜
12 接触孔光刻，接触孔腐蚀 接触孔光刻，
13 淀积铝，反刻铝，形成铝连线 淀积铝，反刻铝，
最后做栅极金属引线后得到双阱CMOS工艺的 工艺的CMOS晶体管 最后做栅极金属引线后得到双阱 工艺的 晶体管
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 外延”是指在单晶硅衬底上生长一层新单晶的技术。 外延 vs. 异质外延 外延层具有很多优良性能。 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 不同的外延工艺可制备不同的材料系统。 ）、金属有 化学汽相沉积 （CVD：Chemical Vapor Deposition）、金属有 ： ）、 机物汽相沉积（ 机物汽相沉积（MOCVD：Metal Organic CVD）和分子束外延 ： ） 生长（ 生长（MBE：Molecular Beam Epitaxy）。 ： ）。
CMOS工艺技术是当代 工艺技术是当代VLSI工艺的主流工艺技术，该 工艺的主流工艺技术， 工艺技术是当代 工艺的主流工艺技术 工艺是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，特点 与 工艺基础上发展起来的， 工艺是在 工艺基础上发展起来的 是将NMOS器件和 器件和PMOS器件同时制作在同一衬底上。 器件同时制作在同一衬底上。 是将 器件和 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 工艺一般可分为三类： 阱 工艺、 阱 工艺一般可分为三类 工艺 CMOS工艺和双阱 工艺和双阱CMOS工艺。 工艺。 工艺和双阱 工艺
曝光是在光刻胶上形成预定图案。 曝光是在光刻胶上形成预定图案。有光学光刻 和 是在光刻胶上形成预定图案 非光学光刻 刻蚀是将图形转移到晶圆上 有湿法刻蚀、 是将图形转移到晶圆上。 刻蚀是将图形转移到晶圆上。有湿法刻蚀、等离子 体刻蚀、 体刻蚀、反应离子刻蚀等
光刻基本步骤： 光刻基本步骤：
涂光刻胶 曝光 显影与后烘 刻蚀 去除光刻胶
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： 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 工艺流程的主要步骤 了解 掌握MOS工艺的自对准原理 工艺的自对准原理 掌握 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 CMOS集成电路的基本制造工艺 3.4 集成电路工艺及器件 集成电路工艺及器件CAD 3.5 本章小结
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。 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。 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 电路的基本加工工艺包括外延生长、掩膜制版、光刻、掺杂、 外延生长 属层的形成、绝缘层的形成等 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。 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。 本加工工艺。
金属层的形成主要采用
物理汽相沉积（ 物理汽相沉积（PVD：Pysical Vapor Deposition）技术。 ： ）技术。 PVD技术有蒸镀和溅镀两种。 技术有蒸镀和溅镀两种。 技术有蒸镀和溅镀两种 金属CVD技术，正在逐渐发展过程中 技术， 金属 技术
3.4 CMOS集成电路的基本制造工艺 集成电路的基本制造工艺
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、 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 衬底外延生长 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、 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 、 工艺和BiCMOS工艺，SOI材料的 工艺， 材料的CMOS ，锗硅HBT工艺和 工艺和 工艺 材料的 工艺， 基的MESFET工艺、HEMT工艺和 工艺、 工艺和HBT工艺等。 工艺等。 工艺，GaAs基/InP基的 基 基的 工艺 工艺和 工艺等 尽管特定工艺种类繁多，若以晶体管类型来区分， 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 四大类型。 分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS、BiCMOS四大类型。 双极型 、 、 、 四大类型 目前应用最广泛的特定工艺是CMOS工艺。 工艺。 目前应用最广泛的特定工艺是 工艺 工艺中， 工艺、 在CMOS工艺中，又可细分为 工艺中 又可细分为DRAM工艺、逻辑工艺、模拟数字混合集 工艺 逻辑工艺、 成工艺， 工艺等。 成工艺，RFIC工艺等。 工艺等 本章将介绍主流的CMOS工艺的基本加工过程。 工艺的基本加工过程。 本章将介绍主流的 工艺的基本加工过程