集成电路工艺原理接触及互连原理
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。
集成电路工艺原理(PPT 40页)
17
n
离子 E2
B
17 keV
e
n
P 150 keV
As, Sb >500 keV
n
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
18
射程终点（EOR） 处晶格损伤大
表面处晶格 损伤较小
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第七章 离子注入原理 (上)
19
R：射程（range） 离子 在内的总路线长度
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
第七章 离子注入原理 (上)
28
注入离子的真实分布
CxCPexp12xRRpp
2
真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布
当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大 角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有 较多的离子堆积；重离子散射得更深。
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
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是现代电子技术中的重要组成部分，广泛应用于电子设备、通信系统、计算机等领域。
本文将详细介绍集成电路的工作原理，包括集成电路的结构、制作工艺以及工作原理的具体过程。
一、集成电路的结构集成电路由半导体材料构成，常见的半导体材料有硅和锗。
集成电路的基本结构包括晶体管、电容器、电阻器等，这些器件被精确地制作在微小的芯片上，通过金属线连接起来。
整个集成电路通常由晶体管数以至数百万个组成，可以完成各种复杂的任务。
二、集成电路的制作工艺1. 半导体材料选择：常用的半导体材料是硅，因为硅具有良好的电子特性，并且容易加工。
在制作集成电路前需要选择高纯度的硅晶体。
2. 制作晶圆：将高纯度硅晶体切割成薄而平整的圆片，这个圆片被称为晶圆。
晶圆表面被加工得十分平整，以便后续的制作工艺进行。
3. 形成导电层：经过化学处理和物理蒸镀等工艺，将金属导电层沉积在晶圆表面。
这些导电层将用于连接电路中的各个部分，起到导电的作用。
4. 形成半导体材料层：在导电层上，通过掺杂工艺向硅晶体中引入杂质，形成带电的P型或N型半导体材料。
这样，形成了晶体管中的P-N结，实现了电子的有效控制。
5. 形成绝缘层：在导电层和半导体材料层之间形成绝缘层，以隔离不同部分的电路。
6. 电路连接：通过光刻技术在晶圆上形成精确的电路图案，并使用金属线将电路中的各个部件连接起来。
三、集成电路的工作原理集成电路的工作原理基于半导体器件的特性。
在晶体管中，P-N结的形成使得该区域的导电特性发生改变。
在P型半导体区域中，主要存在正电荷；而在N型半导体区域中，主要存在负电荷。
通过控制正负电荷的分布，可以实现电流的控制和放大。
在集成电路中，不同元件的连接和控制通过导线和金属线来实现。
当输入的信号（比如电压）作用在特定引脚上时，该信号被传输到特定的电路区域。
在电路区域内，半导体器件对信号进行放大、滤波等处理，最终输出符合要求的信号。
集成电路基本原理与工艺技术
集成电路基本原理与工艺技术作为现代电子技术的核心和基础，集成电路在各个领域中都发挥着重要作用。
它将数百万个晶体管、电阻、电容和其他被制造在单一芯片上的元件组合起来，实现高度集成和功能复杂化。
本文将介绍集成电路的基本原理和工艺技术，以及其在现代社会中的应用。
一、集成电路的基本原理集成电路是由大量的电子元件组成的电路，其基本构造单位是晶体管。
晶体管是现代电子技术的核心元件，通过控制电流的流动，实现信号的放大、开关和逻辑运算等功能。
在集成电路中，晶体管的尺寸变得非常小，同时集成更多的晶体管，从而提高集成电路的性能和功能。
二、集成电路的工艺技术集成电路的制造过程主要包括晶体管的制备、电路的图形化、电路的制造和封装测试等环节。
首先，晶体管的制备是整个集成电路制造过程的关键步骤。
它通常采用硅片作为基底，通过化学气相沉积等技术将不同类型的杂质掺入硅片中，形成PN结构的晶体管。
制备过程需要高温和高真空条件下进行，确保晶体管的高质量和稳定性。
其次，电路的图形化是将设计好的电路图形转化为硅片上的实际电路布局的过程。
这一步骤采用光刻技术，将电路图形按照一定比例缩小，并通过掩膜制作成好多层图形，形成电路的布局。
接下来是电路的制造过程，主要包括薄膜沉积、电路的形成和金属的连接等步骤。
在薄膜沉积过程中，通过化学气相沉积等技术在硅片表面形成绝缘层和导电层。
然后，通过光刻和蚀刻等工艺，在导电层上形成电路的布线连接，并形成所需的电路结构。
最后，需要对制造好的集成电路进行封装和测试。
封装是将硅片封装在塑料或陶瓷芯片上，并连接外部引脚，保护和固定集成电路。
测试是通过特定的测试设备对集成电路的性能和功能进行测试，确保其质量和可靠性。
三、集成电路的应用由于集成电路具有高度集成和功能复杂化的特点，因此在各个领域中都有广泛的应用。
在通信领域，集成电路被广泛用于移动通信、卫星通信和光纤通信等设备中，实现信号的处理、传输和调制解调等功能。
它不仅实现了通信设备的小型化，还提高了通信质量和传输速度。
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是由多个电子元件（如晶体管、电阻、电容等）和互连网络组成的微小芯片，通过将这些元件和互连网络集成在一个单一的硅基片上，实现了电子电路的功能。
集成电路具有体积小、功耗低、可靠性高的特点，广泛应用于电子设备中。
集成电路的原理是基于半导体材料的特性。
半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间，通过控制半导体材料的电荷状态可以控制电流的流动。
集成电路中的晶体管是其中最重要的元件之一。
晶体管由三层半导体材料P型和N型半导体构成。
P型半导体带正电的离子，N型半导体带负电的离子，它们的接口处形成PN结。
PN结的特性是在正向偏置时，电流容易通过；在反向偏置时，电流难以通过。
集成电路中，可以通过控制PN结的偏置、施加电压或电流的方式，利用晶体管的三种工作状态来实现电路的功能操作。
这三种工作状态分别是截止状态、放大状态和饱和状态。
截止状态下，PN结反向偏置，电流无法通过晶体管。
放大状态下，PN结正向偏置，电流可以通过晶体管。
饱和状态下，PN结正向偏置，电流大量通过晶体管。
集成电路中的互连网络用于连接晶体管之间以及其他电子元件之间，实现电路的功能运算或信号传输。
互连网络通常由导线、电阻和电容等元件构成。
在集成电路的制造过程中，先在硅片上制作晶体管，再利用光刻技术将电路图案形成在硅片表面。
最后，通过多层金属层的刻蚀和镀铜等工艺来形成互连网络。
通过集成电路的工作原理，我们可以实现各种各样的电子电路，包括计算机、手机、电视机等。
集成电路的技术不断发展，使得电子设备变得更加高效和便携。
总之，集成电路通过将多个电子元件和互连网络集成在一个微小的芯片中，利用晶体管的工作原理实现电路功能。
它是现代电子设备中不可或缺的核心技术之一。
集成电路工艺原理
集成电路工艺原理集成电路工艺原理是指将多个功能块集成在一个芯片上的技术原理。
集成电路工艺原理主要包括晶体管制作、沟道控制、金属互连、不同层次的介电层制作等多个方面。
首先，晶体管的制作是实现集成电路的基础。
晶体管是一种控制电流流动的器件，有P型和N型两种类型。
通过在衬底上形成PN结，以及利用掺杂技术制作源、漏和栅极，可以实现晶体管的制作。
其次，沟道控制是集成电路工艺原理中的重要步骤。
沟道控制是指通过控制晶体管的栅极电压，来控制沟道中的电流流动。
通过在晶体管表面形成一个质量较轻的氧化层作为绝缘层，并使用金属作为栅极，可以有效地控制沟道电流的大小。
另外，金属互连是集成电路工艺原理的关键步骤之一。
金属互连是指将不同功能模块之间的信号线连接起来，以实现功能单元之间的通信。
通过在芯片表面形成金属导线，并使用化学蚀刻技术去除多余的金属，可以实现金属互连。
最后，不同层次的介电层制作是集成电路工艺原理中的最后一步。
介电层是指在金属互连层之间或上下层之间形成的绝缘层。
介电层的制作可以通过沉积或蚀刻绝缘材料来实现，以保护金属互连层并防止电流的短路。
综上所述，集成电路工艺原理涉及到多个方面，包括晶体管制作、沟道控制、金属互连和不同层次的介电层制作等。
通过这些工艺步骤，可以实现多个功能模块的集成，从而实现高度集成化的芯片，为现代电子设备的发展提供了重要支持。
集成电路工艺原理是现代电子技术发展的基础，也是实现电子设备小型化和高性能的关键。
通过掌握集成电路工艺原理，可以实现芯片的集成度提升、功能模块的增加，以及功耗的降低，为电子设备的发展提供了无限可能。
首先，晶体管的制作是集成电路工艺原理的核心。
晶体管是现代电子器件的基石，其制作决定了芯片的性能。
晶体管的制作过程包括净化单晶硅、表面清洗、沉积绝缘层、形成源漏极等步骤。
其中，净化单晶硅是通过化学气相沉积和液相外延等技术进行的，以获得高纯度的硅材料。
表面清洗是为了去除硅表面的污染物和氧化层，以便于后续的制作步骤。
集成电路工艺原理 ppt课件
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不足之处: 可靠性低、噪声大、放大率低等缺点
7/43
1948年 W. Shockley 提出结型晶体管概念
1950年 第一只NPN结型晶体管
8/43
Ti 公司的Kilby 12个器件，Ge 晶体
9/43
(Fairchild Semi.)
Si IC
J. Kilby－TI 2000诺贝尔物理奖
16/43
Physical gate length in nm
We are here.
Source silicide urce
Drain
Year
No complete technological solution available !!!
gate oxide channel
1/43
集成电路工艺原理
2/43
大纲（1）
教科书：
1. 王蔚，田丽，任明远，“集成电路制造技术－原理与工艺” 2. J.D. Plummer, M.D. Deal, P.B. Griffin, “硅超大规模集成电路工艺
技术-理论、实践与模型”
参考书：
• C.Y. Chang, S.M. Sze, “ULSI Technology” • 王阳元 等,“集成电路工艺原理” • M. Quirk, J. Serda, “半导体制造技术”
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• SSI (小型集成电路)，晶体管数 10~100，门数<10 • MSI (中型集成电路)，晶体管数 100~1,000，10<门数<100 • LSI (大规模集成电路)，晶体管数 1,000~100,000，门数>100 • VLSI (超大规模集成电路)，晶体管数 100,000~ 1,000,000 • ULSI (特大规模集成电路) ，晶体管数>1,000,000 • GSI (极大规模集成电路) ，晶体管数>109 • SoC－－system-on-a-chip/SIP－－system in packaging
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6/47
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
7/47
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）
3/47
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
4/47
多层金属互 连增加了电 路功能并使 速度加快
5/47
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：
简
单
e
的
估
计
其中eox是介质的介电常数，K是边缘场
效应的修正系数，r是金属线的电阻率
度随电压的变化率
比接触电阻 c 的单位: cm2 或
m2
接触电阻：Rc
rc
A
金属－Si之间， c在10-5～10-9 cm2
金 半 整流接触 接 触
欧姆接触
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当金属与半导体之间的载流子输运以隧道穿透为主时， c与半导体的掺杂浓度N及金－半接触的势垒高度
q b有下面的关系
rc
exp
2
qb
m*e s
N
q b 在数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体 所需的能量。 结论：要获得低接触电阻的金-半接触，必须减小金半接触的势垒高度及提高半导体的掺杂浓度
n+~1019-1021/cm3, p+>1019/cm3
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形成欧姆接触的方式
低势垒欧姆接触：一般金属和p型半导体 的接触势垒较低
3) Al和SiO2会发生反应：4Al+3SiO2 2Al2O3+3Si Al与Si接触时，Al可以“吃掉”Si表面的天然SiO2 层(～1 nm)，使接触电阻下降； 可以增加Al与SiO2的粘附性。 SiO2厚度不均匀，会造成严重的尖楔现象。
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铝的尖楔SEM照片
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合金化
合金化的目的是使接触孔中的金属与硅之间形 成低阻欧姆接触，并增加金属与二氧化硅之间 的附着力。
用具有低肖特基势垒的技术 -在制备CMOS时，最好的选择时Mid-Gap Barrier
增加接触的有效面积 ***** -接触整个结面积，而不仅仅是接触孔面积
用自对准硅化物技术（self-aligned silicide， SALICIDE）：与多晶栅和隔离自对准
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SALICIDE Process
(a) Basic MOSFET structure fabricated
SiO
gate
2
source
drain
(b) Metal deposition
metal
SiO
gate
source
drain
2
(c) 1st °C
annealinN2 Nhomakorabeaat
300-700
unreacted metal
silicide
在300 oC以上，硅就以一定比例熔于铝中，在 此温度，恒温足够时间，就可在Al-Si界面形成 一 层 很 薄 的 Al-Si 合 金 。 Al 通 过 Al-Si 合 金 和 接 触孔下的重掺杂半导体接触，形成欧姆接触
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可能形成互连的导电材料
金属 （metal）：low resistivity 多晶硅（poly–Si）：Medium resistivity) 硅化物（metal silicides）：介于以上二者之间
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Properties of Interconnect Materials
Al/p-type Si势垒高度 0.4 eV
高掺杂欧姆接触
1.12 eV
Al/n-type Si势垒高度 0.7 eV 需高掺杂欧姆接触
常用金属-n型硅之间的 肖特基势垒高度
硅化物
Eg(Si)＝1.12eV
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Cu
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在降低接触尺寸时减小接触电阻的一些措施
在金属/半导体界面增加掺杂浓度 -由杂质固溶度限制
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(2) Al/Si接触中的尖楔现象
1）硅和铝不能发生化学反应形成硅化物，但是退火温 度下（400-500 C），硅在铝中的固溶度较高（固 溶度随温度呈指数增长），会有相当可观的硅原子溶 解到Al中。
2）退火温度下，Si在Al膜中的扩散系数非常大——在 薄膜晶粒间界的扩散系数是晶体内的40倍。
Material
Thin film resistivity (cm) Melting point (oC)
Al
2.7-3.0
660
W
8-15
3410
Cu
1.7-2.0
1084
Ti
40-70
1670
PtSi
28-35
1229
C54 TiSi2 WSi2 CoSi2 NiSi
13-16 30-70 15-20 12-20
SiO
2
(d) Selective removal of unreacted metal + 2nd anneal at 500-850 oC silicide
SiO
2
最常用的材料是Al：采用溅射淀积
铝 互 连 技 术 Al 金属化系统失效的现象
Al的电迁移（Electromigration） Al/Si接触中的尖楔现象 Cu正全面取代Al
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集成电路工艺原理
接触及互连原理
2/47
后端工艺 backend of the line technology (BEOL)
——将器件连接成特定的电路结构：金属线及介质的制作，
使得金属线在电学和物理上均被介质隔离。
全局互连 （Al）
（IMD）
局部互连
（PMD）
（多晶硅,
硅化物, TiN）
接触（contact）—金属和硅的结合部 通孔（via）—用于连接不同层的金属连线