半导体工艺原理---集成电路制造工艺介绍(贵州大学)

1、Chapter 2 Introduction of IC Fabrication 集成电路制造工艺介绍一、一、模拟集成电路主要工艺类型：模拟集成电路主要工艺类型：模拟模拟ICIC工艺工艺双极双极CMOSCMOSBiCMOSBiCMOSRF、高精度、高、高精度、高压等应用领域压等应用领域低功耗模拟低功耗模拟IC、低电流运放等低电流运放等A/D、D/A、RF混混合信号芯片等合信号芯片等模拟集成电路工艺分类模拟集成电路工艺分类双极双极工艺工艺标准双极工艺（很少用于新产品开发）标准双极工艺（很少用于新产品开发）特点：速度快、精度高、承受耐压高、工特点：速度快、精度高、承受耐压高、工艺流程简单，缺点是缺

2、乏高性能的纵向艺流程简单，缺点是缺乏高性能的纵向PNP管管互补双极工艺（应用最广泛的模拟互补双极工艺（应用最广泛的模拟IC工艺）工艺）特点：高性能互补的纵向特点：高性能互补的纵向NPN和和PNP管，管，结合结合SOI等技术能极大提高模拟等技术能极大提高模拟IC性能性能SiGe平面双极工艺（平面双极工艺（RF IC的优选工艺的优选工艺平台）特点：将平台）特点：将SiGe HBT的优异性能引的优异性能引入到平面双极工艺中，目前入到平面双极工艺中，目前ft已超过已超过350GHZ，可与砷化镓器件相媲美，可与砷化镓器件相媲美双极工艺主要分类双极工艺主要分类CMOS标准标准CMOS工艺（数字电路的主流工

3、艺工艺（数字电路的主流工艺技术）特点：互补的技术）特点：互补的NMOS、PMOS，工，工艺流程简单，集成度高艺流程简单，集成度高模拟模拟CMOS工艺（应用最广泛的模拟工艺（应用最广泛的模拟IC工艺）特点：在标准工艺）特点：在标准CMOS的基础上集成的基础上集成高品质的无源器件，此外对阈值电压精度高品质的无源器件，此外对阈值电压精度和耐压的要求更高和耐压的要求更高RF CMOS（RF IC）特点：依靠缩小光刻尺寸提高特点：依靠缩小光刻尺寸提高MOS晶体管晶体管的速度，集成模拟的速度，集成模拟IC所必需的高品质无源所必需的高品质无源器件器件CMOSCMOS工艺主要分类工艺主要分类BiCMOSBiC

4、MOS工艺（数模混合信号芯片的理想工艺（数模混合信号芯片的理想工艺平台）特点：将双极晶体管的高速高驱工艺平台）特点：将双极晶体管的高速高驱动与动与CMOS的低功耗高集成度优势结合的低功耗高集成度优势结合SiGe BiCMOS工艺（工艺（RF混合信号芯片混合信号芯片优选的解决方案）特点：在优选的解决方案）特点：在BiCMOS优势优势的基础上再引入的基础上再引入SiGe HBT的超高速、低的超高速、低噪声，是模拟噪声，是模拟IC工艺的重要发展方向之一工艺的重要发展方向之一BCD（智能功率集成芯片）（智能功率集成芯片）特点：在特点：在BiCMOS优势的基础上再集成优势的基础上再集成DMOS等功率器件

5、，是智能功率芯片的理等功率器件，是智能功率芯片的理想工艺平台想工艺平台BiCMOSBiCMOS工艺主要分类工艺主要分类一）双极型工艺1、元器件结构电阻：电阻：外延层电阻剖面图 基区电阻剖面图 基区沟道电阻剖面图 发射区电阻剖面图 电容电容PN结电容剖面图 MOS电容剖面图 二极管二极管CB结二极管剖面图EB结二极管剖面图 次表面齐纳二极管剖面图 表面齐纳二极管剖面 肖特基二极管剖面图 带基极保护环的肖特基二极管剖面图 三极管三极管衬底PNP晶体管剖面图横向PNP晶体管剖面图 2、典型的PN结隔离的双极型电路工艺流程P P+ +/N/N- -外延片外延片P P型单晶片型单晶片l 衬底准备衬底准备

6、工艺流程：工艺流程：P-Sub衬底准备（衬底准备（P型）型） 光刻光刻n+埋层区埋层区 氧化氧化 n+埋层区注入埋层区注入 清洁表面清洁表面P-Sub 生长生长n-外延外延 隔离氧化隔离氧化 光刻光刻p+隔离区隔离区 p+隔离注入隔离注入 p+隔离推进隔离推进N+N+N-N- 光刻硼扩散区光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+ 硼扩散硼扩散 氧化氧化 光刻磷扩散区光刻磷扩散区 磷扩散磷扩散 氧化氧化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP 光刻引线孔光刻引线孔 清洁表面清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP 蒸镀金属蒸镀金属 反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-

7、P+P+P+PP 钝钝 化化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP 光刻钝化窗口光刻钝化窗口 后工序后工序 埋层区埋层区 隔离墙隔离墙 硼扩区硼扩区 磷扩区磷扩区 引线孔引线孔 金属连线金属连线 钝化窗口钝化窗口GND Vi Vo VDDTR光刻掩膜版简图汇总：光刻掩膜版简图汇总：二）、二）、MOS集成电路芯片制集成电路芯片制造工艺造工艺（N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺）工艺）1、CMOS工艺中的元器件结构电阻电阻NSD和PSD电阻结构剖面图 多晶硅电阻结构剖面图 N阱电阻结构剖面图 电容电容CMOS工艺中PMOS晶体管电容剖面图 CMOS工艺中N阱电容剖面图 多晶硅-多晶硅电容器剖面图 二极

8、管二极管 PSD/N阱齐纳二极管剖面图 PSD保护环肖特基二极管剖面图 MOS晶体管晶体管N阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图 P阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图双阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图 2、主要工艺流程图P P+ +/P/P外延片外延片P P型单晶片型单晶片l 衬底准备衬底准备P-Subl 氧化、光刻氧化、光刻N-阱阱(nwell)工艺流程：工艺流程：N阱P-Subl N-阱注入，阱注入，N-阱推进阱推进,退火，清洁表面退火，清洁表面P-SubN阱l 长薄氧、长氮化硅、光刻场区长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反版反版)P-Subl 场区氧化（场区氧化（LOCOS）, 清

9、洁表面清洁表面 (场区氧化前可做场区氧化前可做N管场区注入和管场区注入和P管场区注入）管场区注入）P-Subl 栅氧化栅氧化,淀积多晶硅，多晶硅淀积多晶硅，多晶硅N+掺杂，反刻多晶掺杂，反刻多晶 （polysiliconpoly)P-SubP-SubP-Subl P+ active注入注入（Pplus）（ 硅栅自对准）硅栅自对准） （polysiliconpoly)P-SubP-SubP-Subl N+ active注入注入（Nplus Pplus反版）反版） （ 硅栅自对准）硅栅自对准）P-SubP-Subl 淀积淀积BPSG，光刻接触孔，光刻接触孔(contact)，回流回流P-Subl

10、蒸镀金属蒸镀金属1，反刻金属，反刻金属1（metal1)P-SubP-Subl 绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)P-Subl 蒸镀金属蒸镀金属2，反刻金属，反刻金属2（metal2)P-Subl 钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)光刻掩膜版简图汇总：光刻掩膜版简图汇总：N阱阱有源区有源区多晶多晶PplusNplus引线孔引线孔金属金属1通孔通孔金属金属2钝化钝化三）、三）、SiGe BiCMOS工艺流程简介工艺流程简介P P型型衬底材料准备衬底材料准备NBLNBL光刻光刻, ,高剂量砷离子注入高剂量砷离子注入P P型

11、衬底材料型衬底材料砷离子注入砷离子注入光刻胶光刻胶大面积大面积PBLPBL中剂量硼离子注入中剂量硼离子注入高温退火推结高温退火推结NBLNBLPBLPBL外延层生长，在硅片上生长一层外延层生长，在硅片上生长一层N-N-外延层外延层NBLNBLPBLPBLN-N-外延层外延层PWELLPWELL光刻，硼离子注入光刻，硼离子注入高温退火推阱，形成高温退火推阱，形成P P阱阱NBLNBLPBLPBLP P阱阱N-N-外延层外延层淀积一层淀积一层SiOSiO2 2/Si/Si3 3N N4 4（场氧保护层）（场氧保护层）ISOISO光刻、刻蚀，开出场氧区域光刻、刻蚀，开出场氧区域NBLNBLPBLPB

12、LN-N-外延层外延层P P阱阱氮化硅氮化硅二氧化硅二氧化硅场区场区隔离场氧化隔离场氧化氧化后去掉氮化硅氧化后去掉氮化硅NBLNBLPBLPBLP P阱阱N-N-外延层外延层场氧场氧NSINKNSINK光刻，高能量高剂量磷注入光刻，高能量高剂量磷注入高温退火，形成与高温退火，形成与NBLNBL相连的相连的N+N+穿透层穿透层NBLNBLPBLPBLP P阱阱场氧场氧N-N-外延层外延层N+N+穿透（穿透（HBTHBT集电极）集电极）NSINKNSINK栅氧生长，生长一层高质量的栅氧化层栅氧生长，生长一层高质量的栅氧化层LPCVDLPCVD第一层多晶硅第一层多晶硅NBLNBLPBLPBLP P阱

13、阱N-N-外延层外延层场氧场氧栅氧栅氧多晶硅多晶硅NSINKNSINKPOLY1POLY1光刻，开出光刻，开出MOSMOS管栅及管栅及HBTHBT外基区部分外基区部分刻蚀多晶硅二氧化硅刻蚀多晶硅二氧化硅NBLNBLPBLPBLP P阱阱场氧场氧NSINKNSINK栅栅栅栅HBTHBT外基区外基区NMOSNMOS管管LDDLDD光刻、低剂量磷注入光刻、低剂量磷注入PMOSPMOS管管LDDLDD光刻、低剂量光刻、低剂量BFBF2 2注入注入NBLNBLPBLPBLP P阱阱场氧场氧NSINKNSINKPLDDPLDDNLDDNLDDLPCVDLPCVD淀积一层二氧化硅淀积一层二氧化硅NBLNBL

14、PBLPBLP P阱阱场氧场氧NSINKNSINKLPCVD SiO2LPCVD SiO2RIERIE各向异性刻蚀各向异性刻蚀SiOSiO2 2，形成，形成SpacerSpacerNBLNBLPBLPBLP P阱阱场氧场氧NSINKNSINKSpacerSpacer侧墙侧墙NSDNSD光刻，高剂量砷离子注入光刻，高剂量砷离子注入PSDPSD光刻光刻, ,高剂量高剂量BF2BF2离子注入离子注入BF2BF2离子注入离子注入NBLNBLPBLPBLP P阱阱场氧场氧NSINKNSINK光刻胶光刻胶MOSMOS管源漏退火管源漏退火MOSMOS管制作基本完成管制作基本完成NBLNBLPBLPBLNMO

15、SNMOS管管场氧场氧NSINKNSINKPMOSPMOS管管P+P+掺杂多晶硅（掺杂多晶硅（SiGe HBTSiGe HBT外基区）外基区）淀积一层淀积一层SiO2SiO2，作为，作为MOSMOS管栅保护层管栅保护层SiGe SiGe 基区窗口光刻，刻蚀基区窗口光刻，刻蚀SiO2/SiO2/多晶硅多晶硅/SiO2 /SiO2 NBLNBLPBLPBLNMOSNMOS管管场氧场氧NSINKNSINKPMOSPMOS管管SiGe HBTSiGe HBT基区窗口基区窗口选择性外延生长一层选择性外延生长一层SiGeSiGe基区基区NBLNBLPBLPBLNMOSNMOS管管场氧场氧NSINKNSIN

16、KPMOSPMOS管管SiGeSiGe基区基区P+P+多晶硅外基区多晶硅外基区LPCVD Si3N4LPCVD Si3N4RIERIE刻蚀刻蚀Si3N4,Si3N4,形成发射极形成发射极SpacerSpacerNBLNBLPBLPBLNMOSNMOS管管场氧场氧NSINKNSINKPMOSPMOS管管SpacerSpacer第二层多晶硅淀积第二层多晶硅淀积发射极砷注入、刻蚀多晶硅、快速退火激活杂质发射极砷注入、刻蚀多晶硅、快速退火激活杂质NBLNBLPBLPBLNMOSNMOS管管场氧场氧NSINKNSINKPMOSPMOS管管SiGeSiGe基区基区发射极发射极介质层淀积介质层淀积CONTCONT光刻、刻蚀，露出接触孔光刻、刻蚀，露出接触孔NBLNBLPBLPBLNMOSNMOS管管场氧场氧NSINKNSINKPMOSPMOS管管接触孔接触孔第一层金属布线第一层金属布线NBLNBLPBLPBLNMOSNMOS管管场氧场氧NS