第1章__集成电路制造工艺

1、微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理1 集成电路设计原理集成电路设计原理微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理2微电子器件原理微电子器件原理半导体物理与器件半导体物理与器件微电子工艺基础微电子工艺基础集成电路集成电路微波器件微波器件MEMS传感器传感器光电器件光电器件课程地位和知识应用领域课程地位和知识应用领域固体物理固体物理半导体物理半导体物理微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理3 集成电路就是把许多分立组件制作在同一个半导体集成电路就是把许多分立组件制作在同一个半导体芯片上所形成的电路。芯片上所形

2、成的电路。早在早在1952年，英国的杜默年，英国的杜默 (Geoffrey W. A. Dummer) 就提出集成电路的构想。就提出集成电路的构想。1958年年9月月12日日，德州仪器公司，德州仪器公司(Texas Instruments)的的基尔比基尔比 (Jack Kilby， 1923 )，细心地切了一块锗作，细心地切了一块锗作为电阻，再用一块为电阻，再用一块pn结面做为电容，制造出一个震荡器结面做为电容，制造出一个震荡器的电路，并在的电路，并在1964年获得专利，首度证明了可以在同一年获得专利，首度证明了可以在同一块半导体芯片上能包含不同的组件。块半导体芯片上能包含不同的组件。1964

3、年年，快捷半导体，快捷半导体(Fairchild Semiconductor)的诺的诺宜斯宜斯(Robert Noyce，19271990)，则使用平面工艺方，则使用平面工艺方法，即借着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式，解决了集成法，即借着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式，解决了集成电路中，不同组件间导线连结的问题。电路中，不同组件间导线连结的问题。集集 成成 电电 路路 的的 发发 展展微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理4 在在19701970年代，年代，决定半导体工业发展方向的，有两个最决定半导体工业发展方向的，有两个最重要的因素，那就是重要的因素，那就是微处理器微处

4、理器 (micro processor)(micro processor)与与半半导体内存导体内存 (semiconductor memory)(semiconductor memory) 。 在微处理器方面：在微处理器方面： 19681968年年，诺宜斯和摩尔成立了英特尔，诺宜斯和摩尔成立了英特尔 (Intel) (Intel) 公司，不公司，不久，葛洛夫久，葛洛夫 (Andrew Grove) (Andrew Grove) 也加入了。也加入了。 19691969年，年，一个日本计算器公司比吉康一个日本计算器公司比吉康 (Busicom(Busicom) ) 和英和英特尔接触，希望英特尔生产

5、一系列计算器芯片，但当特尔接触，希望英特尔生产一系列计算器芯片，但当时任职于英特尔的霍夫时任职于英特尔的霍夫 (Macian(Macian E. Hoff) E. Hoff) 却设计出一却设计出一个单一可程序化芯片，个单一可程序化芯片， 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理5 19711971年年1111月月1515日，日，世界上第一个微处理器世界上第一个微处理器40044004诞生了，它包括一个四位的平行加法器、诞生了，它包括一个四位的平行加法器、十六个四位的缓存器、一个储存器十六个四位的缓存器、一个储存器 (accumulator) (accumulator

6、) 与一个下推堆栈与一个下推堆栈 (push-down (push-down stack)stack)，共计约二千三百个晶体管；，共计约二千三百个晶体管；40044004与其与其它只读存储器、移位缓存器与随机取内存，结它只读存储器、移位缓存器与随机取内存，结合成合成MCS-4MCS-4微电脑系统；从此之后，各种集成微电脑系统；从此之后，各种集成度更高、功能更强的微处理器开始快速发展，度更高、功能更强的微处理器开始快速发展，对电子业产生巨大影响。三十年后，对电子业产生巨大影响。三十年后，英特尔的英特尔的Pentium IIIPentium III已经包含了一千万个以上的晶体已经包含了一千万个以上

7、的晶体管。管。 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理6 在在 内存芯片方面：内存芯片方面：19651965年年，快捷公司的施密特快捷公司的施密特 (J. D. Schmidt) (J. D. Schmidt) 使用金氧半使用金氧半技术做成实验性的随机存取内存。技术做成实验性的随机存取内存。19691969年，英特尔公司年，英特尔公司推出第一个商业性产品，这是一推出第一个商业性产品，这是一 使用硅栅极、使用硅栅极、p型沟道型沟道的的256位随机存取内存。位随机存取内存。 发展过程中最重要的一步，就是发展过程中最重要的一步，就是1969年年，IBM的迪纳的迪纳 (R

8、. H. Dennard) 发明了只需一个晶体管发明了只需一个晶体管和一个电容器，就可以储存一个位的记忆单元；和一个电容器，就可以储存一个位的记忆单元；由于结构简单，密度又高，现今半导体制程的发由于结构简单，密度又高，现今半导体制程的发展水平常以动态随机存取内存的容量为标志。展水平常以动态随机存取内存的容量为标志。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理7 大致而言，大致而言， 1970年有年有1K的产品；的产品； 1974年进步到年进步到4K (栅极线宽栅极线宽10微米微米)； 1976年年16K （5微米）；微米）； 1979年年64K (3微米微米)； 198

9、3年年256K （1.5微米）；微米）； 1986年年1M （1.2微米）；微米）； 1989年年4M (0.8微米微米)； 1992年年16M (0.5微米微米)； 1995年年64M (0.3微米微米)； 1998年到年到256M (0.2微米微米)， 大约每三年进步一个世代，大约每三年进步一个世代，2001年就迈入千兆位大关。年就迈入千兆位大关。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理8 60年代发展出来的平面工艺，可以把越年代发展出来的平面工艺，可以把越来越多的金氧半组件放在一块硅芯片上，从来越多的金氧半组件放在一块硅芯片上，从1960年的不到十个组件，倍数

10、成长到年的不到十个组件，倍数成长到1980年年的十万个，以及的十万个，以及1990年约一千万个，这个微芯年约一千万个，这个微芯片上集成的晶体管数目每两年翻一番的现象称片上集成的晶体管数目每两年翻一番的现象称为为摩尔定律摩尔定律 (Moores law)，是，是Intel创始人摩创始人摩尔尔(Gordon Moore)在在1964年的一次演讲中提年的一次演讲中提出的，后来竟成了事实。出的，后来竟成了事实。 今天，在一个几百平方毫米面积的芯片上，集成的晶今天，在一个几百平方毫米面积的芯片上，集成的晶体管数目已经超过体管数目已经超过10亿。亿。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成

11、电路设计原理9中国半导体协会中国半导体协会(CSIA)发布了发布了2005年度年度中国十大中国十大IC设计公司设计公司排名。排名。 珠海炬力珠海炬力以以12.575亿元人民币年销售额勇夺桂冠。它亿元人民币年销售额勇夺桂冠。它是是MP3播放器芯片的主要供货厂商播放器芯片的主要供货厂商 。 中星微电子中星微电子，2005年销售额为年销售额为7.678亿元人民币。它亿元人民币。它的主要产品是的主要产品是“星光系列星光系列”多媒体处理芯片，多媒体处理芯片，中星微中星微电子电子最初提供最初提供PC用的摄像头芯片。后来瞄准了手机用用的摄像头芯片。后来瞄准了手机用多媒体处理芯片市场，并成功地打开了欧美市场。

12、多媒体处理芯片市场，并成功地打开了欧美市场。 排名第三到第十的分别排名第三到第十的分别是华大、士兰、大唐、上海华虹、是华大、士兰、大唐、上海华虹、杭州友旺、绍兴芯谷、北京清华同方和无锡华润。杭州友旺、绍兴芯谷、北京清华同方和无锡华润。2005年中国前十大年中国前十大IC设计公司的销售额已经达到设计公司的销售额已经达到51.63亿亿元人民币，根据元人民币，根据CCID的预测，的预测，2005年中国集成电路设计年中国集成电路设计业的市场规模约业的市场规模约131亿元人民币，前十大亿元人民币，前十大IC设计公司的份设计公司的份额已经额已经40%。 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理

13、集成电路设计原理10如如NEC公司公司用用0.15 mCMOS工艺生产的工艺生产的4GB DRAM, 芯芯片中含片中含44亿个晶体管，芯片面积亿个晶体管，芯片面积985.6mm2。英特尔公司英特尔公司用用0.25 m工艺生产的工艺生产的333MHz的的 奔腾奔腾处理处理器，在一个芯片中集成了器，在一个芯片中集成了750万个晶体管。万个晶体管。 集成电路之所以能迅速发展，完全由于巨大的经济集成电路之所以能迅速发展，完全由于巨大的经济效益。工业发达国家竞相投资。我国在效益。工业发达国家竞相投资。我国在“九五九五” 期间投期间投资资100个亿组建了集成电路个亿组建了集成电路“909”专项工程。专项工

14、程。2002年推年推出首款可商业化、拥有自主知识产权、通用高性能的出首款可商业化、拥有自主知识产权、通用高性能的CPU-龙芯龙芯1号，它采用号，它采用0.18 m工艺生产，主频最高达工艺生产，主频最高达266MHz。今年研制的龙芯今年研制的龙芯2号通过使用号通过使用SPEC CPU2000对龙芯对龙芯2号号的性能分析表明，相同主频下龙芯的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显超号的性能已经明显超过过PII的性能，是龙芯的性能，是龙芯1号的号的3-5倍倍 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理11预见预见 根据国际半导体科技进程根据国际半导体科技进程 (In

15、ternational Technology Roadmap for Semiconductor) 的推估，公元的推估，公元2014年，最小线宽可达年，最小线宽可达0.035微微米，内存容量更高达两亿五千六兆位，尽管新米，内存容量更高达两亿五千六兆位，尽管新工艺、新技术的开发越来越困难，但相信半导工艺、新技术的开发越来越困难，但相信半导体业在未来十五年内，仍会迅速的发展下去。体业在未来十五年内，仍会迅速的发展下去。 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理12 2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：业是： 中芯国际

16、集成电路制造有限公司 上海华虹(集团)有限公司 华润微电子(控股)有限公司 无锡海力士意法半导体有限公司 和舰科技(苏州)有限公司 首钢日电电子有限公司 上海先进半导体制造有限公司 台积电(上海)有限公司 上海宏力半导体制造有限公司 吉林华微电子股份有限公司 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理13 2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：年度中国集成电路封装测试前十大企业是： 飞思卡尔半导体(中国)有限公司 奇梦达科技(苏州)有限公司 威讯联合半导体(北京)有限公司 深圳赛意法半导体有限公司 江苏新潮科技集团有限公司 上海松下半导体有限公司 英特尔产品(

17、上海)有限公司 南通富士通微电子有限公司 星科金朋(上海)有限公司 乐山无线电股份有限公司微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理14 2006年度中国集成电路设计前十大企业是：年度中国集成电路设计前十大企业是： 炬力集成电路设计有限公司 中国华大集成电路设计集团有限公司(包含北京中电华大电子设计公司等) 北京中星微电子有限公司 大唐微电子技术有限公司 深圳海思半导体有限公司 无锡华润矽科微电子有限公司 杭州士兰微电子股份有限公司 上海华虹集成电路有限公司 北京清华同方微电子有限公司 展讯通信(上海)有限公司 微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成

18、电路设计原理15第一章第一章 集成电路制造工艺集成电路制造工艺 集成电路（集成电路（Integrated Circuit） 制造工艺是集成电路实现的手段，制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。也是集成电路设计的基础。微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理16集成电路制造工艺分类集成电路制造工艺分类1. 双极型工艺（双极型工艺（bipolar）2. MOS工艺工艺3. BiMOS工艺工艺微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理171-1 双极型集成电路工艺双极型集成电路工艺(典型的典型的PN结隔离工艺结隔离工艺)(P15)

19、微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理18 思考题思考题1.与分立器件工艺有什么不同？与分立器件工艺有什么不同？2.需要几块光刻掩膜版需要几块光刻掩膜版(mask)?3.每块掩膜版的作用是什么？每块掩膜版的作用是什么？4.器件之间是如何隔离的？器件之间是如何隔离的？5.器件的电极是如何引出的？器件的电极是如何引出的？微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理191.1.1 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 清洁表面清洁表面微电子中心微电子中心HMECHMEC集

20、成电路设计原理集成电路设计原理20P-Sub1.1.1 工艺流程工艺流程（续（续1）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-微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理211.1.1 工艺流程工艺流程（续（续2）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 氧化氧化微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理221.1.1 工艺流程工艺流程（续（续3）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

21、微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理231.1.1 工艺流程工艺流程（续（续4）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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理241.1.1 工艺流程工艺流程（续（续5）蒸镀金属蒸镀金属反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理251.1.1 工艺流程工艺流程（续（续6）钝化钝化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微电子中心微电子中心HME

22、CHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理261.1.2 光刻掩膜版汇总光刻掩膜版汇总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微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理271.1.3 外延层电极的引出外延层电极的引出欧姆接触电极：欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极（金半接触势垒二极管）管）。因此，。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N

23、+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理281.1.4 埋层的作用埋层的作用1.减小串联电阻减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长。上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB2.减小寄生减小寄生pnp晶体管的影响晶体管的影响（第二章介绍）（第二章介绍）微电子中心微电子中心HMECHMEC

24、集成电路设计原理集成电路设计原理291.1.5 隔离的实现隔离的实现1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。型衬底连通。因此，将因此，将n型外延层分割成若干型外延层分割成若干个个“岛岛” 。2. P+隔离接电路最低电位，隔离接电路最低电位，使使“岛岛” 与与“岛岛” 之间形成两个背靠背的反偏二极之间形成两个背靠背的反偏二极管。管。N+N+N-epiPN-epiPP-Sub(GND)P-Sub(GND)P-Sub(GND)BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层钝化层微电子中心

25、微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理301.1.6 其它双极型集成电路工艺简介其它双极型集成电路工艺简介对通隔离：对通隔离：减小隔离所占面积减小隔离所占面积泡发射区：泡发射区：减小发射区面积减小发射区面积磷穿透扩散：磷穿透扩散：减小串联电阻减小串联电阻离子注入：离子注入：精确控制参杂浓度和结深精确控制参杂浓度和结深介质隔离：介质隔离：减小漏电流减小漏电流光刻胶光刻胶BP-SubN+埋层埋层SiO2P+P+P+PPN+N+N+N+CECEBB微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理311.1.7 习题习题P14: 1.1 工艺流程及光刻掩膜版的作

26、用工艺流程及光刻掩膜版的作用 1.3（1） 识版图识版图 1.5 集成度与工艺水平的关系集成度与工艺水平的关系 1.6 工作电压与材料的关系工作电压与材料的关系微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理321.2 MOS集成电路集成电路工艺工艺（N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺）工艺）(P911)参考参考P阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理33 思考题思考题1.需要几块光刻掩膜版？各自的作用是什么？需要几块光刻掩膜版？各自的作用是什么？2.什么是局部氧化（什么是局部氧化（LOCOS ) ) ？ （Local Ox

27、idation of Silicon) ) 3.什么是硅栅自对准什么是硅栅自对准(Self Aligned )？4. N阱的作用是什么？阱的作用是什么？5. NMOS和和PMOS的源漏如何形成的？的源漏如何形成的？6.衬底电极如何向外引接？衬底电极如何向外引接？微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理341.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 1.1.衬底准备衬底准备P P+ +/P/P外延片外延片P P型单晶片型单晶片微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理35P-Sub1.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 2. 氧化、光刻氧化、光刻N-

28、阱阱(nwell)微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理361.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 3. 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N阱P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理37P-SubN阱1.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 4. 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)微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理38P-Sub1.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 5.场区氧化（场区氧化（LOCOS）, 清洁表面清洁表面 (

29、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）微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理39P-Sub1.2.1 主要工艺流程主要工艺流程6. 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，反掺杂，反刻多晶刻多晶 （polysiliconpoly)微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理401.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 7. P+ active注入注入（Pplus）（ 硅栅自对准）硅栅自对准）P-SubP-SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计

30、原理411.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 8. N+ active注入注入（Nplus Pplus反版）反版） （ 硅栅自对准）硅栅自对准）P-SubP-SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理421.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 9. 淀积淀积BPSG，光刻接触孔，光刻接触孔(contact)，回流回流P-SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理431.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 10. 蒸镀金属蒸镀金属1，反刻金属，反刻金属1（metal1)P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集

31、成电路设计原理集成电路设计原理441.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 11. 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-SubP-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理451.2.1 主要工艺流程主要工艺流程 12. 蒸镀金属蒸镀金属2，反刻金属，反刻金属2（metal2)P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理461.2.1 主要工艺流程主要工艺流程13. 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)P-Sub微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理471.2.2 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 Pplus Nplus引线孔引线孔金属金属1通孔通孔金属金属2钝化钝化微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理481.2.3 局部氧化的作用局部氧化的作用2. 减缓表面台阶减缓表面台阶3. 减小表面漏电流减小表面漏电流P-SubN-阱阱1. 提高场区阈值电压提高场区阈值电压微电子中心微电子中心HMECHMEC集成电路设计原理集成电路设计原理491.2.4 硅栅自对准的作用硅栅自对准的作用 在硅栅形成后，利用硅栅的遮蔽作用在硅栅形成后，利用硅栅的遮蔽作用来形成来形