IC工艺的一些概括资料

第五章电子设备制造基础本章教学学时：2本章主要介绍电子设备的基本构成及电子元器件、集成电路的制造工艺、发展现状、壳体及插接件的制造技术及电子设备的组装技术，以期使读者对电子设备的制造有一个整体的了解。本章的重点为电器元件的种类；机电元件的种类；CMOS的工艺流程；SBC工艺流程；整机组装的工艺过程及要求。学习的难点是集成电路的工艺技术和双极集成电路制造工艺。本章教学方式：授课与自学主要授课内容：第一节电子设备的基本构成一、电抗元件L电阻器电阻器可分为固定电阻器（含特种电阻器）和可变电阻器（电位器）两大类。.电位器与可变电阻（变阻器）电位器与可变电阻从原理上说是一致的，电位器就是一种可连续调节的可变电阻器。除特殊品种外，对外有三个引出端，靠一个活动端（也称为中心抽头或电刷）在固定电阻体上滑动，可以获得与转角或位移成一定比例的电阻值。.电容器电容器种类繁多，分类方式有多种，通常按绝缘介质材料分类，有时按容量是否可调分类。其中按介质材料可分为：有机介质、复合介质，无机介质，气体介质，电解质电容器。.电感器电感器一般又称电感线圈，在谐振、耦合、滤波、陷波等电路应用十分普遍。与电阻器、电容器不同的是电感线圈没有品种齐全的标准产品，特别是一些高频小电感，通常需要根据电路要求自行设计制作。.变压器变压器也是一种电感器。它是利用两个电感线圈靠近时的互感现象工作的，在电路中可以起到电压变换和阻抗变换的作用，是电子产品中十分常见的元件。二、 机电元件利用机械力或电信号的作用，使电路产生接通、断开或转接等功能的元件，称为机电元件。常见于各种电子产品中的开关，插接件等都属于机电元件。.开关开关是接通或断开电路的一种广义功能元件，种类繁多。.连接器连接器是电子产品中用于电气连接的一类机电元件，使用十分广泛。习惯上把连接器称为插接件，有时也把连接器中一部分称为插接件。.继电器继电器是一种电气控制常用的机电元件，可以看作是一种由输入参量（如电、磁、光、声等物理量）控制的开关。三、 半导体分立器件半导体分立器件包括二极管、三极管及半导体特殊器件。四、 集成电路集成电路是在半导体平面管的基础上发展起来的，又称芯片或集成电路块。集成电路是最能体现电子产业日新月异、飞速发展的一类电子元器件。第二节集成电路制造工艺—、概述集成电路按制造工艺和结构可分为：半导体集成电路，膜集成电路（又可细分为薄膜、厚膜两类），混合集成电路。通常提到集成电路指的是半导体集成电路，也是应用最广泛、品种最多的集成电路。膜电路和混合电路一般用于专用集成电路，通常称为模块。集成电路按半导体工艺分：双极型电路在硅片上制作双极型品体管构成的集成电路，由空穴和电子两种载流子导电。MOS电路只有空穴或电子的一种作为载流子导电。双极型一MOS电路（BIMOS）双极型品体管和MOS电路混合构成集成电路，一般前者作输出级，后者作输入级。二、集成电路的工艺技术集成电路的生产过程实际上是顺次运用不同的工艺技术，最终在硅片上实现有效的图形和电学结构的过程。.阱工艺结构在硅衬底上所形成的不同掺杂类型的衬底称为阱。阱由离子注入和扩散形成，掺杂为N型称为N型阱，掺杂为P型称为P型阱。在同一硅片上形成N型阱和P型阱，称为双阱。利用高能的离子注入，不经过扩散.直接在硅片中的某一深度上形成杂质分布，称为倒装阱。倒装阱的特点是不同阱之间横向扩散少，阱表面浓度较低，有利于器件特性的改善。.器件隔离集成电路中的各个单元是按相同的工艺步骤同时形成的，为了保持单个器件相对独立的工作特性，需要进行器件隔离。器件隔离的方式主要有局域氧化隔离和浅沟槽隔离两种。局域氧化隔离局域氧化隔离是传统占据统治地位的器件隔离技术，它是利用了氧在氮化硅薄膜中扩散极慢的特性，从而使得被氮化硅覆盖的硅层在氧化过程中极难生成氧化物，由此在硅片上实现了隔离区被选择氧化的结果。浅沟槽隔离浅沟槽隔离是一种全新的器件隔离方法，它可以在全平坦化的条件下使“鸟嘴”区宽度接近于零，目前已成为0.25m以下集成电路生产过程中的标准器件隔离技术。局域氧化隔离和浅沟隔离的工艺步骤如图5-1所示。

.薄栅氧化栅氧化层是构成MOS器件的关键介质层.它在控制器件的驱动能力大小、抑制短沟道效应、提高可靠性等方面有着重要的作用。.金属化被隔离的单个MOS器件需要连接起来构成复杂的电路。器件和器件之间通过金属线连接，金属线和器件通过欧姆接触相连，同时对MOS器件使用金属硅化工艺，这些工艺过程统称为金属化。.源漏工程与浅结MOS器件中理想的源漏区是单一的PN结，在保证一定的表面浓度条件下，减少源漏延伸区的结深，已成为MOS技术中的关键问题之一。源漏延伸区的结深不仅指纵向的结深，也指横向的结深。纵向结深通常通过降低离子注入能量、提高退火效率来实现，也有用预无定形注入、等离子浸润等技术的。横向结深的减少也就是降低杂质横向扩散分量，除了上述技术外，还可采用大角度注入反型杂质离子技术，也称为“晕圈”技术。.多层互连多层互连技术图5-2展示了当前最先进的多层互连结构，主要包括局域互连、金属连线、上下层金属线间的互连等，金属连线之间需要用绝缘介质层进行隔离，该绝缘层称为“层间(绝缘)介质层(ILD)”，同时它也是上层金属线的物理支撑体。PECVDSiN/SiOj钝化层）五层Cu互连线双嵌入工艺W扩散阻挡层PECVDSiN/SiOj钝化层）五层Cu互连线双嵌入工艺W扩散阻挡层S'NJSiOz腐蚀/CMP阻挡层.低人层间介质第一层绝'缘介质层''鸨插塞(Wplug)图5-2Cu线+低k的双嵌入多层互连工艺图5-3不同平坦化技术的对比平坦化技术层间介质层未作平坦化、部分平坦化、局域平坦化和全局平坦化的区别，如图5-3所示。化学机械抛光技术化学机械抛光实现全局平坦化。图5-4展示了化学机械抛光设备的基本结构和化学机械抛光工艺的基本过程。图5-4CMP的基本结构和工艺过程插塞工艺和金属通孔填充由于层间介质层厚度较大，使得连接上下金属线用的通孔变得较深，对于一般的金属溅射淀积将会存在严重的工艺缺陷，包括台阶断裂和空洞的形成。利用专门的插塞工艺，即淀积通孔中金属的专用工艺可解决这一问题。主要方法有“钨填充回刻”和“高温铝”技术。“Cu十双嵌入工艺+低k是最新的多层互连技术，已在0.18Rm集成电路技术中使用，预计在0.13rm集成电路技术占据统治地位。该工艺中使用金属铜(Cu，电阻率小于2.0心・cm)作为连接线，其工艺如图5-5所示。该技术的特点是在平坦化层间介质后，在介质层上刻蚀出金属连线用的凹槽，再淀积金属铜化学电镀，接着用CMP除去多余的金属，留下了所需的金属连线。图5-5图5-5双嵌入工艺三、集成电路的制造工艺1.MOS电路的制造工艺MOS电路的种类较多，但其基本单元均为MOS晶体管。图5-6为p-MOS集成电路制造工艺及其管芯结构，其工艺过程如下：

（1） 硅片制备。（2） 一次氧化。（3） 一次光刻，刻出源区和漏区的窗口图形。（4） 硼扩散，分预淀积和再分布两步进行，形成P型源区和漏区。（5） 二次光刻，刻掉导电沟道上的氧化层。（6） 二次氧化，在高温炉中形成栅极氧化层。控制栅极氧化层的厚度和纯度，是制造MOS电路的关键工艺，因为栅极氧化层的质量决定了晶体管的开启电图 5-6p-MOS集成电路制造工艺及其管芯结构压及管子工作的可靠性和稳定性。（7） 磷钝化，为防止钠离子侵入氧化层而影响晶体管的开启电压，故在高温炉中使硅片氧化层表面生成一层磷硅玻璃，用以吸收氧化层中的钠离子，提高MOS电路的稳定性。这种处理方法称为磷钝化。（8） 三次光刻，刻蚀电极引线孔。（9） 蒸铝，用真空蒸发的方法，在硅片表面淀积一层厚约1〃m的铝膜或硅-铝合金膜。（10） 四次光刻，又称反刻或刻铝，刻蚀出电极引线图形。（11） 合金化处理。（12） 初测、划片。（13） 选片（剔除废品）。（14） 烧结。（15） 引线键合。（16） 封装、老炼、总测、打印、包装等工艺过程。2・双极集成电路制造工艺双极集成电路就是以双极晶体管作为有源元件的集成电路。双极集成电路具

有高速和极大的灵通性，所以在集成电路发展到巨大规模的今天，硅双极技术在一系列数字和模拟应用中依然具有相当大的吸引力。但是双极的主要缺点是集成度低，功耗大，所以主要用于小规模(SSI)和中等规模(MSI)的集成电路中。集成电路中的基本元件包括有源元件和无源元件，无源元件主要包括电阻、电容和电感。极电路的有源元件有二极管、NPN管、横向PNP管、衬底PNP管等。集成电路的制造采用的是平面工艺，就是说所有的元件都是平面管，电极都是在一个平面上，这与分离元件有所不同。双极集成电路的制造工艺所需工艺手段和CMOS基本相同，只是多需要一种技术，下面介绍最基本的双极集成电路工艺(用PN结隔离的标准埋层工艺(SBC))，以NPN为例。其器件形成过程如图5-7所示。衬底准备衬底用轻掺杂的P型硅。埋层形成埋层是为了减小集电区体电阻。先在衬底上长一层二氧化硅，光刻出埋层区，干法刻掉埋层区的氧化硅，然后注入N型杂质(磷、神或碲)，退火激活杂质并使其扩散，(图5-7a)。

外延层生长用湿法刻去全部二氧化硅，然后外延一层轻掺杂N型外延硅后注人硼，退火使其扩散就形成基区。要注意注入硼的能量和剂量，这对器件的性能影响特别大，(图5-7e)。层。双极器件主要就是做在这层外延层上，(图5-7b)(4)隔离区形成再长一层二氧化硅，光刻出隔离区，刻掉该区的氧化层，预淀积硼，并退图5-7SBC工艺流程示意图火使其扩散，从而形成P型的隔离区，(图5-7c)层。双极器件主要就是做在这层外延层上，(图5-7b)(4)隔离区形成再长一层二氧化硅，光刻出隔离区，刻掉该区的氧化层，预淀积硼，并退图5-7SBC工艺流程示意图火使其扩散，从而形成P型的隔离区，(图5-7c)。(5)深集电极接触形成 深集电极接触也是为了降低集电极体电阻，光刻出集电极，注入(或扩散)磷，退火激活并扩散，（图5-7d）。a)埋房注入(6)基区形成光刻基区，然(7)发射区形成基区长一层氧化层，光刻出发射区，磷扩散或注入图5-7双极型集成电路的制备工艺神，并退火形成发射区，(图5-7f)。(8)金属接触和布线淀积一层二氧化硅，光刻并十法刻出接触孔，该孔用来引出电极。孔内溅射金属形成欧姆接触，淀积铝作为金属连接层，再光刻并刻出连线层金属，淀积一层钝化层并退火，用版8光刻和一步刻蚀形成压焊块，(图5-7g)。四、集成电路的封装技术集成电路的封装是指将电路的芯片封固在一定的外壳之中，以提供电连接及机械和环境保护。封装的方法随外壳的种类而异，其主要目的是阻止来自外界的冲击和潮气等，以保护内部芯片和键合部位，其次是为了易于安装在印刷电路板上。封装的形式有双列直插式、扁平封装及普通的金属圆形、菱形封装，如图5-8所示。双列直插式使用的材料有塑料、黑陶瓷及金属陶瓷几种。其特点是成本低、强度大、使用