第八章 双极型集成电路1内容提要 8.1 集成电路制造工艺 8.2 电学隔离 8.3 pn结隔离集成电路工艺流程 8.4 IC中的元件结构与寄生效应 8.5 TTL门电路的工作原理和基本参数 8.6 TTL门电路的改进 8.7 双极型数字电路的版图设计2 集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外 延材料掩膜版芯片制 造过程封装测试系统需求3芯片制造过程4芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸 发形成新的薄膜或膜层曝 光刻 蚀硅片测试和封装用掩膜版 重复 20-30次AA5 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等 制膜：制作各种材料的薄膜8-1 集成电路制造工艺6一、图形转换：光刻7光刻机8 光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化 合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶 状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导 致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特 定溶液中的溶解特性改变 正胶：分辨率高，在超大规模集成电路 工艺中，一般只采用正胶 负胶：分辨率差，适于加工线宽3m 的线条9正胶：曝光 后可溶负胶：曝光 后不可溶10光刻过程：第一步：涂胶第二步：预烘11第三步：曝光第四步：显影第五步：后烘正性胶负性胶12 几种常见的光刻方法 接触式光刻：分辨率较高，但是容易 造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。 接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有 一个很小的间隙(1025m)，可以大大 减小掩膜版的损伤，分辨率较低 投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩 膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法 ，目前用的最多的曝光方式13超细线条光刻技术 甚远紫外线(EUV) 电子束光刻 X射线 离子束光刻14图形转换：刻蚀技术湿法刻蚀：利用液态化学试剂或 溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干法刻蚀：主要指利用低压放电 产生的等离子体中的离子或游离基( 处于激发态的分子、原子及各种原 子基团等)与材料发生化学反应或通 过轰击等物理作用而达到刻蚀的目 的15图形转换：刻蚀技术 湿法腐蚀： 湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着 广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀 优点是选择性好、重复性好、生产 效率高、设备简单、成本低 缺点是钻蚀严重、对图形的控制性 较差16干法刻蚀 溅射与离子束刻蚀：通过高能惰性气体离子的 物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性 较差 等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的 游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实 现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向 异性较差 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为 RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学 反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻 蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好 的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最 广泛的主流刻蚀技术 17二、杂质掺杂 掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区 域中，以达到改变半导体电学性质，形成 PN结、电阻、欧姆接触 磷(P)、砷(As) N型硅 硼(B) P型硅 掺杂工艺：扩散、离子注入18扩 散 替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位： 、族元素 一般要在很高的温度(9501280)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数 均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化 层作为杂质扩散的掩蔽层 间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙： Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 扩散系数要比替位式扩散大67个数量级19杂质横向扩散示意图20固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等2122利用液态源进行扩散的装置示意图2324离子注入 离子注入：将具有很高能量的杂质离子射 入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由 注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓 度由注入杂质离子的数目(剂量)决定 掺杂的均匀性好 温度低：小于600可以精确控制杂质分布 可以注入各种各样的元素 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂25离子注入系统的原理示意图26离子注入到无定形靶中的分布情况 27掺杂工艺存在的主要问题：对衬底晶格的损伤。离子注入后，一般都要经过退火处理。28退 火 退火：也叫热处理，集成电路工艺中所 有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处 理过程都可以称为退火 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运 动到晶格位置，以便具有电活性，产生自 由载流子，起到杂质的作用 消除损伤 退火方式： 炉退火 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、 连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯 、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)29三、制膜 1、氧化工艺 氧化：制备SiO2层 SiO2的性质及其作用SiO2是一种十分理想的电绝缘 材料，它的化学性质非常稳定 ，室温下它只与氢氟酸发生化 学反应30氧化硅层的主要作用 在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅 介质，器件的组成部分 扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与 光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层 作为集成电路的隔离介质材料 作为电容器的绝缘介质材料 作为多层金属互连层之间的介质材料 作为对器件和电路进行钝化的钝化层 材料31SiO2的制备方法 热氧化法 干氧氧化 水蒸汽氧化 湿氧氧化 干氧湿氧干氧(简称干湿干)氧 化法 氢氧合成氧化 化学气相淀积法 热分解淀积法 溅射法32进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图33342、化学气相淀积(CVD) 化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通过 气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的 过程 CVD技术特点：具有淀积温度低、不消耗衬底材料、薄膜成 分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶 覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优 点 CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需 要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多 晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等35化学气相淀积(CVD) 常压化学气相淀积(APCVD) 低压化学气相淀积(LPCVD) 等离子增强化学气相淀积 (PECVD)36APCVD反应器的结构示意图37LPCVD反应器的结构示意图38平行板型PECVD反应器的结构示意图39化学气相淀积(CVD) 单晶硅的化学气相淀积(外延)：一般地，将 在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延 ，生长有外延层的晶体片叫做外延片 二氧化硅的化学气相淀积：可以作为金属化 时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩 散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的 氧化物用作扩散源 低温CVD氧化层：低于500 中等温度淀积：500800 高温淀积：900左右40化学气相淀积(CVD) 多晶硅的化学气相淀积：利用多晶硅替代金 属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技 术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅 极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用 多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注 入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高 。 氮化硅的化学气相淀积：中等温度(780 820)的LPCVD或低温(300) PECVD方法 淀积413、物理气相淀积(PVD) 蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的 能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽 原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同 ，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种 溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电 场作用下，气体放电形成的离子被强电场加 速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到 晶片上42蒸发原理图43蒸发台4445小结：集成电路工艺 图形转换： 光刻：接触光刻、接近光刻、投影光 刻、电子束光刻 刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀 掺杂： 离子注入 退火 扩散 制膜： 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 CVD：APCVD、LPCVD、PECVD PVD：蒸发、溅射46补充1：接触与互连蒸发或溅射 芯片表面形成金属膜 光刻和腐蚀 连线 集成电路中的互连线一般采用金属（铝、铜） ，有时也用多晶硅（电阻率较高）。 Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材 料, 但Al连线也存在一些比较严重的问题 电阻率偏高、浅结穿透等 Cu连线工艺有望从根本上解决该问题 IBM、Motorola等已经开发成功 目前，互连线已经占到芯片总面积的7080% ；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加47接触孔和通孔金属2金属1金属1金属2通 孔接触 孔48补充2：芯片封装工艺49（1）封装工序流程50（2）管芯分割工艺51（3）芯片粘贴52（4）引线键合53（5）模压（塑封）（6）封装分类54（6）封装分类55补充3：半导体制造环境要求 主要污染源：微尘颗粒、重金属离子、有 机物残留物和钠离子等轻金属离子。 超净间：洁净等级主要由 微尘颗粒数/m30.1um 0.2um 0.3um 0.5um 5.0um I级 35 7.5 3 1 NA 10 级 350 75 30 10 NA 100级 NA 750 300 100 NA 1000级 NA NA NA 1000 756