第10章工艺集成

集成电路制造工艺东华理工大学彭新村[e-mail]13687095856天津工业大学第10章工艺集成集成电路中的隔离1CMOS集成电路的工艺集成234双极集成电路的工艺集成BiCMOS集成电路的工艺集成天津工业大学工艺集成：——运用各类工艺形成电路结构的制造过程CMOS集成电路的工艺集成双极型集成电路的工艺集成BiCMOS集成电路的工艺集成天津工业大学§10.1集成电路中的隔离一.MOS集成电路中的隔离局部场氧化工艺（Localoxidationofsilicon，LOCOS）改进的LOCOS工艺浅槽隔离（Shallowtrenchisolation，STI）MOSFET1MOSFET2寄生的厚氧MOSFETn+n+n+n+SiO2Alp型衬底CMOS自隔离及寄生MOS示意图天津工业大学LOCOS工艺流程硅片清洗生长缓冲SiO2层LPCVD淀积Si3N4涂胶天津工业大学LOCOS掩模板曝光显影刻蚀天津工业大学去胶隔离注入热氧化刻蚀氮化硅天津工业大学LOCOS工艺的缺点1.鸟嘴的形成（Bird’sbeak）由于氧的横向扩散，硅的氧化反应是各向同性的氧化物在氮化硅下面的生长形成鸟嘴浪费硅片的有效面积2.厚的氧化层造成表面凹凸不平，加重台阶覆盖问题天津工业大学改进的LOCOS工艺回刻的LOCOS工艺侧墙掩蔽的隔离工艺多晶硅缓冲层的LOCOS工艺（PBL）天津工业大学浅槽隔离（STI）STL不会产生鸟嘴更平坦的表面更多的工艺步骤LOCOS工艺相对简单，便宜，高产率当特征尺寸0.35um不再适用天津工业大学STI工艺流程掩模板光刻刻蚀形成浅槽天津工业大学STI工艺流程高压CVDSiO2CMPSiO2至Si3N4层CMP去除Si3N4天津工业大学SOI技术介质隔离绝缘体上外延硅结合STI技术横向和纵向的完全隔离工艺较复杂天津工业大学二.双极型电路中的隔离pn结隔离：（形成工作区－光刻出隔离区－离子注入与工作区反型的杂质形成pn结），工艺简单缺点：隔离区较宽，降低集成度；隔离扩散引入了大的收集区－衬底和收集区－基区电容，不利于电路速度的提高深槽隔离：与浅槽隔离类似天津工业大学§10.2CMOS集成电路中的工艺集成MOS集成电路工艺的发展：70－80年代，nMOS为IC主流技术：多晶硅栅替代铝栅，源漏自对准结构；离子注入技术提高沟道和源漏区掺杂的控制能力80年代之后，CMOS工艺成为IC主流技术：带侧墙的漏端轻掺杂结构；自对准硅化物技术；浅槽隔离技术；氮化二氧化硅栅介质材料；晕环技术；双掺杂多晶硅技术；化学机械抛光（CMP）；大马士革镶嵌工艺和铜互连技术今后发展趋势：超薄SOICMOS器件，纳米硅器件，双栅器件等天津工业大学CMOS工艺中的基本模块及对器件性能的影响CMOSIC中的阱:单阱（SingleWell）双阱（TwinWell）自对准双阱（Self-alignedTwinWell）阱的制备工艺：高能离子注入高温退火杂质推进天津工业大学单阱P阱CMOS（静态逻辑电路）N阱CMOS（动态逻辑电路）天津工业大学双阱需要两块掩模版更平坦的表面先进CMOSIC工艺中最常用的天津工业大学自对准双阱工艺优点：只需要一块掩模版，减少工艺成本缺点：硅片表面不平坦，影响后续的介质淀积一般先离子注入形成N阱，因为P在高温下的扩散比B慢，避免了氧化时杂质的扩散天津工业大学CMOS集成电路中的栅电极（Gate）普通金属栅（铝栅）多晶硅栅（双掺杂自对准多晶硅工艺）高k栅介质及金属栅（钨栅及Ta2O5）天津工业大学高k栅介质及金属栅器件尺寸缩小（0.1um），氧化层厚度越来越薄，需要采用高k介质代替SiO2作为栅介质层保证储存足够的电荷来开启MOSFET，并有效防止隧穿及击穿金属栅具有更低的电阻率，能有效地提高器件的速度采用高k栅介质和金属栅是未来的一个发展方向天津工业大学CMOS集成电路中的源漏结构源漏结构及工艺的发展：蒸发或固相扩散离子注入轻掺杂源漏结构源漏扩展结构晕环结构天津工业大学轻掺杂源漏（LDD）结构热电子效应LDD结构天津工业大学LDD工艺流程低剂量注入形成轻掺杂层淀积氮化硅层刻蚀氮化硅层形成侧墙天津工业大学高剂量，高能量离子注入形成重掺杂层退火驱进形成源漏天津工业大学晕环注入（haloimplantation）进一步降低短沟效应，降低源漏区横向扩散提高杂质分布梯度以降低源漏串联电阻天津工业大学自对准结构和接触天津工业大学CMOSIC工艺流程80年代主流工艺90年代主流工艺当前主流工艺（见课件）天津工业大学§10.3双极型集成电路的工艺集成平面双极集成电路工艺：标准埋层双极晶体管（SBC）收集区扩散绝缘双极晶体管（CDI）三扩散层双极晶体管（3D）SBC晶体管的结构天津工业大学SBC双极集成电路工艺流程（见课件）先进的隔离技术（深槽隔离DTI代替pn结隔离，减少隔离面积，增加集成度）多晶硅发射极（减少发射区表面复合速率，改善晶体管电流增益，缩小器件纵向尺寸）自对准发射极和基区接触（自对准，减少光刻，减少器件内部电极接触之间的距离）天津工业大学§10.4BiCMOS的工艺集成双极集成电路优点:高速、驱动能力强，适合于高精度模拟电路双极集成电路缺点：功耗高，集成度低CMOS集成电路优点：功耗低，高集成度CMOS集成电路缺点：速度低，驱动能力差BiCMOS技术，利用CMOS器件制作高集成度、低功耗部分，利用双极器件制作输入和输出部分或者高速部分天津工业大学以CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺以标准双极工艺为基础的双阱BiCMOS工艺天津工业大学小结MOS集成电路中的隔离LOCOS工艺，改进的LOCOS工艺，浅槽隔离双极型集成电路中的隔离pn结隔离，深槽隔离CMOS集成电路中的基本模块阱（单阱、双阱、自对准双阱）栅电极（多晶硅栅、金属栅和高k栅介质层）源漏结构（轻掺杂源漏结构LDD）接触层（自对准硅化物工艺）天津工业大学COMS工艺流程80年代工艺（LOCOS、PSG回流、正胶光刻等）90年代工艺（外延硅、STI、LDD、CMP等）当前主流工艺（SOIwithSTI、Cu及低k介质）双极电路工艺流程SBC、CDI、3DBiCMOS工艺流程双极电路和CMOS电路的优缺点以CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺以双极工艺为基础的双阱BiCMOS工艺