第1章+集成电路制造工艺

国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良1第一章集成电路制造工艺集成电路（IntegratedCircuit）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。国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良21.无生产线集成电路设计技术随着集成电路发展的过程，其发展的总趋势是革新工艺、提高集成度和速度。设计工作由有生产线集成电路设计到无生产线集成电路设计的发展过程。无生产线（Fabless）集成电路设计公司。如美国有200多家、台湾有100多家这样的设计公司。引言国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良32.代客户加工（代工）方式芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代工）方式。代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特征。引言国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良43.PDK文件首先，代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK（PocessDesignKits)通过因特网传送给设计单位。PDK文件包括：工艺电路模拟用的器件的SPICE参数，版图设计用的层次定义，设计规则，晶体管、电阻、电容等元件和通孔（VIA）、焊盘等基本结构的版图，与设计工具关联的设计规则检查（DRC）、参数提取（EXT）和版图电路对照（LVS）用的文件。引言国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良54.电路设计和电路仿真设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路与系统知识的基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、电路仿真（或称模拟）和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和版图电路图对照LVS，最终生成通常称之为GDS-Ⅱ格式的版图文件。再通过因特网传送到代工单位。引言国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良65.掩模与流片代工单位根据设计单位提供的GDS-Ⅱ格式的版图数据，首先制作掩模（Mask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片”。引言国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良7代工（Foundry）厂家很多，如：无锡上华（0.6/0.5mCOS和4mBiCMOS工艺)上海先进半导体公司(1mCOS工艺)首钢NEC(1.2/0.18mCOS工艺)上海华虹NEC(0.35mCOS工艺)上海中芯国际(8英寸晶圆0.25/0.18mCOS工艺)引言6.代工工艺国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良8宏力8英寸晶圆0.25/0.18mCMOS工艺华虹NEC8英寸晶圆0.25mCMOS工艺台积电(TSMC)在松江筹建8英寸晶圆0.18mCMOS工艺联华(UMC)在苏州筹建8英寸晶圆0.18mCMOS工艺等等。引言7.在建、筹建半导体厂家国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良98.境外代工厂家一览表国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良10F&F(FablessandFoundry)模式工业发达国家通过组织无生产线IC设计的芯片计划来促进集成电路设计的专业发展、人才培养、技术研究和中小企业产品开发，而取得成效。这种芯片工程通常由大学或研究所作为龙头单位负责人员培训、技术指导、版图汇总、组织芯片的工艺实现，性能测试和封装。大学教师、研究生、研究机构、中小企业作为工程受益群体，自愿参加，并付一定费用。引言9.芯片工程与多项目晶圆计划国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良11F&F(FablessandFoundry)模式工业发达国家通过组织无生产线IC设计的芯片计划来促进集成电路设计的专业发展、人才培养、技术研究和中小企业产品开发，而取得成效。这种芯片工程通常由大学或研究所作为龙头单位负责人员培训、技术指导、版图汇总、组织芯片的工艺实现，性能测试和封装。大学教师、研究生、研究机构、中小企业作为工程受益群体，自愿参加，并付一定费用。引言9.芯片工程与多项目晶圆计划国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良12多项目晶圆MPW（multi-projectwafer)技术服务是一种国际科研和大学计划的流行方式。MPW技术把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片（Macro-Chip）上然后以步进的方式排列到一到多个晶圆上，制版和硅片加工费用由几十种芯片分担，极大地降低芯片研制成本，在一个晶圆上可以通过变换版图数据交替布置多种宏芯片。引言9.芯片工程与多项目晶圆计划国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良13代工单位与其他单位关系图国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良14集成电路制造工艺分类1.双极型工艺（bipolar）2.MOS工艺3.BiMOS工艺国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良15§1-1双极集成电路典型的PN结隔离工艺国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良16思考题1.需要几块光刻掩膜版(mask)?2.每块掩膜版的作用是什么？3.器件之间是如何隔离的？4.器件的电极是如何引出的？5.埋层的作用？国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良17双极集成电路的基本制造工艺，可以粗略的分为两类：一类为在元器件间要做隔离区。隔离的方法有多种，如PN结隔离，全介质隔离及PN结-介质混合隔离等。另一类为器件间的自然隔离。本节介绍PN结隔离工艺。国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良181.1.1工艺流程P-Sub衬底准备（P型）光刻n+埋层区氧化n+埋层区注入清洁表面国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良19P-Sub1.1.1工艺流程（续1）生长n-外延隔离氧化光刻p+隔离区p+隔离注入p+隔离推进N+N+N-N-国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良201.1.1工艺流程（续2）光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散氧化国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良211.1.1工艺流程（续3）光刻磷扩散区磷扩散氧化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良221.1.1工艺流程（续4）光刻引线孔清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良231.1.1工艺流程（续5）蒸镀金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良241.1.1工艺流程（续6）钝化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP光刻钝化窗口后工序国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良251.1.2光刻掩膜版汇总埋层区隔离墙硼扩区磷扩区引线孔金属连线钝化窗口GNDViVoVDDTR国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良261.1.3外延层电极的引出欧姆接触电极：金属与参杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶N+埋层N–-epiP+P+P+SiO2N–-epiPPN+N+N+钝化层N+CECEBB国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良271.1.4埋层的作用1.减小串联电阻（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。BP-SubSiO2光刻胶N+埋层N–-epiP+P+P+SiO2N–-epiPPN+N+N+钝化层N+CECEBB2.减小寄生pnp晶体管的影响（第二章介绍）国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良281.1.5隔离的实现1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将n型外延层分割成若干个“岛”。2.P+隔离接电路最低电位，使“岛”与“岛”之间形成两个背靠背的反偏二极管。N+N+N--epiPN--epiPP-Sub(GND)P-Sub(GND)P-Sub(GND)BP-SubSiO2光刻胶N+埋层N–-epiSiO2P+P+P+SiO2N–-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良291.1.6作业1描述PN结隔离双极工艺的流程及光刻掩膜版的作用；2说明埋层的作用。注：下次上课时需要交前一次课的作业，做为平时成绩的一部分。不能代交！国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良30§1.2N阱硅栅CMOS集成电路制造工艺国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良31思考题1.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（LOCOS)？（LocalOxidationofSilicon)3.什么是硅栅自对准(SelfAligned)？4.N阱的作用是什么？5.NMOS和PMOS的源漏如何形成的？国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良321.2.1主要工艺流程1.衬底准备P+/P外延片P型单晶片国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良33P-Sub1.2.1主要工艺流程2.氧化、光刻N-阱(nwell)国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良341.2.1主要工艺流程3.N-阱注入，N-阱推进,退火，清洁表面N阱P-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良35P-SubN阱1.2.1主要工艺流程4.长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反版)国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良36P-Sub1.2.1主要工艺流程5.场区氧化（LOCOS）,清洁表面(场区氧化前可做N管场区注入和P管场区注入）国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良37P-Sub1.2.1主要工艺流程6.栅氧化,淀积多晶硅，反刻多晶（polysilicon—poly)国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良381.2.1主要工艺流程7.P+active注入（Pplus）（硅栅自对准）P-SubP-SubP-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良391.2.1主要工艺流程8.N+active注入（Nplus—Pplus反版）（硅栅自对准）P-SubP-SubP-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良401.2.1主要工艺流程9.淀积BPSG，光刻接触孔(contact)，回流P-SubP-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良411.2.1主要工艺流程10.蒸镀金属1，反刻金属1（metal1)P-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良421.2.1主要工艺流程11.绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)P-SubP-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良431.2.1主要工艺流程12.蒸镀金属2，反刻金属2（metal2)P-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良441.2.1主要工艺流程13.钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)P-Sub国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良451.2.2光刻掩膜版简图汇总N阱有源区多晶PplusNplus接触孔金属1通孔金属2PAD国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良461.2.3局部氧化的作用2.减缓表面台阶3.减小表面漏电流P-SubN-阱1.提高场区阈值电压国际微电子中心集成电路设计原理2019/10/3韩良471.