《双极型集成电路》PPT课件.ppt

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• 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集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试系系统统需需求求3芯片制造过程4芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次AA5•图形转换：图形转换：将设计在掩膜版将设计在掩膜版(类似于照类似于照相底片相底片)上的图形转移到半导体单晶片上上的图形转移到半导体单晶片上•掺杂：掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等•制膜：制膜：制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜§8-1 §8-1 集成电路制造工艺集成电路制造工艺6一、图形转换：光刻7 光刻机8•光刻三要素：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机–光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀蚀剂剂，，它它是是由由光光敏敏化化合合物物、、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体–光光刻刻胶胶受受到到特特定定波波长长光光线线的的作作用用后后，，导导致致其其化化学学结结构构发发生生变变化化，，使使光光刻刻胶胶在在某某种种特特定定溶溶液中的溶解特性改变液中的溶解特性改变•正胶：正胶：分辨率高，在超大规模集成电路分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶工艺中，一般只采用正胶•负负胶胶：：分分辨辨率率差差，，适适于于加加工工线线宽宽≥3 m的线条的线条9正胶：曝光正胶：曝光后可溶后可溶负胶：曝光负胶：曝光后不可溶后不可溶10光刻过程：光刻过程： 第一步：涂胶第一步：涂胶 第二步：预烘第二步：预烘11 第三步：曝光第三步：曝光 第四步：显影第四步：显影 第五步：后烘第五步：后烘正性胶正性胶负性胶负性胶12•几种常见的光刻方法几种常见的光刻方法–接触式光刻：接触式光刻：分辨率较高，但是容易造分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。

成掩膜版和光刻胶膜的损伤–接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙个很小的间隙(10～～25 m)，可以大大减，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低小掩膜版的损伤，分辨率较低–投影式曝光：投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜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，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•湿湿法法刻刻蚀蚀：：利利用用液液态态化化学学试试剂剂或或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法溶液通过化学反应进行刻蚀的方法•干干法法刻刻蚀蚀：：主主要要指指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基( (处处于于激激发发态态的的分分子子、、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等) )与与材材料料发发生生化化学学反反应应或或通通过过轰轰击击等等物物理理作作用用而而达达到到刻刻蚀蚀的的目目的的15图形转换：刻蚀技术•湿法腐蚀：湿法腐蚀：–湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广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、生产效优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低率高、设备简单、成本低–缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差差16干法刻蚀•溅射与离子束刻蚀：溅射与离子束刻蚀：通过高能惰性气体离子的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，但选择性物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差较差•等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)：：利用放电产生的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，但各向现刻蚀选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差异性较差•反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为，简称为RIE)：：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学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蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点目前，的优点目前，RIE已成为已成为VLSI工艺中应用最工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术广泛的主流刻蚀技术17二、杂质掺杂•掺杂：掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区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，形成域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触结、电阻、欧姆接触–磷磷(P)、砷、砷(As) —— N型硅型硅–硼硼(B) —— P型硅型硅•掺杂工艺：掺杂工艺：扩散、离子注入扩散、离子注入18扩 散•替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：–Ⅲ、、Ⅴ族元素族元素–一般要在很高的温度一般要在很高的温度(950～～1280℃)下进行下进行–磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远磷、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杂质扩散的掩蔽层•间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：–Na、、K、、Fe、、Cu、、Au 等元素等元素–扩散系数要比替位式扩散大扩散系数要比替位式扩散大6～～7个数量级个数量级19杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图20固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等2122利用液态源进行扩散的装置示意图2324离子注入•离子注入：将具有很高能量的杂质离子射离子注入：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度由注入杂质离子的数目(剂量剂量)决定决定 – 掺杂的均匀性好掺杂的均匀性好–温度低：小于温度低：小于600℃–可以精确控制杂质分布可以精确控制杂质分布–可以注入各种各样的元素可以注入各种各样的元素–横向扩展比扩散要小得多。

横向扩展比扩散要小得多–可以对化合物半导体进行掺杂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，起到杂质的作用载流子，起到杂质的作用–消除损伤消除损伤•退火方式：退火方式：–炉退火炉退火–快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等电弧灯、石墨加热器、红外设备等)29三、制膜 1、氧化工艺•氧化：制备氧化：制备SiO2层层•SiO2的性质及其作用的性质及其作用 SiO2是一种十分理想的电绝缘是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，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室温下它只与氢氟酸发生化学反应反应30氧化硅层的主要作用•在在MOS电路中作为电路中作为MOS器件的绝缘栅器件的绝缘栅介质，器件的组成部分介质，器件的组成部分•扩散时的掩蔽层，离子注入的扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与有时与光刻胶、光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)阻挡层阻挡层•作为集成电路的隔离介质材料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作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料材料31SiO2的制备方法•热氧化法热氧化法–干氧氧化干氧氧化–水蒸汽氧化水蒸汽氧化–湿氧氧化湿氧氧化–干氧－湿氧－干氧干氧－湿氧－干氧(简称干湿干简称干湿干)氧化法氧化法–氢氧合成氧化氢氧合成氧化•化学气相淀积法化学气相淀积法•热分解淀积法热分解淀积法•溅射法溅射法32进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图33342、化学气相淀积(CVD)•化学气相淀积化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition)：：通过通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程过程•CVD技术特点：技术特点：–具有淀积温度低、具有淀积温度低、不消耗衬底材料、不消耗衬底材料、薄膜成分薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆和厚度易于控制、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的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等35化学气相淀积(CVD)•常压化学气相淀积常压化学气相淀积(APCVD)•低压化学气相淀积低压化学气相淀积(LPCVD)•等离子增强化学气相淀积等离子增强化学气相淀积(PECVD)36APCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图37 LPCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图38平行板型平行板型PECVD反应器的结构示意图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单晶硅的化学气相淀积(外延外延)：：一般地，将一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，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：二氧化硅的化学气相淀积：可以作为金属化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氧化物用作扩散源 –低温低温CVD氧化层：低于氧化层：低于500℃–中等温度淀积：中等温度淀积：500～～800℃–高温淀积：高温淀积：900℃左右左右40化学气相淀积(CVD)•多晶硅的化学气相淀积：多晶硅的化学气相淀积：利用多晶硅替代金属利用多晶硅替代金属铝作为铝作为MOS器件的栅极是器件的栅极是MOS集成电路技术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重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多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，晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使使MOS集成电路的集成度得到很大提高。

集成电路的集成度得到很大提高•氮化硅的化学气相淀积：氮化硅的化学气相淀积：中等温度中等温度(780～～820℃)的的LPCVD或低温或低温(300℃) PECVD方法方法淀积淀积413、物理气相淀积(PVD)•蒸发：蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的在真空系统中，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，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有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种•溅射：溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电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速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上晶片上42蒸蒸发发原原理理图图43蒸发台蒸发台4445小结：集成电路工艺•图形转换：图形转换：–光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻电子束光刻–刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀•掺杂：掺杂：–离子注入离子注入 退火退火–扩散扩散•制膜：制膜：–氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等–CVD：：APCVD、、LPCVD、、PECVD–PVD：蒸发、溅射：蒸发、溅射46补充补充1：接触与互连：接触与互连蒸发或溅射蒸发或溅射 → →芯片表面形成金属膜芯片表面形成金属膜 →→光刻和腐蚀光刻和腐蚀 → →连线连线 •集成电路中的互连线一般采用金属（集成电路中的互连线一般采用金属（铝铝、、铜铜），），有时也用多晶硅（电阻率较高）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是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料, 但但Al连线也存在一些比较严重的问题连线也存在一些比较严重的问题–电阻率偏高、浅结穿透等电阻率偏高、浅结穿透等•Cu连线工艺有望从根本上解决该问题连线工艺有望从根本上解决该问题–IBM、、Motorola等已经开发成功等已经开发成功•目前，互连线已经占到芯片总面积的目前，互连线已经占到芯片总面积的70～～80%；；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加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 金属金属2金属金属1金属金属1金属金属2通孔通孔接触接触孔孔48补充2：芯片封装工艺芯片封装工艺49（1）封装工序流程50（（2）管芯分割工艺）管芯分割工艺51 （（3）芯片粘贴）芯片粘贴52（（4）引线键合）引线键合53 （（5）模压（塑封））模压（塑封） （（6）封装分类）封装分类54（（6）封装分类）封装分类55补充补充3：半导体制造环境要求：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/m3 I级 35 7.5 3 1 NA10 级 350 75 30 10 NA100级 NA 750 300 100 NA1000级 NA NA NA 1000 756。