第1章集成电路的基本制造工艺(2)(半导体集成电路共14章).ppt

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1、半导体半导体集成电路集成电路学校：西安理工大学学校：西安理工大学学校：西安理工大学学校：西安理工大学院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系专业：电子、微电专业：电子、微电专业：电子、微电专业：电子、微电 时间：秋季学期时间：秋季学期时间：秋季学期时间：秋季学期1.1.双极集成电路的基本工艺双极集成电路的基本工艺2.双极集成电路中元件结构双极集成电路中元件结构2023/2/28pn+n-epin+P-Sin+-BLCBESP+P+双极集成电路的基本工艺双极集成电路的基本工艺2023/2/28P-SiTepiCBEpn+n-epin

2、+P-SiP+P+Sn+-BLTepiAATBL-uptepi-oxxmcxjc四层三结结构的双极晶体管四层三结结构的双极晶体管双极集成电路中元件结构双极集成电路中元件结构2023/2/28ECB相关知识点相关知识点隐埋层的作用、电隔离的概念、寄生晶体管隐埋层的作用、电隔离的概念、寄生晶体管 MOSMOSMOSMOS集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺 P P P P阱阱阱阱CMOSCMOSCMOSCMOS工艺工艺工艺工艺 BiCMOSBiCMOSBiCMOSBiCMOS集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺集成电路的工艺 N N N N阱阱阱阱CMOSCMOSCMOS

3、CMOS工艺工艺工艺工艺 双阱双阱双阱双阱CMOSCMOSCMOSCMOS工艺工艺工艺工艺2023/2/28MOS晶体管的动作晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的电流时而流过，时而切断的开关开关开关开关n+n+P型硅基板型硅基板栅极（金属）栅极（金属）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极N N沟沟沟沟MOSMOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构晶体管的基本结构源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)2023/2/28silicon substratesourcedraingategateoxideoxi

4、deoxideoxidetop nitride氮化物氮化物metal connection to sourcemetal connection to gatemetal connection to drainpolysilicon gate多晶硅栅多晶硅栅doped silicon掺杂硅掺杂硅field oxidegate oxideMOS晶体管的立体结构晶体管的立体结构2023/2/28在硅在硅衬底上制作底上制作MOS晶体管晶体管silicon substrate2023/2/28silicon substrateoxideoxidefield oxide2023/2/28silicon s

5、ubstrateoxideoxidePhotoresistPhotoresist 光刻胶光刻胶光刻胶光刻胶2023/2/28Shadow on photoresistphotoresistphotoresistExposed area of photoresistChrome platedglass mask铬镀金铬镀金的玻璃屏的玻璃屏Ultraviolet Light紫外线紫外线silicon substrateoxideoxide2023/2/28非感光区域非感光区域silicon substrate感光区域感光区域oxideoxidephotoresistphotoresist2023/

6、2/28Shadow on photoresistsilicon substrateoxideoxidephotoresistphotoresistphotoresist显影显影2023/2/28silicon substrateoxideoxideoxideoxidesilicon substratephotoresistphotoresist腐蚀腐蚀2023/2/28silicon substrateoxideoxideoxideoxidesilicon substratefield oxide去胶去胶2023/2/28silicon substrateoxideoxideoxideoxi

7、degate oxidegate oxidethin oxide layer2023/2/28silicon substrateoxideoxideoxideoxidePolysiliconPolysilicon多晶硅多晶硅多晶硅多晶硅gate oxide2023/2/28silicon substrateoxideoxideoxideoxidegategategateultra-thin超薄超薄 gate oxidepolysilicongate2023/2/28silicon substrateoxideoxideoxideoxidegategategatephotoresistphoto

8、resistScanning direction of ion beam离子束扫描离子束扫描方向方向implanted ions in active region of transistorsImplanted ions in photoresist to be removed during resist strip.sourcedrainion beam2023/2/28silicon substrateoxideoxideoxideoxidegategategatesourcedraindoped silicon掺杂硅掺杂硅2023/2/28自自对准工准工艺1.1.在有源区上覆盖一层薄氧化

9、层在有源区上覆盖一层薄氧化层2.2.淀积多晶硅，用多晶硅栅极版图淀积多晶硅，用多晶硅栅极版图刻蚀多晶硅刻蚀多晶硅3.3.以多晶硅栅极图形为掩膜板，刻以多晶硅栅极图形为掩膜板，刻蚀氧化膜蚀氧化膜4.4.离子注入离子注入2023/2/28silicon substratesourcedraingategate2023/2/28silicon substrategategatecontact holes接触孔接触孔drainsource2023/2/28silicon substrategategatecontact holesdrainsource2023/2/28完整的完整的简单MOS晶体管晶体

10、管结构构silicon substratesourcedraingategateoxideoxideoxideoxidetop nitride氮化物氮化物metal connection to sourcemetal connection to gatemetal connection to drainpolysilicon gate多晶硅栅多晶硅栅doped siliconfield oxidegate oxide2023/2/28CMOSFETP型型 si subn+gategateoxideoxiden+gategateoxideoxideoxideoxidep+p+2023/2/28V

11、DDP阱工艺阱工艺N阱工艺阱工艺双阱工艺双阱工艺P-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINVDDN-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINVDDP-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINN-SiP-SiN-I-SiN+-Si2023/2/28掩膜掩膜1：P阱光刻阱光刻P-wellP-well N+N+P+P+N+P+N-SiP2023/2/28具体步骤如下：具体步骤如下：1生长二氧化硅（湿法氧化）：生长二氧化硅（湿法氧化）：Si(固体固体)+2H2O SiO2（固体）（固体）+2H22023/2/282023/2/282P阱光刻：阱光刻：涂胶涂胶涂胶涂胶腌膜对准腌膜对准腌膜对

12、准腌膜对准曝光曝光曝光曝光光源光源显影显影显影显影2023/2/282023/2/28硼掺杂（离子注入）硼掺杂（离子注入）硼掺杂（离子注入）硼掺杂（离子注入）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）去胶去胶去胶去胶P+去除氧化膜去除氧化膜去除氧化膜去除氧化膜P-well3P阱掺杂：阱掺杂：2023/2/282023/2/28离子源离子源离子源离子源高压高压高压高压电源电源电源电源电流电流积分积分器器离子束离子束离子束离子束2023/2/28掩膜掩膜2：光刻有源区光刻有源区有源区有源区：nMOS、PMOS 晶体管形成的区域晶体管形成的区域P+N+N+P+N

13、-SiP-wellP-wellP-well 淀积氮化硅淀积氮化硅 光刻有源区光刻有源区 场区氧化场区氧化 去除有源区氮化硅及二氧化硅去除有源区氮化硅及二氧化硅SiO2隔离岛隔离岛2023/2/28有源区depositednitride layer有源区光刻板N型p型MOS制作区域(漏-栅-源)2023/2/28P-well1.淀积氮化硅：淀积氮化硅：氧化膜生长（湿法氧化）氧化膜生长（湿法氧化）P-well氮化膜生长氮化膜生长P-well涂胶涂胶P-well对版曝光对版曝光有源区光刻板有源区光刻板2.光刻有源区：光刻有源区：2023/2/28P-well显影显影P-well氮化硅刻蚀去胶氮化硅刻

14、蚀去胶3.场区氧化：场区氧化：P-well场区氧化（湿法氧化）场区氧化（湿法氧化）P-well去除氮化硅薄膜及有源区去除氮化硅薄膜及有源区SiO22023/2/28掩膜掩膜3：光刻多晶硅光刻多晶硅P-well去除氮化硅薄膜及有源区去除氮化硅薄膜及有源区SiO2P-wellP+N+N+P+N-SiP-well栅极氧化膜栅极氧化膜多晶硅栅极多晶硅栅极 生长栅极氧化膜生长栅极氧化膜 淀积多晶硅淀积多晶硅 光刻多晶硅光刻多晶硅2023/2/28P-well生长栅极氧化膜生长栅极氧化膜P-well淀积多晶硅淀积多晶硅P-well涂胶光刻涂胶光刻多晶硅光刻板多晶硅光刻板P-well多晶硅刻蚀多晶硅刻蚀20

15、23/2/28掩膜4 ：P+区光刻区光刻 1、P+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入B+，栅区有多晶硅做掩蔽，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。称为硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶P-wellP+N+N+P+N-SiP-wellP-wellP+P+2023/2/28P-wellP+P-wellP+P+硼离子注入硼离子注入去胶去胶2023/2/28掩膜5 ：N+区光刻区光刻 1、N+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入P+，栅区有多晶硅做掩蔽，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。称为硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶P-wellP+N+N+P+N-SiP-wellP-wellP+P+N+N

16、+2023/2/28P-wellN+P-wellP+P+磷离子注入磷离子注入去胶去胶P+P+N+N+2023/2/28掩膜6 ：光刻接触孔：光刻接触孔1、淀积、淀积PSG.2、光刻接触孔、光刻接触孔3、刻蚀接触孔、刻蚀接触孔P-wellP+N+N+P+N-SiP-wellP-wellP+P+N+N+磷硅玻璃（磷硅玻璃（PSG)2023/2/28掩膜6 ：光刻接触孔：光刻接触孔P-wellP+P+N+N+淀积PSGP-wellP+P+N+N+光刻接触孔P-wellP+P+N+N+刻蚀接触孔P-wellP+P+N+N+去胶2023/2/282023/2/28掩膜7 ：光刻铝线：光刻铝线1、淀积铝、

17、淀积铝.2、光刻铝、光刻铝3、去胶、去胶P-wellP-wellP+P+N+N+2023/2/28P-wellP+P+N+N+铝线铝线PSG场氧场氧栅极氧化膜栅极氧化膜P+区区P-wellN-型硅极板型硅极板多晶硅多晶硅N+区区2023/2/28Example:Intel 0.25 micron Process5 metal layersTi/Al-Cu/Ti/TiNPolysilicon dielectric2023/2/28Interconnect Impact on Chip2023/2/28掩膜8：刻钝化孔：刻钝化孔CircuitPADCHIP双阱标准CMOS工艺P+p-epip we

18、lln wellp+n+gate oxideAl(Cu)tungstenSiO2SiO2TiSi2field oxide增加器件密度增加器件密度防止寄生晶体管效应（闩锁效应）防止寄生晶体管效应（闩锁效应）p-epiP阱阱n+STITiSi2STI深亚微米深亚微米CMOS晶体管结构晶体管结构STISTISTIN阱阱n-n+n-p+p-p+p-源/漏扩展区浅槽隔离侧墙多晶硅硅化物2023/2/28功耗功耗驱动能力驱动能力CMOS双极型双极型Bi-CMOSBiCMOS集成电路工艺2023/2/28BiCMOS工艺分类工艺分类以以CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工艺工艺以双极工艺为基础的以

19、双极工艺为基础的BiCMOS工工艺。艺。2023/2/28以以P阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工艺工艺NPN晶体管电流增益小；晶体管电流增益小；集电极的串联电阻很大集电极的串联电阻很大;NPN管管C极只能接固定电位，从而限制了极只能接固定电位，从而限制了NPN管的使用管的使用2023/2/28以以N阱阱CMOS工艺为基础的工艺为基础的BiCMOS工艺工艺NPN具有较薄的基区，提高了其性能；具有较薄的基区，提高了其性能；N阱使得阱使得NPN管管C极与衬底隔开，可根据电路需要接电位极与衬底隔开，可根据电路需要接电位集电极串联电阻还是太大，影响双极器件的驱动能力集电极串联电阻还是太

20、大，影响双极器件的驱动能力在现有在现有N阱阱CMOS工艺上增加一块掩膜板工艺上增加一块掩膜板2023/2/28 以以N阱阱CMOS工艺为基础的改进工艺为基础的改进BiCMOS工艺工艺使使NPN管的集电极串联电阻减小管的集电极串联电阻减小5 6倍倍；使使CMOS器件的抗闩锁性能大大提高器件的抗闩锁性能大大提高2023/2/28三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）（1）背面减薄）背面减薄（2）切片）切片（3）粘片）粘片（4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊（5）切筋）切筋（6）整形）整形（7）所封）所封（8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化）老化（10）成测）成测（11）打印、包装）打印、包装2023/2/28金丝劈加热压焊2023/2/28三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）2023/2/282023/2/28作业：作业：1.课本P14，1.2题2.下图是NMOS晶体管的立体结构图，请 标出各区域名称及掺杂类型，并画出这个器件的版图（包括接触孔和金属线）。3.名词解释：MOS NMOS PMOS CMOS 场氧、有源区、硅栅自对准工艺