第一章 集成电路制造工艺

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• 1971年11月15日，世界上第一个微处理器 4004诞生了，它包括一个四位的平行加法器、 十六个四位的缓存器、一个储存器 (accumulator) 与一个下推堆栈 (push-down stack)，共计约二千三百个晶体管；4004与其 它只读存储器、移位缓存器与随机取内存，结 合成MCS-4微电脑系统；从此之后，各种集成 度更高、功能更强的微处理器开始快速发展， 对电子业产生巨大影响。三十年后，英特尔的 Pentium III已经包含了一千万个以上的晶体 管。
半导体集成电路原理
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课程地位
集成电路 传感器 光电器件 微波器件 MEMS
微电子工艺基础
半导体物理与器件
固体物理
半导体物理
微电子器件原理
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集成电路的发展
定义：集成电路就是把许多分立组件制作在同一个半导 体芯片上所形成的电路。在制作的全过程中作为一个整 体单元进行加工。 早在1952年，英国的杜默 (Geoffrey W. A. Dummer) 就提出集成电路的构想。 1958年9月12日，德州仪器公司(Texas Instruments) 的基尔比 (Jack Kilby， 1923~ )，细心地切了一块锗 作为电阻，再用一块pn结面做为电容，制造出一个震荡 器的电路，并在1964年获得专利，首度证明了可以在同 一块半导体芯片上能包含不同的组件。 1964年，快捷半导体(Fairchild Semiconductor)的诺 宜斯(Robert Noyce，1927~1990)，则使用平面工艺方 法，即借着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式，解决了集成 电路中，不同组件间导线连结的问题。
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预见
根据国际半导体科技进程 (International Technology Roadmap for Semiconductor) 的推估，公元2014年，最小线宽可达0.035微 米，内存容量更高达两亿五千六兆位，尽管新 工艺、新技术的开发越来越困难，但相信半导 体业在未来十五年内，仍会迅速的发展下去。
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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 ) ？ （Local Oxidation of Silicon) 3.什么是硅栅自对准(Self Aligned )？ 4. N阱的作用是什么？ 5. NMOS和PMOS的源漏如何形成的？ 6.衬底电极如何向外引接？
如NEC公司用0.15mCMOS工艺生产的4GB DRAM, 芯 片中含44亿个晶体管，芯片面积985.6mm2。 英特尔公司用0.25 m工艺生产的333MHz的 奔腾Ⅱ处理 器，在一个芯片中集成了750万个晶体管。
集成电路之所以能迅速发展，完全由于巨大的经济 效益。工业发达国家竞相投资。我国在“九五” 期间投 资100个亿组建了集成电路“909”专项工程。2002年推 出首款可商业化、拥有自主知识产权、通用高性能的 CPU-龙芯1号，它采用0.18 m工艺生产，主频最高达 266MHz。 今年研制的龙芯2号通过使用SPECE CPU2000对龙芯2 号的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显 超过PII的性能，是龙芯1号的3-5倍
1.2.1 MOS IC主要工艺流程 7. P+ active注入（Pplus）（ 硅栅自对准）
N+
N-
N+
N20
P-Sub
1.1.1 工艺流程（续2） 光刻硼扩散区 硼扩散 氧化
P+ P-Sub
N+
N-
P+
N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续3） 光刻磷扩散区 磷扩散 氧化
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续4） 光刻引线孔 清洁表面
今天，在一个几百平方毫米面积的芯片上，集 成的晶体管数目已经超过10亿。
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中国半导体协会(CSIA)发布了2005年度 中国十大IC设计公司排名。
• 珠海炬力以12.575亿元人民币年销售额勇夺桂冠。它
是MP3播放器芯片的主要供货厂商
。
• 中星微电子，2005年销售额为7.678亿元人民币。它 的主要产品是“星光系列”多媒体处理芯片，中星微 电子最初提供PC用的摄像头芯片。后来瞄准了手机用 多媒体处理芯片市场，并成功地打开了欧美市场。 排名第三到第十的分别是华大、士兰、大唐、上海华虹、 杭州友旺、绍兴芯谷、北京清华同方和无锡华润。 2005年中国前十大IC设计公司的销售额已经达到51.63亿 元人民币，根据CCID的预测，2005年中国集成电路设计 业的市场规模约131亿元人民币，前十大IC设计公司的份 额已经40%。 9
北京清华同方微电子有限公司 展讯通信(上海)有限公司
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• 2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企 业是： • 中芯国际集成电路制造有限公司 • 上海华虹(集团)有限公司 • 华润微电子(控股)有限公司 • 无锡海力士意法半导体有限公司 • 和舰科技(苏州)有限公司 • 首钢日电电子有限公司 • 上海先进半导体制造有限公司 • 台积电(上海)有限公司 • 上海宏力半导体制造有限公司 • 吉林华微电子股份有限公司
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大致而言，
• 1970年有1K的产品；
• 1974年进步到4K (栅极线宽10微米)； • 1976年16K （5微米）；
• 1979年64K (3微米)；
• 1983年256K （1.5微米）； • 1986年1M （1.2微米）； • 1989年4M (0.8微米)； • 1992年16M (0.5微米)； • 1995年64M (0.3微米)； • 1998年到256M (0.2微米)， • 大约每三年进步一个世代，2001年就迈入千兆位大关。
GND
Vi T
Vo
R
VDD
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1.1.3 外延层电极的引出
欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延 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。
钝化层
E
N+
B P
C
N+
SiO2
E B
N+
C
N+
P+
光刻胶 SiO2
N–-epi
P+
P
N–-epi
P+
P-Sub
N+埋层
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• 2006年度中国集成电路设计前十大企业是： • 炬力集成电路设计有限公司 • 中国华大集成电路设计集团有限公司(包含北京 中电华大电子设计公司等) • 北京中星微电子有限公司 • 大唐微电子技术有限公司 • 深圳海思半导体有限公司 • 无锡华润矽科微电子有限公司 • 杭州士兰微电子股份有限公司 • 上海华虹集成电路有限公司 •
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1.2.1 MOS IC 主要工艺流程 1.衬底准备
P型单晶片
P+/P外延片
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1.2.1 MOS IC主要工艺流程 2. 氧化、光刻N 阱(nwell)
-
P-Sub
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1.2.1 MOS IC 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
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1.2.1 MOS IC 主要工艺流程 4. 长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反版)
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60年代发展出来的平面工艺，可以把越 来越多的金氧半组件放在一块硅芯片上，从 1960年的不到十个组件，倍数成长到1980年 的十万个，以及1990年约一千万个，这个微芯 片上集成的晶体管数目每两年翻一番的现象称 为摩尔定律 (Moore’s law)，是Intel创始人摩 尔(Gordon Moore)在1964年的一次演讲中提 出的，后来竟成了事实。
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• 2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是： • 飞思卡尔半导体(中国)有限公司 • 奇梦达科技(苏州)有限公司 • 威讯联合半导体(北京)有限公司 • 深圳赛意法半导体有限公司 • 江苏新潮科技集团有限公司 • 上海松下半导体有限公司 • 英特尔产品(上海)有限公司 • 南通富士通微电子有限公司 • 星科金朋(上海)有限公司 • 乐山无线电股份有限公司
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续5） 蒸镀金属 反刻金属
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续6） 钝化 光刻钝化窗口后工序
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.2 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
B SiO 2 + N P
C
N+
SiO2
N–-epi
P+ N+埋层
E B N+ P
C
N+
N–-epi
P+
P-Sub
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1.1.6 其它双极型集成电路工艺简介 对通隔离：减小隔离所占面积 泡发射区：减小发射区面积 磷穿透扩散：减小串联电阻 离子注入：精确控制参杂浓度和结深 介质隔离：减小漏电流
P+
B C E 光刻胶 B N SiO N 2 P
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。 PP-
N -epi
N -epi
N+
(GND) P Sub
N+
(GND) Sub
钝化层
SiO2
P P(GND) Sub
E
+ P 光刻胶
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在 内存芯片方面： 1965年，快捷公司的施密特 (J. D. Schmidt) 使 用金氧半技术做成实验性的随机存取内存。1969 年，英特尔公司推出第一个商业性产品，这是一 个使用硅栅极、p型沟道的256位随机存取内存。
•
发展过程中最重要的一步，就是1969年，IBM 的迪纳 (R. H. Dennard) 发明了只需一个晶体管 和一个电容器，就可以储存一个位的记忆单元； 由于结构简单，密度又高，现今半导体制程的发 展水平常以动态随机存取内存的容量为标志。
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1.1.4 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。 2.减小寄生pnp晶体管的影响（第二章介绍）
钝化层
E
N+
B
C
N+
SiO2
E B
N+
C
N+
P+
光刻胶 SiO2
N–-epi
P
P+
P
N–-epi
P+
P-Sub
N+埋层
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1.1.5 隔离的实现
N阱
Baidu Nhomakorabea
P-Sub
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1.2.1 MOS IC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）
P-Sub
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1.2.1 MOS IC主要工艺流程 6. 栅氧化,淀积多晶硅，多晶硅N+掺杂，反 刻多晶 （polysilicon—poly)
P-Sub
39
3
• 在1970年代，决定半导体工业发展方向的，有两个最 重要的因素，那就是微处理器 (micro processor)与半 导体内存 (semiconductor memory) 。 • 在微处理器方面： • 1968年，诺宜斯和摩尔成立了英特尔 (Intel) 公司，不 久，葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了。 • 1969年，一个日本计算器公司比吉康 (Busicom) 和英 特尔接触，希望英特尔生产一系列计算器芯片，但当 时任职于英特尔的霍夫 (Macian E. Hoff) 却设计出一 个单一可程序化芯片，
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第一章 集成电路制造工艺
集成电路（Integrated Circuit）
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。
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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
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§1-1 双极型集成电路工艺
(典型的PN结隔离工艺)
(P1~5)
+ +
P+
E B C N N P
+ +
P+
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P-Sub
N+埋层
1.1.7 习题 P14: 1.1 工艺流程及光刻掩膜版的作用 1.3（1）①② 识版图 1.5 集成度与工艺水平的关系 1.6 工作电压与材料的关系
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§1.2 MOS集成电路工艺 （N阱硅栅CMOS工艺）
(P9~11)
参考P阱硅栅CMOS工艺
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思考题
1.与分立器件工艺有什么不同？ 2.需要几块光刻掩膜版(mask)?
3.每块掩膜版的作用是什么？
4.器件之间是如何隔离的？ 5.器件的电极是如何引出的？
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1.1.1 工艺流程(三极管和一个电阻）
衬底准备（P型）氧化 光刻n+埋层区 n+埋层区注入 清洁表面
P-Sub
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1.1.1 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