集成电路版图设计与验证培训课件(PPT67张).ppt

1、集成电路版图设计与验证第三章 半导体制造工艺简介学习目的v（1）了解晶体管工作原理，特别是MOS管的工作原理v（2）了解集成电路制造工艺v（3）了解COMS工艺流程主要内容v3.1半导体基础知识v3.2 工艺流程v3.3 工艺集成3.1半导体基础知识v半导体硅原子结构：4个共价键，比较稳定，没有明显的自由电子。3.1半导体基础知识v1、半导体能带v禁带带隙介于导体和绝缘体之间v2、半导体载流子 v空穴和电子3.1半导体基础知识v3、半导体分类vN型半导体和P型半导体v掺杂半导体的特点：（1）导电性受掺杂浓度影响。被替代的硅原子数越多，材料的电阻率越低，越容易导电。（2）多子的浓度取决于杂质浓度

2、，少子的浓度取决于温度。3.1半导体基础知识v关于扩散电阻：v集成电路中经常见到的扩散电阻其实就是利用掺杂的方法改变材料的电阻率得到的。但是当掺杂的杂质浓度增高时，电阻率会随着浓度增高快速降低吗？v（与温度有关：杂质需要完全电离；掺杂半导体中载流子的迁移率会随杂质浓度增加而显著下降） 3.1半导体基础知识v4、 PN结v单向导电性：整流、开关、稳压二极管。v、5 MOS场效应管v（1）MOS管结构vNMOS、PMOS和CMOSvMOS管是左右对称的，漏和源可以互换，只是外加电压不同。3.1半导体基础知识v漏区和源区称为有源区，是由掺杂形成的。v栅：铝栅和硅栅（性能更好）vMOS晶体管尺寸定义：

3、宽和长v（2）MOS管工作原理v反型层、沟道、饱和。v饱和之后，沟道形成楔型，电流不再增加。（漏端电压增加，但沟道的电阻率也在增加）3.1半导体基础知识v（3）MOS管应用v栅压越大，电子沟道越厚，沟道电阻率越低，电流越大。因此MOS晶体管是电压控制电流的器件。v数字电路：开关作用，栅压为VDD或GNDv模拟电路：栅压介于VDD和GND之间，调整电流大小，进行信号放大作用。主要内容v3.1半导体基础知识v3.2 工艺流程v3.3 工艺集成3.2 工艺流程v1 制造工艺简介v2 材料的作用v3 工艺流程v4 常用工艺之一：外延生长v5 常用工艺之二：光刻v6 常用工艺之三：刻蚀v7 常用工艺之四

4、：掺杂v8 常用工艺之五：薄膜制备3.2 工艺流程v材料制备1 制造工艺简介v（a）n型硅晶片原材料（b）氧化后的晶片1 制造工艺简介v（c）涂敷光刻胶（d）光刻胶通过掩膜版曝光1 制造工艺简介v（a）显影后的晶片（b）SiO2去除后的晶片v氧化工艺1 制造工艺简介v（c）光刻工艺处理后的晶片v（d）扩散或离子注入形成PN结v光刻和刻蚀工艺；扩散和离子注入工艺1 制造工艺简介v（e）光刻工艺处理后的晶片（金属化工艺）v（f）完整工艺处理后的晶片（光刻工艺）1 制造工艺简介v工艺总结一：集成电路的制造是平面工艺，需要多层加工 v工艺总结二：芯片是由底层P-Sub到最上层的不同图形层次叠加而成。2

5、 材料的作用v表2.1 集成电路中所需要的材料v导体：低值电阻，电容极板，器件边线，接触，焊盘v半导体：衬底v绝缘体：电容介质，栅氧化层，横向隔离，层间隔离，钝化层3 工艺流程v集成电路的制造工艺是由多种单道工艺组合而成的，单道工艺通常归为以下三类：v（1）薄膜制备工艺：包括外延生长、氧化工艺、薄膜淀积工艺，如制造金属、绝缘层等。v（2）图形转移工艺：包括光刻工艺和刻蚀工艺。v（3）掺杂工艺：包括扩散工艺和离子注入工艺。3 工艺流程v以上工艺重复、组合使用，就形成集成电路的完整制造工艺。v光刻掩模版（mask）：版图完成后要交付给代工厂，将版图图形转移到晶圆上，就需要经过一个重要的中间环节制版

6、，即制造一套分层的光刻掩膜版。3 工艺流程v制版光刻掩膜版就是讲电路版图的各个层分别转移到一种涂有感光材料的优质玻璃上，为将来再转移到晶圆做准备，这就是制版。v每层版图都有相对应的掩膜版，并对应于不同的工艺。4 常用工艺之一：外延生长v半导体器件通常不是直接做在衬底上的，而是先在沉底上生长一层外延层，然后将器件做在外延层上。外延层可以与沉底同一种材料，也可以不同。v在双极型集成电路中：可以解决原件间的隔离；减小集电极串联电阻。v在CMOS集成电路中：可以有效避免闩锁效应。5 常用工艺之二：光刻v目的：按照集成电路的设计要求，在SiO2或金属层上面刻蚀出与光刻掩膜版完全相对应的几何图形，以实现选

7、择性扩散或金属布线的目的。5 常用工艺之二：光刻v主要步骤v（1）在晶圆上涂一层光刻胶，并将掩膜版放在其上。v（2）曝光。正胶感光部分易溶解，负胶则相反。v（3）显影、刻蚀。v（4）去除光刻胶尘埃粒子影响：洁净室接触式和接近式曝光掩膜图形转移图形转移5 常用工艺之二：光刻v集成电路中每一层的制备都需要涂一层光刻胶，都需要一层掩膜版，也需要曝光、显影以及刻蚀。v一个芯片制造可能需要20或30个这样的材料层。v多晶硅的刻蚀：预刻蚀、主刻蚀、过刻蚀6 常用工艺之三：刻蚀v光刻：将图形转移到覆盖在半导体硅片表面的光刻胶v刻蚀：将图形转移到光刻胶下面组成器件的各层薄膜上v湿法刻蚀：掩膜层下有横向钻蚀v干

8、法刻蚀：等离子体辅助刻蚀，是利用低压放电等离子体技术的刻蚀方法6 常用工艺之三：刻蚀6 常用工艺之三：刻蚀6 常用工艺之三：刻蚀v各向异性腐蚀 （湿法刻蚀）v各向同性腐蚀：例如在铝线的刻蚀过程中，加入含碳的气体，以形成侧壁钝化，这样可以获得各向异性刻蚀效果6 常用工艺之三：刻蚀7 常用工艺之四：掺杂v作用：形成PN结，形成电阻，形成欧姆接触，形成双极晶体管的基区、发射区、集电区或MOS管的源和漏。v主要的掺杂工艺：扩散和离子注入v扩散：根据扩散的原理，使杂质从高浓度处向低浓度处扩散。两个要素：高温和浓度梯度。7 常用工艺之四：掺杂v离子注入：与扩散比，离子注入技术具有加工温度低、大面积注入杂质

9、仍能保证均匀、掺杂种类广泛等优点。v原理：用一台离子加速器加速杂质粒子向前运动，轰击硅晶圆表面，最后杂质粒子能量损失后，渗入到晶圆内部停留下来形成。v漏源自对准：离子注入可以使用光刻好的薄膜材料作为掩膜来形成对准方法。扩散和离子注入的对比离子注入注入损伤v注入损伤：带有能量的离子进入半导体衬底，经过碰撞和损失能量，最后停留下来。v电子碰撞：电子激发或新的电子空穴对产生v原子核碰撞：使原子碰撞，离开晶格，形成损伤，也称晶格无序晶格无序退火v由于离子注入所造成的损伤区及无序团，使迁移率和寿命等半导体参数受到严重影响。v大部分的离子并不位于替位位置v为了激活注入的离子，并回复迁移率和其他材料的参数，

10、必须在适当的时间与温度下将半导体退火。8 常用工艺之五：薄膜制备v目的：通过物理或化学方式在硅晶圆上淀积材料层，来满足集成电路设计的需要，如金属、多晶硅及磷化玻璃等。v常用方法：氧化、物理气相淀积和化学气相淀积8 常用工艺之五：薄膜制备v四种薄膜：氧化膜；电介质膜；多晶硅膜；金属膜8 常用工艺之五：薄膜制备v（1）氧化vSiO2的作用v屏蔽杂质、栅氧化层、介质隔离、器件保护和表面钝化vSiO2的制备v需要高纯度，目前最常用的方法是热氧化法。主要分为干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化三种。v氮化硅的制备v主要用作：金属上下层的绝缘层、场氧的屏蔽层、芯片表面的钝化层。8 常用工艺之五：薄膜制备v生产Si

11、O28 常用工艺之五：薄膜制备v氧化质量物理气相淀积v（2）物理气相淀积v利用某种物理过程，例如蒸发或溅射，来实现物质的转移，即把材料的原子由源转移到衬底表面，从而实现淀积形成薄膜。v金属的淀积通常是物理的。v两种方法：真空蒸发；溅射物理气相淀积物理气相淀积v标准（离子束）溅射：离子束被加速，撞击靶材表面v长程溅射：用于控制角度分布v校直溅射：用于填充高宽比较大的接触孔，防止空洞底部还没有完全填充，其上部开口就被封闭起来。化学气相淀积v（3）化学气相淀积v化学汽相淀积是指通过气态物质的化学反应，在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。CVD膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态，淀积单晶硅薄膜的CVD过程通

12、常被称为外延。化学气相淀积vCVD技术具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、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。利用CVD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sio2 、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。v作用：外延层，二氧化硅膜，多晶硅膜，氮化硅膜化学气相淀积vCVD生长的二氧化硅：用作金属间的绝缘层，用于离子注入和扩散的掩蔽层，也可用于增加热氧化生长的场氧化层的厚度v热生长的二氧化硅：具有最佳的电学特性。可用于金属层之间的绝缘体，又可用作器件上面的钝化层主要内容v3.1半导体基础知识v3.2 工艺流程v3.3 工艺集成3

13、.3 工艺集成v1 制作流程v2 无源器件v3 双极集成电路制造流程vCMOS工艺1 制作流程1 制作流程2 无源器件v1、电阻v（1）淀积：淀积电阻层，然后光刻刻蚀v（2）扩散或离子注入：在硅衬底上热生长的氧化层上开出一个窗口，注入或扩散与衬底类型相反的杂质。电阻电阻v电阻值计算，xj为结深v当W=L时，G=gv1/g用R表示，称为方块电阻，单位为欧姆，习惯上用/ 表示。2 无源器件v2、电容v基本上分为两种：MOS电容和P-N结电容v（1）MOS电容：重掺杂区域作为极板，氧化物作为介质v单位面积的电容为v（2）P-N结电容：N+P结电容，通常加反向偏置电压电容2 无源器件v3、电感：薄膜螺

14、旋电感v过程：硅衬底热生长或淀积一层厚氧化物；淀积一层金属，形成电感的一个端子；再淀积一层介质，通过光刻和刻蚀确定出一个过孔；淀积第二层金属，同时过孔被填充；在第二层金属上光刻并刻蚀出螺旋图形作为电感的第二个端子。电感3 双极集成电路制造流程v双极集成电路最主要的应用领域是模拟和超高速集成电路。v每个晶体管之间必须在电学上相互隔离开，以防止器件之间的相互影响。v下图为采用场氧化层隔离技术制造的NPN晶体管的截面图，制作这种结构晶体管的简要工艺流程如下所示：1、最孤独的时光，会塑造最坚强的自己。2、把脸一直向着阳光，这样就不会见到阴影。3、永远不要埋怨你已经发生的事情，要么就改变它，要么就安静的

15、接受它。4、不论你在什么时候开始，重要的是开始之后就不要停止。5、通往光明的道路是平坦的，为了成功，为了奋斗的渴望，我们不得不努力。6、付出了不一定有回报，但不付出永远没有回报。7、成功就是你被击落到失望的深渊之后反弹得有多高。8、为了照亮夜空，星星才站在天空的高处。9、我们的人生必须励志，不励志就仿佛没有灵魂。10、拼尽全力，逼自己优秀一把，青春已所剩不多。11、一个人如果不能从内心去原谅别人，那他就永远不会心安理得。12、每个人心里都有一段伤痕，时间才是最好的疗剂。13、如果我不坚强，那就等着别人来嘲笑。14、早晨给自己一个微笑，种下一天旳阳光。15、没有爱不会死，不过有了爱会活过来。16

16、、失败的定义：什么都要做，什么都在做，却从未做完过，也未做好过。17、当我微笑着说我很好的时候，你应该对我说，安好就好。18、人不仅要做好事，更要以准确的方式做好事。19、我们并不需要用太华丽的语言来包裹自己，因为我们要做最真实的自己。20、一个人除非自己有信心，否则无法带给别人信心。21、为别人鼓掌的人也是在给自己的生命加油。22、失去金钱的人损失甚少，失去健康的人损失极多，失去勇气的人损失一切。23、相信就是强大，怀疑只会抑制能力，而信仰就是力量。24、那些尝试去做某事却失败的人，比那些什么也不尝试做却成功的人不知要好上多少。25、自己打败自己是最可悲的失败，自己战胜自己是最可贵的胜利。2

17、6、没有热忱，世间便无进步。27、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由重新开始。28、青春如此华美，却在烟火在散场。29、生命的道路上永远没有捷径可言，只有脚踏实地走下去。30、只要还有明天，今天就永远是起跑线。31、认真可以把事情做对，而用心却可以做到完美。32、如果上帝没有帮助你那他一定相信你可以。33、只要有信心，人永远不会挫败。34、珍惜今天的美好就是为了让明天的回忆更美好。35、只要你在路上，就不要放弃前进的勇气，走走停停的生活会一直继续。36、大起大落谁都有拍拍灰尘继续走。37、孤独并不可怕，每个人都是孤独的，可怕的是害怕孤独。38、宁可失败在你喜欢的事情上，也不要成功

18、在你所憎恶的事情上。39、我很平凡，但骨子里的我却很勇敢。40、眼中闪烁的泪光，也将化作永不妥协的坚强。41、我不去想是否能够成功，既然选了远方，便只顾风雨兼程。42、宁可自己去原谅别人，莫等别人来原谅自己。43、踩着垃圾到达的高度和踩着金子到达的高度是一样的。44、每天告诉自己一次：我真的很不错。45、人生最大的挑战没过于战胜自己！46、愚痴的人，一直想要别人了解他。有智慧的人，却努力的了解自己。47、现实的压力压的我们喘不过气也压的我们走向成功。48、心若有阳光，你便会看见这个世界有那么多美好值得期待和向往。49、相信自己，你能作茧自缚，就能破茧成蝶。50、不能强迫别人来爱自己，只能努力让

19、自己成为值得爱的人。51、不要拿过去的记忆，来折磨现在的自己。52、汗水是成功的润滑剂。53、人必须有自信，这是成功的秘密。54、成功的秘密在于始终如一地忠于目标。55、只有一条路不能选择那就是放弃。56、最后的措手不及是因为当初游刃有余的自己57、现实很近又很冷，梦想很远却很温暖。58、没有人能替你承受痛苦，也没有人能抢走你的坚强。59、不要拿我跟任何人比，我不是谁的影子，更不是谁的替代品，我不知道年少轻狂，我只懂得胜者为。60、如果你看到面前的阴影，别怕，那是因为你的背后有阳光。61、宁可笑着流泪，绝不哭着后悔。62、觉得自己做得到和做不到，只在一念之间。63、跌倒，撞墙，一败涂地，都不用

20、害怕，年轻叫你勇敢。64、做最好的今天，回顾最好的昨天，迎接最美好的明天。65、每件事情都必须有一个期限，否则，大多数人都会有多少时间就花掉多少时间。66、当你被压力压得透不过气来的时候，记住，碳正是因为压力而变成闪耀的钻石。67、现实会告诉你，不努力就会被生活给踩死。无需找什么借口，一无所有，就是拼的理由。68、人生道路，绝大多数人，绝大多数时候，人都只能靠自己。69、不是某人使你烦恼，而是你拿某人的言行来烦恼自己。70、当一个人真正觉悟的一刻，他放弃追寻外在世界的财富，而开始追寻他內心世界的真正财富。71、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由重新开始。72、人生应该树立目标，否

21、则你的精力会白白浪费。73、山涧的泉水经过一路曲折，才唱出一支美妙的歌。74、时间告诉我，无理取闹的年龄过了，该懂事了。75、命运是不存在的，它不过是失败者拿来逃避现实的借口。76、人总是在失去了才知道珍惜！77、要铭记在心：每天都是一年中最美好的日子。78、生活远没有咖啡那么苦涩，关键是喝它的人怎么品味！每个人都喜欢和向往随心所欲的生活，殊不知随心所欲根本不是生活。79、别拿自己的无知说成是别人的愚昧！80、天空的高度是鸟儿飞出来的，水无论有多深是鱼儿游出来的。81、思想如钻子，必须集中在一点钻下去才有力量。82、如果我坚持什么，就是用大炮也不能打倒我。83、我们要以今天为坐标，畅想未来几年

22、后的自己。84、日出时，努力使每一天都开心而有意义，不为别人，为自己。85、有梦就去追，没死就别停。86、今天不为学习买单，未来就为贫穷买单。87、因为一无所有这才是拼下去的理由。88、只要我还有梦，就会看到彩虹!89、你既认准这条路，又何必在意要走多久。90、尽管社会是这样的现实和残酷，但我们还是必须往下走。91、能把在面前行走的机会抓住的人，十有八九都会成功。92、你能够先知先觉地领导产业，后知后觉地苦苦追赶，或不知不觉地被淘汰。93、强烈的信仰会赢取坚强的人，然后又使他们更坚强。94、人生，不可能一帆风顺，有得就有失，有爱就有恨，有快乐就会有苦恼，有生就有死，生活就是这样。95、好习惯的养成，在于不受坏习惯的诱惑。96、凡过于把幸运之事归功于自我的聪明和智谋的人多半是结局很不幸的。97、如果我们一直告诫自己要开心过每一天，就是说我们并不开心。98、天气影响身体，身体决定思想，思想左右心情。99、不论你在什么时候结束，重要的是结束之后就不要悔恨。100、只要还有明天，今天就永远是起跑线。