集成电路制造原理

二极管 NPN晶体管 NMOS PNP晶体管
点沙沙沙 沙成成成 成金金金 金 点点点
2. 基本工艺原理
---集 成电电电 电路路路 路创创创 创造造造 造奇奇奇 奇迹迹迹 迹 集集集成成成
离子注入(掺杂)原理
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� 单个的晶体管至今仍在发挥不可缺少的作用。 � 将多个晶体管和一些电阻电容等元件集中制造在
同一个硅圆片上，使之能完成复杂的电子功能， 英寸硅片上已可 这就是集成电路芯片。如今在 8 8英寸硅片上已可 容纳数百个集成了数亿个元件的芯片，集成电路 发展成为现代高科技产业的基础，被广泛应用于 各行各业。
集成电路制造概要(3) ----布线联结
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其后用CVD方法生长多种SiO2膜，并用化学机械抛光方法使表面平坦化 接着采用溅射方法生长一层铝铜薄膜，光刻并刻蚀出原器件之间的连接线 可在制作栅电极的同时制作出多晶硅电阻；或者用另一层多晶硅制作出电容 为了实现原器件间的连接，先用光刻并刻蚀出接触孔，并用金属钨填充这些孔
杂质
硅片
注入的杂质分布在一定的深度内，或改变硅的导电性，或形成晶体管的 离子注入前，一般要在硅片表面生成 硼、磷、砷等被离化的离子在加速器作用下，以选定的能量和剂量被注入硅体内 300埃左右的热氧化保护薄膜。 PN结 . 通过特定的方法，用某种薄膜屏蔽住不需要掺杂的区域，阻挡离子注入
光刻技术原理
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薄膜生长技术(1)---- 热氧化
O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2
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Si
O2
O2
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3. 集成电路制造概要
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集成电路制造概要(1) ----阱与隔离氧化
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薄膜生长技术(2)---- 化学气相淀积
SiH4 NH3 SiH4 SiH4 SiH4 Si3N4 N2 NH3 Si3N4 N2 NH3 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4 SiH4 SiH4 N2 Si3N4 NH3 Si3N4 NH3 N2 Si3N4 SiH4 Si3N SiH4 NH3 NH3 SiH4 NH3 NH3 SiH4 SiH4 NH3 SiH4
NH3 N2 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4
NH3 N2 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4 NH3 N2 Si3N4 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4 NH3 N2 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4
SiH4 SiH4 N2 Si3N4 NH3 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4 N2 NH3
Si3N 4
Si3N 4 Si3N 4 Si3N 4
Si3N4
Si3N4 Si3N4 Si3N4
Si3N4
Si3N4 Si3N4 Si3N4
Si3N4
Si3N 4 N2 NH3 Si3N Si3N4 SiH4 Si3N SiH4 4 4
Si3N4 Si3N4
Si3N4 Si3N4
Si3N4 Si3N4
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NH3
NH3 N2 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4
SiH4 SiH4 Si3N4 N2 NH3 Si3N4 NH3 N2 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4 SiH4 SiH4 Si3N4 N2 NH3 Si3N4
集成电路制造概要(2) ----晶体管制作
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栅 栅 源 漏 源 漏 nm)的热SiO2 同样，用光刻胶将N阱屏蔽，注入大剂量的磷，形成 阱形成后，在扩散区上生长约 多晶硅被掺杂成为强 通过光刻用光刻胶将 型，并通过光刻和刻蚀制作出晶体管的控制极 和约 型晶体管的两个电极 N阱屏蔽，注入大剂量的硼，形成 P 100埃(10 (10nm) N P型晶体管的源和漏电极 2000埃的多晶硅 ----栅电极
� 集成电路的载体
/Wafer 直径 8英寸 (200 mm) 厚约 0. 72 mm 硅圆片 硅圆片/ 直径8 英寸(200 (200mm) 厚约0. 0.72 72mm
发展简史
� 1946年 晶体管发明 � 1956年 集成电路诞生 � 1961年 易于集成和制造的MOS晶体管面市
PMOS
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I
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P
N
V
集成电路 集成电路 — —晶体管的大集合 晶体管的大集合
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集成电路制造原理
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1. 硅与晶体管
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硅 硅与 与 半导体 半导体
集成电路制造概要(4) ----多层布线
Si3N4 Si3N4 N2 NH3
4 Si3N 4 Si3N 4
Si3N4
பைடு நூலகம்
Si3N 4 Si3N 4 Si3N 4
Si3N 4 Si3N4 Si3N Si3N4 4 Si3N 4
Si3N SiH4 SiH4 4 Si3N4
Si3N 4 Si3N Si3N Si3N 4 4 4 Si3N 4 Si3N 4
隔离SiO2 N阱 P阱
P型硅片
，接着LPCVD生长一层氮化硅 通过光刻屏蔽，对选定区域分别注入磷和硼，将衬底改造成需要的 首先在硅片上热氧化生长一层二氧化硅 首先在硅片上热氧化生长一层二氧化硅，接着 N型或P型 用光刻和刻蚀将部分氮化硅和二氧化硅去除，热氧化生长一层厚的隔离氧化层 氮化硅是抗氧化的。用热磷酸将氮化硅除去，露出制作晶体管的扩散区
� 纯净的晶体硅：不导电
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� 加入十亿分之一至万分之一杂质的硅可具有不同的导电能力 � 可使硅具有导电能力的杂质：
、砷(As) 提供负电荷 (电子 )导电 ---N型半导体 磷(P) P)、 As)提供负电荷 提供负电荷( 电子) 导电-------N 硼(B) 提供正电荷 (空穴 )导电 ---P型半导体 B)提供正电荷 提供正电荷( 空穴) 导电-------P
刻蚀技术原理
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光刻胶
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硅片
在高真空的反应腔室内导入氟化物气体 (SF6, CF4等)和一些惰性气体(氦、氩等) 物理和化学的共同作用，将不需要的衬底材料刻蚀除去，留下需要的电极图案 在 离子在高电场作用下，以很高的能量碰撞衬地，将衬底材料逐步刻蚀除去 同时部分离子和中性自由基与衬底材料发生化学反应，对材料进行刻蚀 射频电场作用下，气体被离化，产生大量的离子、中性自由基和电子
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
硅片
(SiO2) 。 热氧化法生成的 在 氧气分子扩散到达硅片表面，与硅原子发生化学反应，生成二氧化硅 生成 氧气分子扩散到达硅片表面，与硅原子发生化学反应，生成二氧化硅( ℃高温下， 在系统中通入纯净的氧气可在硅片表面生成二氧化硅薄膜 800~1100 SiO2时需要消耗硅，因此氧化层是从硅片表面向硅片内外两个方向生长的 SiO2薄膜结构致密，绝缘性好，用于晶体管的电极和隔离介质
Si Si P B Si Si Si Si P Si Si Si Si B Si Si B Si P Si Si Si Si Si B Si P B Si P Si Si Si Si Si B Si Si P Si
PN PN 结 — 晶体管的基础
N型半导体紧密接触时，产生出一种独特的电学现象 � P型半导体和 型半导体和N 单向导电 (电子开关 )： -------单向导电 单向导电( 电子开关) N型一侧时，阻抗很小，电流可顺利流通并 P型一侧电压高于 型一侧电压高于N 容易被控制。 P型一侧电压低于 N型一侧时，阻抗很大，电流几乎不能流通。 型一侧电压低于N PN 结的特性，人们发明了各种晶体管。 � 利用这种称之为 利用这种称之为PN PN结的特性，人们发明了各种晶体管。
Si3N 4
Si3N 4 Si3N 4 Si3N 4
Si3N4
Si3N4 Si3N 4 Si3N 4 Si3N 4 Si3N 4 Si3N 4 Si3N 4
Si3N Si3N4 4 Si3N Si3N Si3N4 4 4 Si3N 4 Si3N 4
Si3N4
硅片
等离子CVD生长温度低，薄膜致密，但系统复杂；常压 CVD生长快，但膜质疏松 -3乇低压下，将硅烷和氨气导入低压 10 (CVD)有常压、低压和等离子增强等方法，温度在 以低压生长氮化硅为例。 可见 以低压生长氮化硅为例。10 薄膜是从硅片表面向外生长的。低压 化学气相淀积 化学气相淀积( ℃之间。 CVD CVD膜致密，但生长缓慢 CVD系统中 700 氮化硅成核形成微粒，逐渐生长形成氮化硅薄膜。 ℃ 高温下，硅烷和氨气之间发生化学反应，生成氮化硅，吸附在硅片表面 400~700 被广泛用于绝缘膜 CVD (SiO 2、Si3N4)、多晶硅膜和钨等金属薄膜的生长
O2 O2 O2 O2 O2 O2
O2 SiO2 SiO2 O 2 Si Si
O2
O2 SiO2 O2 Si
Si Si
O2 SiO2 Si
SiO2 Si Si Si
O2
Si
O2 SiO2 O2 Si
O 2 SiO2
Si Si Si
Si
O2 SiO2 O 2 Si
Si Si
O2 2 O2 SiO2 O SiO2 SiO2 O 2 Si Si Si
薄膜生长技术(3)---- 溅射
金属靶材
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硅片
在硅片的上方，置有待制备的金属靶材 在 10-8乇超高真空中，导入极少量的惰性气体氩气，并用高电场将氩电离成离子 (例如铝、钛等)。靶材被作为电场阴极 被撞击出的金属粒子溅落在硅片表面，逐渐淀积加厚形成金属薄膜 集成电路中通常使用铝等金属作为元器件的联线。金属薄膜的制备采用溅射法 氩离子被高电场加速，以极大的能量轰击金属靶，将金属粒子从靶材中撞击出
光刻胶
硅片
将含有数亿个电极图案的光刻版精确地定位在硅片上方。电极图案处是不透光的 . 激光照射过的胶被显影除去，光刻版上的电极图案成功地被转移到了硅片上 由于某种需要，一些绝缘薄膜或金属薄膜被均匀地生成在硅片上 为了将具有特定几何形状的电极图案复制到硅片上，首先要涂布一层光刻胶 在能量受到精确控制的紫外光照射下，被光照部分的光刻胶发生光化学反应 光化学反应充分后，硅片被送去显影