CMOS集成电路工艺基础
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
举个例子：
Cu：30C 100C 增加不到一半（正温度系数）
Si：30C 20C 增加一倍 （负温度系数）
3．半导体材料的主要特性
A）半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著
变化
一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂质不会 影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下： ＝21400Ω·cm
滑道 炉膛
3.2、掺杂工艺 在衬底材料上掺入五价磷或三价硼，以改变半 导体材料的电性能。形成N或P型半导体. 掺杂过程是由硅的表面向体内作用的。
目前，有两种掺杂方式：扩散和离子注入。
G
D
D
S
G
P-si S
1. 扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的
杂质如P或B的源放入炉管内。
扩散分为两步：
离子注入的分布有以下两个特点： 1．离子注入的分布曲线形状（Rp，бp），只
与离子的初始能量E0有关。并杂质浓度最大 的地方不是在硅的表面，X＝0处，而是在X ＝Rp处。
2．离子注入最大值Nmax与注入剂量NT有关。 而E0与NT都是可以控制的参数。 因此，离子注入方法可以精确地控制掺杂区 域的浓度及深度。
3.3．淀积和刻蚀工艺
淀积工艺主要用于在硅片表面上淀积一层材料， 如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃PSG(隔离互连层)等。
3.3.1、金属化工艺 淀积铝也称为金属化工艺，它是在真空设备中进行的。在 硅片的表面形成一层铝膜。
AL 离子束
w afer
3.3.2、淀积多晶硅
淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（LPCVD）的方 法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。
如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999 ％。则其电阻率变为：＝0.2Ω·cm。
因此，可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电 能力。
B）当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力发生显 著变化。 利用此特性可以制作热敏器件。同时也要求半导体电路中必 须要有温度补偿措施。
C）半导体的导电能力随光照而发生显著变化， 利用此特性可以制作光敏器件。
5．绝缘材料的作用 在集成电路系统中，主要的绝缘材料有：
SiO2、SiON、SiN4 主要功能：
1）器件之间、有源层、导线层之间的绝 缘层。 2）离子注入和热扩散时的隔离层 3）生成器件表面的钝化层，保护器件不受外
界的影响。
6．金属材料的作用 主要功能：
1）器件本身的接触线 2）器件间的互连线 3）形成焊盘（PAD），封装接口 目前最常用的是AL 在高性能的芯片生产工艺采用Cu 随着工艺的发展，线宽越来越细，采用低电
本征半导体中载流子的浓度在室温下： T＝300K
npn i1.6*110 (0 1/c3 m )
2.3、P型和N型半导体
两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。 当硅中掺入Ⅴ族元素P时，硅中多数载流子为电子，
这种半导体称为N型半导体。
n1202(1/cm )
当硅中掺入Ⅲ族元素B时，硅中多数载流子为空穴， 这种半导体称为P型半导体。
D：P的扩散系数 t ：扩散时间 x：扩散深度
只要控制NT 、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度。
2．离子注入
N (x)
[(x R p)2
2
2]
p
Ne max
硼原子数 Nmax
0<X<
σp σp
0
RpBiblioteka 深度 X其中：Rp：平均浓度 p：穿透深度的标准差
Nmax=0.4NT/ p
NT：单位面积注入的离子数，即离子注入剂量
适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够 长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。
采用 SiH4 在700°C的高温下，使其分解： Si4 H ~ 7 0 0C 0 S i2H 2
淀积PGS与淀积多晶硅相似，只是用不同的化学反 应过程，这里不一一介绍了。
D）半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用 而发生变化
4．半导体材料介绍
A） Si 化学周期表四族元素。 材料来源丰富，价格便宜 基于Si半导体的工艺技术已经相当成熟
B） 砷化钾 GaAs 是III/IV族化合物 材料比较贵，比Si片贵十几倍 工艺制造比较成熟 GaAs的集成电路具有更好的性能
C） 磷化铟 也是III/IV族化合物 主要应用于光纤系统中 制作发光器件和OEIC 工艺制造技术不时非常成熟
STEP1 预淀积：将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅片 表面。
STEP2 推进：在高温、高压下，使硅片表面的杂质扩散到硅 片内部。
实验分析表明：P的浓度分布可由下式表示：
P(x)
NT e 1
x2
4Dt
2(Dt) 2
其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度
N T3110 5 (1cm )
第一章 CMOS集成电路工 艺基础
本章主要内容
N型半导体：N- N N+ 1、半导体材料：
P型半导体：P- P P+
2、CMOS集成电 路工艺
氧化工艺 搀杂工艺 淀积工艺 钝化工艺 光刻和腐蚀工艺
3、CMOS集成电 路工艺流程
第一节 集成电路材料
1、材料分类：
从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下： 金属： ρ<10 Ω·cm 半导体：ρ=10 Ω·cm~10E4 Ω·cm 绝缘体：ρ>10E4 Ω·cm
阻率的金属和合金成为发展方向。
金属布线层次越来越多，最多可达7~8层
第二节 半导体基础知识
2.1 半导体的晶体结构 在硅或者锗晶体中,原子按一定规律排列。 硅和锗的都是四价元素，原子的最外层轨道 上有四个电子。 这四个电子形成四个共价键
2.2 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体。
p1022(1/cm)
第三节 集成电路制造基本工艺
3.1、氧化工艺
*把裸露的硅片放高温氧气氛中,就会生成SiO2 *氧化层可以分为栅氧和场氧 *栅氧: 它的厚度一般在几百A左右,对器件的性能影响大 *场氧: 它的厚度一般在几千A左右,绝缘和隔离的作用.
氧化炉
石英舟
滑道 炉膛
改进的氧化炉
石英舟
分类
材料
电导率
导体
铝、金、钨、铜
105S.cm-1
半导体 硅、锗、砷化镓、磷化铟 10-9~102S.cm-1
绝缘体 SiO2、SiON、SiN4
10-22~10-14S.cm-1
2．材料的温度特性
一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不 明显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化 非常明显。
Cu：30C 100C 增加不到一半（正温度系数）
Si：30C 20C 增加一倍 （负温度系数）
3．半导体材料的主要特性
A）半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著
变化
一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂质不会 影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下： ＝21400Ω·cm
滑道 炉膛
3.2、掺杂工艺 在衬底材料上掺入五价磷或三价硼，以改变半 导体材料的电性能。形成N或P型半导体. 掺杂过程是由硅的表面向体内作用的。
目前，有两种掺杂方式：扩散和离子注入。
G
D
D
S
G
P-si S
1. 扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的
杂质如P或B的源放入炉管内。
扩散分为两步：
离子注入的分布有以下两个特点： 1．离子注入的分布曲线形状（Rp，бp），只
与离子的初始能量E0有关。并杂质浓度最大 的地方不是在硅的表面，X＝0处，而是在X ＝Rp处。
2．离子注入最大值Nmax与注入剂量NT有关。 而E0与NT都是可以控制的参数。 因此，离子注入方法可以精确地控制掺杂区 域的浓度及深度。
3.3．淀积和刻蚀工艺
淀积工艺主要用于在硅片表面上淀积一层材料， 如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃PSG(隔离互连层)等。
3.3.1、金属化工艺 淀积铝也称为金属化工艺，它是在真空设备中进行的。在 硅片的表面形成一层铝膜。
AL 离子束
w afer
3.3.2、淀积多晶硅
淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（LPCVD）的方 法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。
如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999 ％。则其电阻率变为：＝0.2Ω·cm。
因此，可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电 能力。
B）当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力发生显 著变化。 利用此特性可以制作热敏器件。同时也要求半导体电路中必 须要有温度补偿措施。
C）半导体的导电能力随光照而发生显著变化， 利用此特性可以制作光敏器件。
5．绝缘材料的作用 在集成电路系统中，主要的绝缘材料有：
SiO2、SiON、SiN4 主要功能：
1）器件之间、有源层、导线层之间的绝 缘层。 2）离子注入和热扩散时的隔离层 3）生成器件表面的钝化层，保护器件不受外
界的影响。
6．金属材料的作用 主要功能：
1）器件本身的接触线 2）器件间的互连线 3）形成焊盘（PAD），封装接口 目前最常用的是AL 在高性能的芯片生产工艺采用Cu 随着工艺的发展，线宽越来越细，采用低电
本征半导体中载流子的浓度在室温下： T＝300K
npn i1.6*110 (0 1/c3 m )
2.3、P型和N型半导体
两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。 当硅中掺入Ⅴ族元素P时，硅中多数载流子为电子，
这种半导体称为N型半导体。
n1202(1/cm )
当硅中掺入Ⅲ族元素B时，硅中多数载流子为空穴， 这种半导体称为P型半导体。
D：P的扩散系数 t ：扩散时间 x：扩散深度
只要控制NT 、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度。
2．离子注入
N (x)
[(x R p)2
2
2]
p
Ne max
硼原子数 Nmax
0<X<
σp σp
0
RpBiblioteka 深度 X其中：Rp：平均浓度 p：穿透深度的标准差
Nmax=0.4NT/ p
NT：单位面积注入的离子数，即离子注入剂量
适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够 长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。
采用 SiH4 在700°C的高温下，使其分解： Si4 H ~ 7 0 0C 0 S i2H 2
淀积PGS与淀积多晶硅相似，只是用不同的化学反 应过程，这里不一一介绍了。
D）半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用 而发生变化
4．半导体材料介绍
A） Si 化学周期表四族元素。 材料来源丰富，价格便宜 基于Si半导体的工艺技术已经相当成熟
B） 砷化钾 GaAs 是III/IV族化合物 材料比较贵，比Si片贵十几倍 工艺制造比较成熟 GaAs的集成电路具有更好的性能
C） 磷化铟 也是III/IV族化合物 主要应用于光纤系统中 制作发光器件和OEIC 工艺制造技术不时非常成熟
STEP1 预淀积：将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅片 表面。
STEP2 推进：在高温、高压下，使硅片表面的杂质扩散到硅 片内部。
实验分析表明：P的浓度分布可由下式表示：
P(x)
NT e 1
x2
4Dt
2(Dt) 2
其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度
N T3110 5 (1cm )
第一章 CMOS集成电路工 艺基础
本章主要内容
N型半导体：N- N N+ 1、半导体材料：
P型半导体：P- P P+
2、CMOS集成电 路工艺
氧化工艺 搀杂工艺 淀积工艺 钝化工艺 光刻和腐蚀工艺
3、CMOS集成电 路工艺流程
第一节 集成电路材料
1、材料分类：
从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下： 金属： ρ<10 Ω·cm 半导体：ρ=10 Ω·cm~10E4 Ω·cm 绝缘体：ρ>10E4 Ω·cm
阻率的金属和合金成为发展方向。
金属布线层次越来越多，最多可达7~8层
第二节 半导体基础知识
2.1 半导体的晶体结构 在硅或者锗晶体中,原子按一定规律排列。 硅和锗的都是四价元素，原子的最外层轨道 上有四个电子。 这四个电子形成四个共价键
2.2 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体。
p1022(1/cm)
第三节 集成电路制造基本工艺
3.1、氧化工艺
*把裸露的硅片放高温氧气氛中,就会生成SiO2 *氧化层可以分为栅氧和场氧 *栅氧: 它的厚度一般在几百A左右,对器件的性能影响大 *场氧: 它的厚度一般在几千A左右,绝缘和隔离的作用.
氧化炉
石英舟
滑道 炉膛
改进的氧化炉
石英舟
分类
材料
电导率
导体
铝、金、钨、铜
105S.cm-1
半导体 硅、锗、砷化镓、磷化铟 10-9~102S.cm-1
绝缘体 SiO2、SiON、SiN4
10-22~10-14S.cm-1
2．材料的温度特性
一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不 明显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化 非常明显。