微电子与集成电路设计2讲解
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23
光刻类似于照相。
3个主要步骤：曝光、显影、刻蚀 3种设备和器材：光刻胶、掩模版和光刻机
掩膜版和光刻胶： 光刻胶：正胶和负胶
光源
wafer
mask
24
光刻过程如下： 1．涂光刻胶 2．掩膜对准 3．曝光 4．显影 5．刻蚀：采用干法刻蚀（Ery Eatching） 6．去胶：化学方法及干法去胶
22
光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。
到目前为止所讨论的各基本半导体生产工艺，除淀积外都 只在硅片上被选中的局部面积上进行．它们的选取是由 光刻工艺来实现的．光刻指的是将掩模版或计算机数据 库中存放的图像复制到硅片上的整个过程．
光刻次数越多，表示工艺越复杂 光刻所能加工的线条越细，表示工艺水平越高
16
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等。
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。
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。
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。
19
0.18μm process Structure
2019/6/9
20
2019/6/9
掩膜是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片， 表面上涂一层600~800nm厚的Cr层，使其表面 光洁度更高。称之为铬板。
21
2019/6/9
在IC的制造过程中，光刻是多次应用的重要 工序。其作用是把掩膜上的图型转换成晶圆 上的器件结构。
外延生长 氧化 掺杂 淀积 刻蚀 光刻 钝化
了解每一步工艺对器件性 能的影响
1
2019/6/9
集成电路的制造过程：前道工序和后道工序 前道工序：原始晶片到中测，包括：
图形转换技术（光刻、刻蚀等） 薄膜制备技术（外延、氧化、淀积等） 掺杂技术（扩散和离子注入） 后道工序：中测到出厂
2
3
50-300mm (2’’-12’’)
0.5-0.8mm
初始掺杂 ~ 1015 cm-3
4
半导体工艺流程中的基片是抛光过的晶圆基片， 直径在50到300mm(2-12英寸)之间，厚度约几百微米。
尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上， 但大多数器件和IC都做在经过外延生长的衬底上。原 因是未外延过的基片性能常常不能满足要求。外延的 目的是用同质材料形成具有不同的掺杂种类及浓度， 因而具有不同性能的晶体层。外延也是制作不同材料 系统的技术之一。外延生长后的衬底适合于制作有各 种要求的器件与IC，且可进行进一步处理。
介质等 对某些杂质起屏蔽作用 可作：选择性扩散掩蔽层
10
2019/6/9
除了作为栅的绝缘材料外，二氧化硅在很多制造工 序中可以作为保护层。在器件之间的区域，也可以 生成一层称为“场氧”（FOX）的厚SiO2 层，使后面 的工序可以在其上制作互连线。
11
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。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。
A “Mask” Layer
30
Spin a Photoresist Layer（光刻胶）
涂胶
31
Uniform UV Light Illumination
32
Uniform UV Light Illumination
σp σp
0
Rp
深度 X
15
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。
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。
(1)丙酮中，然后用无水乙醇
(2)发烟硝酸
25
2019/6/9 26
27
Start with a Silicon Wafer
28
Deposit a Layer of Silicon Dioxide
29
We want to create this pattern on the silicon wafer
G
D
D
S
G S
P-si
12
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：
• 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。
只要控制预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度、扩 散温度、扩散时间等三个因素就可以决定扩散深度 及浓度。
不同的外延工艺可制出不同的材料系统。
5
SiCl4 or SiH4 Gas with Impurities
Epi Layer
p-type Si
n-type Si
6
Si
7
O2 SHale Waihona Puke BaiduO2
0.44tox
Si
8
9
2019/6/9
良好的化学稳定性和电绝缘性 可作：MOS管的栅氧化层、器件的保护层、绝缘材料、电容器的
3、淀积PGS与淀积多晶硅相似，只是用不同的化学反应17
被刻蚀的有：抗蚀剂、半导体、绝缘体、金属等。
Layer to be etched
Apply Etch
Mask Layer
a
c
b
18
2019/6/9
掩膜制造 从物理上讲，任何半导体器件及IC都是一系列互相
联系的基本单元的组合，如导体、半导体及在基片上 不同层上形成的不同尺寸的隔离材料等。要制作出这 些结构需要一套掩膜。一个光学掩膜通常是一块涂着 特定图案铬薄层的石英玻璃片，一层掩膜对应一块IC 的一个工艺层。工艺流程中需要的一套掩膜必须在工 艺流程开始之前制作出来。制作这套掩膜的数据来自 电路设计工程师给出的版图。
13
Dopant Ion from an accelerator Fixed Ions
Final Implanted Ion Locatio1n4
N e N(x)
[( xRp )2
2 2 ] p
max
Rp：平均浓度
p：穿透硼深原度子数 的标准差
Nmax=0.4NT/ p
0<X<
NNmTa：x 单位面积注入的离子数，即离子注入剂量
光刻类似于照相。
3个主要步骤：曝光、显影、刻蚀 3种设备和器材：光刻胶、掩模版和光刻机
掩膜版和光刻胶： 光刻胶：正胶和负胶
光源
wafer
mask
24
光刻过程如下： 1．涂光刻胶 2．掩膜对准 3．曝光 4．显影 5．刻蚀：采用干法刻蚀（Ery Eatching） 6．去胶：化学方法及干法去胶
22
光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。
到目前为止所讨论的各基本半导体生产工艺，除淀积外都 只在硅片上被选中的局部面积上进行．它们的选取是由 光刻工艺来实现的．光刻指的是将掩模版或计算机数据 库中存放的图像复制到硅片上的整个过程．
光刻次数越多，表示工艺越复杂 光刻所能加工的线条越细，表示工艺水平越高
16
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等。
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。
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。
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。
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0.18μm process Structure
2019/6/9
20
2019/6/9
掩膜是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片， 表面上涂一层600~800nm厚的Cr层，使其表面 光洁度更高。称之为铬板。
21
2019/6/9
在IC的制造过程中，光刻是多次应用的重要 工序。其作用是把掩膜上的图型转换成晶圆 上的器件结构。
外延生长 氧化 掺杂 淀积 刻蚀 光刻 钝化
了解每一步工艺对器件性 能的影响
1
2019/6/9
集成电路的制造过程：前道工序和后道工序 前道工序：原始晶片到中测，包括：
图形转换技术（光刻、刻蚀等） 薄膜制备技术（外延、氧化、淀积等） 掺杂技术（扩散和离子注入） 后道工序：中测到出厂
2
3
50-300mm (2’’-12’’)
0.5-0.8mm
初始掺杂 ~ 1015 cm-3
4
半导体工艺流程中的基片是抛光过的晶圆基片， 直径在50到300mm(2-12英寸)之间，厚度约几百微米。
尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上， 但大多数器件和IC都做在经过外延生长的衬底上。原 因是未外延过的基片性能常常不能满足要求。外延的 目的是用同质材料形成具有不同的掺杂种类及浓度， 因而具有不同性能的晶体层。外延也是制作不同材料 系统的技术之一。外延生长后的衬底适合于制作有各 种要求的器件与IC，且可进行进一步处理。
介质等 对某些杂质起屏蔽作用 可作：选择性扩散掩蔽层
10
2019/6/9
除了作为栅的绝缘材料外，二氧化硅在很多制造工 序中可以作为保护层。在器件之间的区域，也可以 生成一层称为“场氧”（FOX）的厚SiO2 层，使后面 的工序可以在其上制作互连线。
11
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。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。
A “Mask” Layer
30
Spin a Photoresist Layer（光刻胶）
涂胶
31
Uniform UV Light Illumination
32
Uniform UV Light Illumination
σp σp
0
Rp
深度 X
15
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。
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。
(1)丙酮中，然后用无水乙醇
(2)发烟硝酸
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2019/6/9 26
27
Start with a Silicon Wafer
28
Deposit a Layer of Silicon Dioxide
29
We want to create this pattern on the silicon wafer
G
D
D
S
G S
P-si
12
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：
• 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。
只要控制预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度、扩 散温度、扩散时间等三个因素就可以决定扩散深度 及浓度。
不同的外延工艺可制出不同的材料系统。
5
SiCl4 or SiH4 Gas with Impurities
Epi Layer
p-type Si
n-type Si
6
Si
7
O2 SHale Waihona Puke BaiduO2
0.44tox
Si
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2019/6/9
良好的化学稳定性和电绝缘性 可作：MOS管的栅氧化层、器件的保护层、绝缘材料、电容器的
3、淀积PGS与淀积多晶硅相似，只是用不同的化学反应17
被刻蚀的有：抗蚀剂、半导体、绝缘体、金属等。
Layer to be etched
Apply Etch
Mask Layer
a
c
b
18
2019/6/9
掩膜制造 从物理上讲，任何半导体器件及IC都是一系列互相
联系的基本单元的组合，如导体、半导体及在基片上 不同层上形成的不同尺寸的隔离材料等。要制作出这 些结构需要一套掩膜。一个光学掩膜通常是一块涂着 特定图案铬薄层的石英玻璃片，一层掩膜对应一块IC 的一个工艺层。工艺流程中需要的一套掩膜必须在工 艺流程开始之前制作出来。制作这套掩膜的数据来自 电路设计工程师给出的版图。
13
Dopant Ion from an accelerator Fixed Ions
Final Implanted Ion Locatio1n4
N e N(x)
[( xRp )2
2 2 ] p
max
Rp：平均浓度
p：穿透硼深原度子数 的标准差
Nmax=0.4NT/ p
0<X<
NNmTa：x 单位面积注入的离子数，即离子注入剂量