集成电路.ppt
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D
G
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S
G S
2019/12/27
P-si
9
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：
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：
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
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。
第二章 集成电路工艺基础
2019/12/27
1
第一节 引言
集成电路的制造需要非常复杂的技术，它主要 由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计 者可以不去深入研究，但是作为从事系统设计 的工程师，有必要了解芯片设计中的工艺基础 知识，才能根据工艺技术的特点优化电路设计 方案。对于电路和系统设计者来说，更多关注 的是工艺制造的能力，而不是工艺的具体实施 过程。
2019/12/27
6
氧化炉
石英舟
滑道
炉膛
2019/12/27
7
改进的氧化炉
石英舟
2019/12/27
滑道
炉膛
8
二、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。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。
gate source drain
4．半导体的导电能力随光照而发生显著变化
5．半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用 而发生变化
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4
6、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。
纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流子 的浓度在室温下：T＝300K
n p ni 1.6 *1010(1/ cm3)
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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。
三．淀积工艺
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．导电能力随温度上升而迅速增加
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。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）
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3
3．半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变 化
SiH4 ~7000C Si 2H2
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。
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15
四、钝化工艺
在集成电路制作好以后，为了防制外部杂质， 如潮气、腐蚀性气体、灰尘侵入硅片，通常 在硅片表面加上一层保护膜，称为钝化。
目前，广泛采用的是氮化硅做保护膜，其加 工过程是在450°C以下的低温中，利用高频 放电，使 和 气体分解，从而形成氮化 硅而落在硅SiN片4 上N。H3
[( xR p )2
2 2 ] p
max
硼原子数 Nmax
0<X<
σp σp
0
Rp
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深度 X
11
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
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。
P(x)
NT e 1
x2
4 Dt
2 (Dt) 2
其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度
N T 3 1015 (1 cm)
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。
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2．离子注入
N e N (x)
由于SOC的出现，给IC设计者提出了更高的要 求，也面临着新的挑战：设计者不仅要懂系统、 电路，也要懂工艺、制造。
Baidu Nhomakorabea
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2
第二节 半导体材料：硅
1、电阻率：
从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：
金属： ρ<10-4 Ω·cm
半导体：ρ=10-3 Ω·cm~109 Ω·cm
绝缘体：ρ>109 Ω·cm
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淀积铝
AL
离子束
wafer
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14
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。
采用 SiH 4 在700°C的高温下，使其分解：
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。
n 1022 (1 / cm)
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5
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。
P 1022 (1 / cm)
第三节 集成电路制造工艺简介
一、氧化工艺
一 个 MOS 集 成 电 路 电 路 中 ， 主 要 元 件 是 ； PMOS,NMOS,R,C,L及连线。MOS是Metal Oxide Semiconductor Silicon的缩写。MOS管有三种 主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。
3SiH4 4NH3 4500C Si3N4 12H2
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五、光刻工艺
光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工 作。
掩膜版和光刻胶： 掩膜版：亮版和暗版 光刻胶：正胶和负胶
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wafer
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mask
光源
18
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 (1)丙酮中，然后用无水乙醇
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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：
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：
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
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。
第二章 集成电路工艺基础
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1
第一节 引言
集成电路的制造需要非常复杂的技术，它主要 由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计 者可以不去深入研究，但是作为从事系统设计 的工程师，有必要了解芯片设计中的工艺基础 知识，才能根据工艺技术的特点优化电路设计 方案。对于电路和系统设计者来说，更多关注 的是工艺制造的能力，而不是工艺的具体实施 过程。
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氧化炉
石英舟
滑道
炉膛
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改进的氧化炉
石英舟
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滑道
炉膛
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二、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。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。
gate source drain
4．半导体的导电能力随光照而发生显著变化
5．半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用 而发生变化
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6、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。
纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流子 的浓度在室温下：T＝300K
n p ni 1.6 *1010(1/ cm3)
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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。
三．淀积工艺
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．导电能力随温度上升而迅速增加
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。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）
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3．半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变 化
SiH4 ~7000C Si 2H2
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。
2019/12/27
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四、钝化工艺
在集成电路制作好以后，为了防制外部杂质， 如潮气、腐蚀性气体、灰尘侵入硅片，通常 在硅片表面加上一层保护膜，称为钝化。
目前，广泛采用的是氮化硅做保护膜，其加 工过程是在450°C以下的低温中，利用高频 放电，使 和 气体分解，从而形成氮化 硅而落在硅SiN片4 上N。H3
[( xR p )2
2 2 ] p
max
硼原子数 Nmax
0<X<
σp σp
0
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深度 X
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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
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。
P(x)
NT e 1
x2
4 Dt
2 (Dt) 2
其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度
N T 3 1015 (1 cm)
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。
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2．离子注入
N e N (x)
由于SOC的出现，给IC设计者提出了更高的要 求，也面临着新的挑战：设计者不仅要懂系统、 电路，也要懂工艺、制造。
Baidu Nhomakorabea
2019/12/27
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第二节 半导体材料：硅
1、电阻率：
从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：
金属： ρ<10-4 Ω·cm
半导体：ρ=10-3 Ω·cm~109 Ω·cm
绝缘体：ρ>109 Ω·cm
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淀积铝
AL
离子束
wafer
2019/12/27
14
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。
采用 SiH 4 在700°C的高温下，使其分解：
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。
n 1022 (1 / cm)
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5
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。
P 1022 (1 / cm)
第三节 集成电路制造工艺简介
一、氧化工艺
一 个 MOS 集 成 电 路 电 路 中 ， 主 要 元 件 是 ； PMOS,NMOS,R,C,L及连线。MOS是Metal Oxide Semiconductor Silicon的缩写。MOS管有三种 主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。
3SiH4 4NH3 4500C Si3N4 12H2
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五、光刻工艺
光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工 作。
掩膜版和光刻胶： 掩膜版：亮版和暗版 光刻胶：正胶和负胶
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wafer
2019/12/27
mask
光源
18
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 (1)丙酮中，然后用无水乙醇