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1、1第二章第二章集成电路制造工艺集成电路制造工艺2本章课程安排本章课程安排一、集成电路制造工艺与制造流程介绍二、一、集成电路制造工艺与制造流程介绍二、CMOS电路特性三、系统中各种延迟特性分析电路特性三、系统中各种延迟特性分析3本章课程安排本章课程安排一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍二、二、CMOS电路特性三、系统中各种延迟特性分析电路特性三、系统中各种延迟特性分析41. 集成电路制造工艺介绍集成电路制造工艺介绍2. 以硅工艺为基础的集成电路生产制造流程以硅工艺为基础的集成电路生产制造流程3. 集成电路制造工艺的新技术与新发展集成电路制造工艺的新技术与新发展本
2、节内容安排本节内容安排一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍5 硅是自然界中蕴藏最丰富的元素之一，约占地壳的硅是自然界中蕴藏最丰富的元素之一，约占地壳的25%， 仅次于氧；， 仅次于氧； 硅是目前人类研究最深入、了解最清楚的物质；硅是目前人类研究最深入、了解最清楚的物质； 硅是现在人类提取的最纯材料，也是人类制造的最大单晶。硅是现在人类提取的最纯材料，也是人类制造的最大单晶。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1. 集成电路制造工艺介绍集成电路制造工艺介绍半导体材料工艺的发展是集成电路制造工艺发展的基础。半导体材料工艺的发展是集成电
3、路制造工艺发展的基础。1.1 硅（硅（Si）工艺生产技术（简称）工艺生产技术（简称硅技术硅技术）a. 硅技术在超大规模集成电路的生产中占据主要地位。硅技术在超大规模集成电路的生产中占据主要地位。b. 在可预见的未来，迅速发展的硅技术将仍处主导地位。在可预见的未来，迅速发展的硅技术将仍处主导地位。硅单晶硅单晶是最重要的集成电路衬底材料，是制作复杂微电子器件的基础。是最重要的集成电路衬底材料，是制作复杂微电子器件的基础。6 在硅工艺下一般可分出两支：在硅工艺下一般可分出两支：双极（双极（Bipolar）工艺）工艺、 MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）场效应工艺半导体）场效应工艺。 近年来为
4、了适应高速大驱动和高密度低功耗近年来为了适应高速大驱动和高密度低功耗ASIC与与SoC设计的 需要，在双极工艺与设计的 需要，在双极工艺与MOS工艺之间又衍生出工艺之间又衍生出BiCMOS工艺工艺。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1 硅工艺生产技术（续硅工艺生产技术（续1）c. 以硅材料为基础的集成电路制造工艺划分以硅材料为基础的集成电路制造工艺划分7一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1 硅工艺生产技术（续硅工艺生产技术（续2）d. Bipolar工艺工艺最早的集成电路生产工艺最早的集成电路生产工艺 以有源晶体管为基
5、础，以平面晶体管为基本单元。以有源晶体管为基础，以平面晶体管为基本单元。 工艺电路的特点：工艺电路的特点： - 高速、高增益、低噪声、负载能力强和功耗大，高速、高增益、低噪声、负载能力强和功耗大，- 适合中、小规模集成电路和模拟集成电路（如运放、适合中、小规模集成电路和模拟集成电路（如运放、 ADC和和DAC等）；等）； 双极工艺在完善与发展中有最明显的两方面变化：双极工艺在完善与发展中有最明显的两方面变化：- 采用复合管的集成注入逻辑和集成肖特基逻辑结构改善了 双极集成产品的密度性能比，进而提高了集成度；采用复合管的集成注入逻辑和集成肖特基逻辑结构改善了 双极集成产品的密度性能比，进而提高了
6、集成度；- 在新型的在新型的BiCMOS工艺集成电路中，工艺集成电路中，Bipolar工艺常依据其 负载能力强的特性，用作电路或芯片的工艺常依据其 负载能力强的特性，用作电路或芯片的I/O部分电路。部分电路。8一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1 硅工艺生产技术（续硅工艺生产技术（续3）e. MOS工艺工艺 以有源场效应管（以有源场效应管（FET）为基础，以）为基础，以MOS开关电路和开关电路和MOS 放大电路为基本单元；放大电路为基本单元； 工艺电路的特点：工艺电路的特点：- 结构简单、功耗低、电流电压适应范围大；结构简单、功耗低、电流电压适应范围大；-
7、 面积是对应面积是对应Bipolar的的1/5；- 速度不快、负载能力不强和抗静电能力差等。速度不快、负载能力不强和抗静电能力差等。 MOS工艺自身需进一步发展和完善的地方：工艺自身需进一步发展和完善的地方：- 在深亚微米工艺情况下的速度限制问题；在深亚微米工艺情况下的速度限制问题；- 在单片集成密度达到在单片集成密度达到1000万门后，功耗及封装限制问题；万门后，功耗及封装限制问题；- 提高抗静电能力等。提高抗静电能力等。9一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1 硅工艺生产技术（续硅工艺生产技术（续5）f. CMOS工艺工艺当今集成电路生产的主导工艺当今集
8、成电路生产的主导工艺 在在CMOS电路中，电路中，P沟道沟道MOS管作为负载器件，管作为负载器件，N沟道沟道MOS 管作为驱动器件。要求在同一个衬底上必须制造出管作为驱动器件。要求在同一个衬底上必须制造出PMOS管 和管 和NMOS管。管。 CMOS工艺，具有一般工艺，具有一般MOS的优点，同时还具有：的优点，同时还具有：- 超高速、高密度潜力和高增益；超高速、高密度潜力和高增益；- 低静态功耗、低噪声和低电流驱动；低静态功耗、低噪声和低电流驱动；- 宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈 值损失），可与宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈 值损失），可与TTL电路兼容；电路兼容；- 适
9、合各种规模数字集成电路和模拟集成电路；适合各种规模数字集成电路和模拟集成电路；- 是是MOS工艺中最常用的工艺。工艺中最常用的工艺。互补型互补型CMOS工艺的出现，使集成电路工艺发展进入一个新时代。工艺的出现，使集成电路工艺发展进入一个新时代。10 GaAs中载流子的迁移率远远高于硅中载流子的迁移率；中载流子的迁移率远远高于硅中载流子的迁移率； - 通常比掺杂硅要高出通常比掺杂硅要高出6倍。倍。 由于由于GaAs是一种化合物半导体材料，很容易将硅离子注入到是一种化合物半导体材料，很容易将硅离子注入到GaAs中形成中形成MFSFET的源区和漏区；的源区和漏区； 从工艺上来讲，从工艺上来讲，GaA
10、s的大规模集成也比较容易实现。的大规模集成也比较容易实现。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.2 砷化镓（砷化镓（GaAs）工艺）工艺a. 砷化镓（砷化镓（GaAs）属于）属于III-V类半导体类半导体GaAs工艺目前只用于超高速的场合，主要原因是它的 工艺一致性差，使其制造的成品率远比硅材料工艺低。工艺目前只用于超高速的场合，主要原因是它的 工艺一致性差，使其制造的成品率远比硅材料工艺低。11一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.2 砷化镓（砷化镓（GaAs）工艺（续）工艺（续1）b. 以以GaAs材料为基础的集成电路制造
11、工艺划分材料为基础的集成电路制造工艺划分 在在GaAs工艺下也可分出两支：工艺下也可分出两支：- 双极型双极型GaAs器件，器件，主要用于制造分离的主要用于制造分离的GaAs管子和 由互连形成管子和 由互连形成ISL； - FET GaAs逻辑器件逻辑器件。c. GaAs工艺的特点工艺的特点 基本单元的面积很小，寄生电容小，器件可直接隔离；基本单元的面积很小，寄生电容小，器件可直接隔离； 工作速度高，适用于高速集成电路的制造；工作速度高，适用于高速集成电路的制造； 工艺一致性差，材料的缺陷密度大。工艺一致性差，材料的缺陷密度大。122以硅工艺为基础的集成电路生产制造流程以硅工艺为基础的集成电路
12、生产制造流程集成电路的实际制作流程非常复杂，一般需经过 数百个不同的工艺步骤，耗时约一、二个月的时间。集成电路的实际制作流程非常复杂，一般需经过 数百个不同的工艺步骤，耗时约一、二个月的时间。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.1 集成电路生产制造基本流程集成电路生产制造基本流程13一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2 集成电路生产的各制造工艺步骤集成电路生产的各制造工艺步骤 a. 拉单晶硅锭拉单晶硅锭 半导体工业所用硅单晶半导体工业所用硅单晶80%90%是由切克劳斯基（是由切克劳斯基（CZ）法制备的；）法制备的； 对于
13、硅来说，是一种从液体到固态的单元素晶体生长过程；对于硅来说，是一种从液体到固态的单元素晶体生长过程； 晶体生长速率不同于拉晶速率，其与温度系数有密切关系。晶体生长速率不同于拉晶速率，其与温度系数有密切关系。单晶硅生长炉拉单晶硅锭示意图单晶硅生长炉拉单晶硅锭示意图拉单晶硅锭拉单晶硅锭14一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2 集成电路生产的各制造工艺步骤（续集成电路生产的各制造工艺步骤（续1）b. 硅圆晶片的形成硅圆晶片的形成 硅是硬而脆的半导体材料，在硅是硬而脆的半导体材料，在Rockwell“A”硬度表上为硬度表上为72.6； 对硅进行整形和切割的最合适材
14、料是工业纯金刚石，但也 有用对硅进行整形和切割的最合适材料是工业纯金刚石，但也 有用SiC和和Al2 O3 的；的； 把硅锭加工成抛光好的大晶圆片，通常需要把硅锭加工成抛光好的大晶圆片，通常需要6步机械加工、步机械加工、 2步化学加工和步化学加工和12步抛光。步抛光。拉单晶硅锭切片（拉单晶硅锭切片（Slicing） 晶圆研磨（） 晶圆研磨（Lapping）晶圆清洗（晶圆清洗（Cleaning）15一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2 集成电路生产的各制造工艺步骤（续集成电路生产的各制造工艺步骤（续2）b. 硅圆晶片的形成（续硅圆晶片的形成（续1）在整个硅圆
15、晶片的切割 加工过程中约有在整个硅圆晶片的切割 加工过程中约有1/3的单晶硅锭材料变成锯屑而损失掉了。的单晶硅锭材料变成锯屑而损失掉了。晶圆拋光（晶圆拋光（Polishing）晶圆检查（）晶圆检查（Inspection）16一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2 集成电路生产的各制造工艺步骤（续集成电路生产的各制造工艺步骤（续3）c. 氧化氧化 氧化膜（氧化膜（SiO2 ）的作用：）的作用：- 杂质扩散掩蔽膜。杂质扩散掩蔽膜。 - 器件表面保护或钝化膜器件表面保护或钝化膜 - 电路隔离介质或绝缘介质电路隔离介质或绝缘介质 - 电容介质材料电容介质材料 - M
16、OS管的绝缘栅材料管的绝缘栅材料在室温下，硅圆晶片只要在空气中一暴露，就会 在表面形成各个原子层的氧化膜（在室温下，硅圆晶片只要在空气中一暴露，就会 在表面形成各个原子层的氧化膜（SiO2 ）。氧化膜相当致密，能阻止更多氧原子通过它继续氧化。）。氧化膜相当致密，能阻止更多氧原子通过它继续氧化。17一、集成电路制造工艺与制造流程介绍一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2 集成电路生产的各制造工艺步骤（续集成电路生产的各制造工艺步骤（续4）c. 氧化（续氧化（续1） 氧化膜（氧化膜（SiO2 ）的重要特性）的重要特性掩蔽性掩蔽性 - 由于由于B、P、As等杂质在等杂质在SiO2 的扩散系数远小于在的扩散系数远小于在Si中的扩散系数。中的扩散系数。- 二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外，和别的 酸不起作用。二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外，和别的 酸不起作用。氢氟酸腐蚀
