集成電路設(shè)計(jì)-part1-2

1、外延生長外延生長氧化氧化摻雜摻雜淀積淀積刻蝕刻蝕光刻光刻鈍化鈍化1集成電路的制造過程：前道工序和后道工序前道工序：原始晶片到中測，包括： 圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)（光刻、刻蝕等） 薄膜制備技術(shù)（外延、氧化、淀積等） 摻雜技術(shù)（擴(kuò)散和離子注入）后道工序：中測到出廠2022-3-92340.5-0.8mm125-200mm (5- 8)初始摻雜 1015 cm-3n-type SiSiCl4 or SiH4 Gas with Impuritiesp-type SiEpiLayer56SiSiO2SiO20.44tox78良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性可作：MOS管的柵氧化層、器件的保護(hù)層、絕緣材料、電容器的介質(zhì)等

2、對某些雜質(zhì)起屏蔽作用可作：選擇性擴(kuò)散掩蔽層2022-3-99在襯底材料上摻入五價(jià)磷或三價(jià)硼，以改變半導(dǎo)體材料的電性能。摻雜過程是由硅的表面向體內(nèi)作用的。目前，有兩種摻雜方式：擴(kuò)散和離子注入。10GDS D G SP-si擴(kuò)散爐與氧化爐基本相同，只是將要摻入的雜質(zhì)如P或B的源放入爐管內(nèi)。擴(kuò)散分為兩步：STEP1 預(yù)淀積：將濃度很高的一種雜質(zhì)元素P或B淀積在硅片表面。STEP2 推進(jìn)：在高溫、高壓下，使硅片表面的雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)部。只要控制預(yù)淀積后硅片表面淺層的P原子濃度、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間等三個(gè)因素就可以決定擴(kuò)散深度及濃度。1112Fixed IonsDopant Ion from an acc

3、eleratorFinal Implanted Ion Location13eNppRxxN2max22)()( p pNmax0Rp深 度 X硼 原 子 數(shù)0XRp：平均濃度p：穿透深度的標(biāo)準(zhǔn)差Nmax=0.4NT/ pNT：單位面積注入的離子數(shù)，即離子注入劑量離子注入的分布有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1離子注入的分布曲線形狀（Rp，p），只與離子的初始能量E0有關(guān)。并雜質(zhì)濃度最大的地方不是在硅的表面，X0處，而是在XRp處。2離子注入最大值Nmax與注入劑量NT有關(guān)。 E0與NT都是可以控制的參數(shù)。因此，離子注入方法可以精確地控制摻雜區(qū)域的濃度及深度。14淀積工藝主要用于在硅片表面上淀積一層材料，如金

4、屬鋁、多晶硅及磷硅玻璃PSG等。1、金屬化工藝 淀積鋁也稱為金屬化工藝，它是在真空設(shè)備中進(jìn)行的。在硅片的表面形成一層鋁膜。2、淀積多晶硅淀積多晶硅一般采用化學(xué)汽相淀積（LPCVD）的方法。利用化學(xué)反應(yīng)在硅片上生長多晶硅薄膜。適當(dāng)控制壓力、溫度并引入反應(yīng)的蒸汽，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，便可在硅表面淀積一層高純度的多晶硅。3、淀積PGS與淀積多晶硅相似，只是用不同的化學(xué)反應(yīng)過程。1516Mask LayerLayer to be etchedApply Etchabc被刻蝕的有：抗蝕劑、半導(dǎo)體、絕緣體、金屬等。光刻工藝是完成在整個(gè)硅片上進(jìn)行開窗的工作。到目前為止所討論的各基本半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，除淀積外都只

5、在到目前為止所討論的各基本半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，除淀積外都只在硅片上被選中的局部面積上進(jìn)行它們的選取是由光刻工藝硅片上被選中的局部面積上進(jìn)行它們的選取是由光刻工藝來實(shí)現(xiàn)的光刻指的是將掩模版或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中存放的圖來實(shí)現(xiàn)的光刻指的是將掩模版或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中存放的圖像復(fù)制到硅片上的整個(gè)過程像復(fù)制到硅片上的整個(gè)過程光刻次數(shù)越多，表示工藝越復(fù)雜光刻次數(shù)越多，表示工藝越復(fù)雜光刻所能加工的線條越細(xì)，表示工藝水平越高光刻所能加工的線條越細(xì)，表示工藝水平越高 17光刻類似于照相。3個(gè)主要步驟：曝光、顯影、刻蝕個(gè)主要步驟：曝光、顯影、刻蝕3種設(shè)備和器材：光刻膠、掩模版和光刻機(jī)種設(shè)備和器材：光刻膠、掩模版和光刻機(jī) 掩膜

6、版和光刻膠： 掩膜版：亮版和暗版 光刻膠：正膠和負(fù)膠18wafermask光 源光刻過程如下：1涂光刻膠2掩膜對準(zhǔn)3曝光4顯影5刻蝕：采用干法刻蝕（Ery Eatching）6去膠：化學(xué)方法及干法去膠 (1)丙酮中，然后用無水乙醇 (2)發(fā)煙硝酸 (3)等離子體的干法刻蝕技術(shù)1920Start with a Silicon Wafer21Deposit a Layer of Silicon Dioxide22A “Mask” LayerWe want to create this patternon the silicon wafer23Spin a Photoresist Layer（光刻膠

7、）24涂膠Uniform UV Light Illumination25Uniform UV Light Illumination26曝光Uniform UV Light Illuminationpositive Photoresist（正性光刻膠）光照后形成可溶物質(zhì)2728顯影Next we develop the photoresist29刻蝕Then we remove the photoresist30去膠Next, we want to implant the dopant ions31Uniform Implantation of dopant ions3233Uniform Im

8、plantation of dopant ionsDiffusion at High Temperatures34Remove Silicon Dioxide3536Start with a Silicon Wafer373839404142Develop the pattern43After Etching44Remove the PhotoresistWe have a polysilicon region 45在集成電路制作好以后，為了防制外部雜質(zhì)，如潮氣、腐蝕性氣體、灰塵侵入硅片，通常在硅片表面加上一層保護(hù)膜，稱為鈍化。目前，廣泛采用的是氮化硅做保護(hù)膜。462022-3-947第4章

9、集成電路器件工藝CMOSCMOS是將是將NMOSNMOS器件和器件和PMOSPMOS器件同時(shí)制作在器件同時(shí)制作在同一硅襯底上。同一硅襯底上。三種以硅為襯底的制造三種以硅為襯底的制造CMOSCMOS ICIC的基本方法的基本方法：1 1）N N阱硅柵阱硅柵CMOSCMOS工藝；工藝；2 2）P P阱硅柵阱硅柵CMOSCMOS工藝；工藝；3 3）雙阱硅柵）雙阱硅柵CMOSCMOS工藝。工藝。1 1、硅片制備、硅片制備 在晶體生長過程中，摻入在晶體生長過程中，摻入n n型或型或p p型雜質(zhì)以形成型雜質(zhì)以形成n n或或p p型材料，晶型材料，晶片又叫作襯底，它是生產(chǎn)過程所要求的初始材料大多數(shù)襯底摻片又

10、叫作襯底，它是生產(chǎn)過程所要求的初始材料大多數(shù)襯底摻雜的濃度約為雜的濃度約為10101515雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子cmcm3 3如果是如果是n n型襯底，對應(yīng)的電阻率型襯底，對應(yīng)的電阻率約為約為 3-5 3-5cmcm，如果是如果是p p型襯底，電阻率約為型襯底，電阻率約為14-1614-16cmcm2、前部工序、前部工序 Mask掩膜版 CHIP制版：圖形的縮小和重復(fù)具體步驟如下：1生長二氧化硅： S i - 襯底 S i O22P阱光刻： 涂膠、掩膜對準(zhǔn)、曝光、顯影、刻蝕3去膠4摻雜：摻入B元素涂 膠 顯 影 刻 蝕 去 膠 摻 雜光刻用掩膜1：P阱1、淀積氮化硅 2、光刻有源區(qū) 3、場區(qū)氧化 4

11、、去除有源區(qū)氮化硅及二氧化硅 5、生長柵氧 6、淀積多晶硅淀積氮化硅 光刻有源區(qū) 場區(qū)氧化去除氮化硅及二氧化硅 長柵氧 淀積多晶硅光刻用掩膜2：有源區(qū) 光刻多晶硅光刻用掩膜3：多晶硅1、P+區(qū)光刻2、離子注入硼+，柵區(qū)有多晶硅做掩蔽，稱為硅柵自對準(zhǔn)工藝。3、去膠 P + 區(qū) 光刻B +光刻用掩膜4：P+區(qū)1、N+區(qū)光刻2、離子注入磷+3、去膠 N+區(qū)光刻 N+ 光刻用掩膜5：N+區(qū) 光刻接觸孔光刻用掩膜6：接觸孔1、淀積鋁 2、光刻鋁 光刻鋁ALPSG場氧Poly柵氧P+N+P 阱N 硅襯底光刻用掩膜7：鋁引線chip circuitpad CHIP光刻用掩膜8：鈍化孔各個(gè)器件在電學(xué)上相互隔離

12、用接觸孔和互連材料將各個(gè)獨(dú)立的器件連接起來接觸和互連的基本工藝步驟為：1）為減小接觸電阻，在需要互連的區(qū)域先進(jìn)行高濃度摻雜2）淀積一層絕緣介質(zhì)層3）通過光刻在該介質(zhì)層上制作出接觸窗口，稱為歐姆接觸孔；4）淀積互連材料膜（比如Al、Cu）5）光刻出互連線的圖形中測打點(diǎn)后部封裝 （在另外廠房）（1）背面減?。?）切片（3）粘片（4）壓焊：金絲球焊（5）切筋（6）整形（7）封裝（8）沾錫：保證管腳的電學(xué)接觸（9）老化（10）成測（11）打印、包裝 劃片金 絲劈加 熱 壓 焊什么是版圖MOS器件的版圖實(shí)現(xiàn)版圖的設(shè)計(jì)規(guī)則利用L-EDIT進(jìn)行版圖繪制70根據(jù)邏輯與電路功能和性能要求以及工根據(jù)邏輯與電路功能

13、和性能要求以及工藝水平要求，設(shè)計(jì)光刻用的掩膜版圖，藝水平要求，設(shè)計(jì)光刻用的掩膜版圖，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)ICIC設(shè)計(jì)的最終輸出。設(shè)計(jì)的最終輸出。版圖是一組相互套合的圖形，各層版圖版圖是一組相互套合的圖形，各層版圖對應(yīng)不同的工藝步驟，每一層版圖用不對應(yīng)不同的工藝步驟，每一層版圖用不同的圖案來表示。版圖與所采用的制備同的圖案來表示。版圖與所采用的制備工藝緊密相關(guān)。工藝緊密相關(guān)。那些花花綠綠的是？阱P+、N+注入?yún)^(qū)有源區(qū)多晶硅金屬連線過孔POLYMetal1contactMetal2不同的顏色圖案表示不同的層次，工藝廠商按照圖紙制造掩模版，掩模版的層數(shù)涉及工藝步數(shù)和成本。版圖是電路圖的反映，有兩大組成部分：器件

14、MOS管電阻電容電感二極管三極管互連金屬（第一層金屬，第二層金屬）通孔版圖，就是按照規(guī)則畫好器件，合適地?cái)[放好器件，版圖，就是按照規(guī)則畫好器件，合適地?cái)[放好器件，再用金屬線適當(dāng)?shù)剡B接。再用金屬線適當(dāng)?shù)剡B接。1: 1: P P 阱阱2: 2: 有源區(qū)有源區(qū) 3 3：硅柵：硅柵4: 4: P P + +注入注入5: 5: N N + +注入注入 6 6：引線孔：引線孔7: 7: 鋁引線鋁引線8: 8: 壓焊塊壓焊塊版圖：制造集成電路時(shí)所用的掩模上的幾何圖形。版圖：制造集成電路時(shí)所用的掩模上的幾何圖形。版圖設(shè)計(jì)就是根據(jù)電子電路性能的要求和制造工藝的水版圖設(shè)計(jì)就是根據(jù)電子電路性能的要求和制造工藝的水平

15、，按照一定的規(guī)則，設(shè)計(jì)出元件的圖形并進(jìn)行排列、平，按照一定的規(guī)則，設(shè)計(jì)出元件的圖形并進(jìn)行排列、互連，以設(shè)計(jì)出一套供互連，以設(shè)計(jì)出一套供ICIC制造工藝中使用的光刻掩膜版制造工藝中使用的光刻掩膜版的圖形，稱為版圖或工藝復(fù)合圖。的圖形，稱為版圖或工藝復(fù)合圖。版圖設(shè)計(jì)是制造版圖設(shè)計(jì)是制造ICIC的基本條件，版圖設(shè)計(jì)是否合理對成的基本條件，版圖設(shè)計(jì)是否合理對成品率、電路性能、可靠性影響很大，版圖設(shè)計(jì)錯(cuò)了，就品率、電路性能、可靠性影響很大，版圖設(shè)計(jì)錯(cuò)了，就一個(gè)電路也做不出來。若設(shè)計(jì)不合理，則電路性能和成一個(gè)電路也做不出來。若設(shè)計(jì)不合理，則電路性能和成品率將受到很大影響。版圖設(shè)計(jì)必須與線路設(shè)計(jì)、工藝品率將

16、受到很大影響。版圖設(shè)計(jì)必須與線路設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工藝水平適應(yīng)。版圖設(shè)計(jì)者必須熟悉工藝條件、設(shè)計(jì)、工藝水平適應(yīng)。版圖設(shè)計(jì)者必須熟悉工藝條件、器件物理、電路原理以及測試方法。器件物理、電路原理以及測試方法。78 作為一位版圖設(shè)計(jì)者，作為一位版圖設(shè)計(jì)者，首先首先要熟悉工藝條件和器件要熟悉工藝條件和器件物理，才能確定晶體管的具體尺寸，鋁連線的寬度、間物理，才能確定晶體管的具體尺寸，鋁連線的寬度、間距、各次掩膜套刻精度等。距、各次掩膜套刻精度等。其次其次要對電路的工作原理有要對電路的工作原理有一定的了解，這樣才能在版圖設(shè)計(jì)中注意避免某些分布一定的了解，這樣才能在版圖設(shè)計(jì)中注意避免某些分布參量和寄生效應(yīng)對

17、電路產(chǎn)生的影響。參量和寄生效應(yīng)對電路產(chǎn)生的影響。同時(shí)同時(shí)還要熟悉調(diào)試還要熟悉調(diào)試方法，通過對樣品性能的測試和顯微鏡觀察，可分析出方法，通過對樣品性能的測試和顯微鏡觀察，可分析出工藝中的問題。也可通過工藝中的問題發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)和工藝中的問題。也可通過工藝中的問題發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)不合理之處，幫助改版工作的進(jìn)行。特別是測版圖設(shè)計(jì)不合理之處，幫助改版工作的進(jìn)行。特別是測試中發(fā)現(xiàn)某一參數(shù)的不合格，這往往與版圖設(shè)計(jì)有關(guān)。試中發(fā)現(xiàn)某一參數(shù)的不合格，這往往與版圖設(shè)計(jì)有關(guān)。 79有源區(qū)：包含源、柵、漏有源區(qū)：包含源、柵、漏柵極：多晶硅柵極：多晶硅P+P+或或N+N+摻雜：在有源區(qū)內(nèi)摻雜：在有源區(qū)內(nèi)NMOSN

18、MOS和和PMOSPMOS至少有一種管子要做在阱內(nèi)至少有一種管子要做在阱內(nèi)接觸孔：源、柵、漏和金屬導(dǎo)線連接處接觸孔：源、柵、漏和金屬導(dǎo)線連接處襯底必須接合適的電位。襯底必須接合適的電位。831. 阱做N阱和P阱封閉圖形處，窗口注入形成P管和N管的襯底2. 有源區(qū)做晶體管的區(qū)域（G、D、S、B區(qū))，封閉圖形處是氮化硅掩蔽層，該處不會(huì)長場氧化層3. 多晶硅做硅柵和多晶硅連線。封閉圖形處，保留多晶硅 4. 有源區(qū)注入P+、N+區(qū)（select)。做源漏及阱或襯底連接區(qū)的注入5. 接觸孔多晶硅，注入?yún)^(qū)和金屬線1接觸端子。6. 金屬線1做金屬連線，封閉圖形處保留鋁7. 通孔兩層金屬連線之間連接的端子8.

19、 金屬線2做金屬連線，封閉圖形處保留鋁 硅柵硅柵CMOS 版圖和工藝的關(guān)系版圖和工藝的關(guān)系84 1. 1. 有源區(qū)和場區(qū)是互補(bǔ)的，晶體管做在有源區(qū)處，金屬和多晶連線多做在場區(qū)上。 2.2. 有源區(qū)和P+,N+注入?yún)^(qū)的關(guān)系：有源區(qū)即無場氧化層，在這區(qū)域中可做N型和P型各種晶體管，此區(qū)一次形成。 3.3. 至于以后何處是NMOS晶體管，何處是PMOS晶體管，要由P+注入?yún)^(qū)和N+注入?yún)^(qū)那次光刻決定。 4.4. 有源區(qū)的圖形（與多晶硅交疊處除外）和P+注入?yún)^(qū)交集處即形成P+有源區(qū)， P+注入?yún)^(qū)比所交有源區(qū)要大些。須解釋的問題：須解釋的問題：855.5. 有源區(qū)的圖形（與多晶硅交疊處除外）和N+注入?yún)^(qū)交

20、集處即形成N+有源區(qū)， N+注入?yún)^(qū)比所交有源區(qū)要大些。6.6. 兩層半布線 金屬，多晶硅可做連線，所注入的有源區(qū)也是導(dǎo)體，可做短連線（方塊電阻大）。三層布線之間，多晶硅和注入有源區(qū)不能相交布線，因?yàn)橄嘟惶幮纬闪司w管，使得注入有源區(qū)連線斷開。7.7. 三層半布線 金屬1，金屬2 ，多晶硅可做連線，所注入的有源區(qū)也是導(dǎo)體，可做短連線（方塊電阻大）。四層線之間，多晶硅和注入有源區(qū)不能相交布線，因?yàn)橄嘟惶幮纬闪司w管，使得注入有源區(qū)連線斷開。須解釋的問題：須解釋的問題：設(shè)計(jì)規(guī)則是電路設(shè)計(jì)者和工藝工程師之間的協(xié)議，設(shè)計(jì)規(guī)則是電路設(shè)計(jì)者和工藝工程師之間的協(xié)議，是保證正確制造出晶體管和各種連接的一套規(guī)則。

21、是保證正確制造出晶體管和各種連接的一套規(guī)則。制定目的：使芯片尺寸在盡可能小的前提下，避免制定目的：使芯片尺寸在盡可能小的前提下，避免線條寬度的偏差和不同層版套準(zhǔn)偏差可能帶來的問線條寬度的偏差和不同層版套準(zhǔn)偏差可能帶來的問題，盡可能地提高電路制備的成品率。題，盡可能地提高電路制備的成品率。 什么是版圖設(shè)計(jì)規(guī)則什么是版圖設(shè)計(jì)規(guī)則？考慮器件在正常工作的條件下，根據(jù)實(shí)際工藝水平(包括光刻特性、刻蝕能力、對準(zhǔn)容差等)和成品率要求，給出的一組同一工藝層及不同工藝層之間幾何尺寸的限制，主要包括線寬、間距、覆蓋、露頭、凹口、面積等規(guī)則，分別給出它們的最小值，以防止掩膜圖形的斷裂、連接和一些不良物理效應(yīng)的出現(xiàn)。

22、87包括：包括：1 1）最小寬度；）最小寬度；2 2）最小間距；）最小間距；3 3）最小包圍；）最小包圍；4 4）最小延伸）最小延伸2022-3-9共85頁88圖解術(shù)語：圖解術(shù)語：1 1）寬度；）寬度；2 2）間距；）間距；3 3）包圍；）包圍；4 4）延伸；）延伸； 5 5）重疊）重疊2022-3-9共85頁892022-3-9共85頁90Diff間距：兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)之間的間距不僅取決于工藝上幾何圖形的分辨率，還取決于所形成的器件的物理參數(shù)。如果兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)靠得太近，在工作時(shí)可能會(huì)連通，產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的電流。poly：取決于工藝上幾何圖形的分辨率。 Al:鋁生長在最不平坦的二氧化硅上， 因此，鋁的寬度和間距都要大些，以免短路或斷鋁。 diff-poly：無關(guān)多晶硅與擴(kuò)散區(qū)不能相互重疊，否則將產(chǎn)生寄生電容或寄生晶體管。91孔的大?。?2diff、poly的包孔：1孔間距：1 92Alpoly 說明：接觸孔的作用說明：接觸孔的作用是將各種類型的半導(dǎo)體與是將各種類型的半導(dǎo)體與金屬引線進(jìn)行連接，這些金屬引線進(jìn)行連接，這些半導(dǎo)體材料包括半導(dǎo)體材料