集成電路制造工藝流程介紹課件

1、集成電路制造工藝流程介紹2022/10/162004年6月1集成電路制造工藝流程介紹2022/10/112004年6月11.無(wú)生產(chǎn)線集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)隨著集成電路發(fā)展的過(guò)程，其發(fā)展的總趨勢(shì)是革新工藝、提高集成度和速度。設(shè)計(jì)工作由有生產(chǎn)線集成電路設(shè)計(jì)到無(wú)生產(chǎn)線集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展過(guò)程。無(wú)生產(chǎn)線（Fabless）集成電路設(shè)計(jì)公司。如美國(guó)有200多家、臺(tái)灣有100多家這樣的設(shè)計(jì)公司。2022/10/16 韓 良2 引言1.無(wú)生產(chǎn)線集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)隨著集成電路發(fā)展的過(guò)程，其發(fā)展的2. 代客戶加工（代工）方式芯片設(shè)計(jì)單位和工藝制造單位的分離，即芯片設(shè)計(jì)單位可以不擁有生產(chǎn)線而存在和發(fā)展，而芯片制造單位致力于工

2、藝實(shí)現(xiàn)，即代客戶加工（簡(jiǎn)稱代工）方式。代工方式已成為集成電路技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要特征。2022/10/16 韓 良3 引言2. 代客戶加工（代工）方式芯片設(shè)計(jì)單位和工藝制造單位的分離3. PDK文件首先，代工單位將經(jīng)過(guò)前期開(kāi)發(fā)確定的一套工藝設(shè)計(jì)文件PDK（Pocess Design Kits)通過(guò)因特網(wǎng)傳送給設(shè)計(jì)單位。PDK文件包括：工藝電路模擬用的器件的SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）參數(shù)，版圖設(shè)計(jì)用的層次定義，設(shè)計(jì)規(guī)則，晶體管、電阻、電容等元件和通孔（VIA）、焊盤等基本結(jié)構(gòu)的版圖，與設(shè)計(jì)工具關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）、參數(shù)提?。‥XT）

3、和版圖電路對(duì)照（LVS）用的文件。2022/10/16 韓 良4 引言3. PDK文件首先，代工單位將經(jīng)過(guò)前期開(kāi)發(fā)確定的一套工藝設(shè)4. 電路設(shè)計(jì)和電路仿真設(shè)計(jì)單位根據(jù)研究項(xiàng)目提出的技術(shù)指標(biāo)，在自己掌握的電路與系統(tǒng)知識(shí)的基礎(chǔ)上，利用PDK提供的工藝數(shù)據(jù)和CAD/EDA工具，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、電路仿真（或稱模擬）和優(yōu)化、版圖設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC、參數(shù)提取和版圖電路圖對(duì)照LVS，最終生成通常稱之為GDS-格式的版圖文件。再通過(guò)因特網(wǎng)傳送到代工單位。2022/10/16 韓 良5 引言4. 電路設(shè)計(jì)和電路仿真設(shè)計(jì)單位根據(jù)研究項(xiàng)目提出的技術(shù)指標(biāo)，5. 掩模與流片代工單位根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的GDS-格式的版

4、圖數(shù)據(jù)，首先制作掩模（Mask），將版圖數(shù)據(jù)定義的圖形固化到鉻板等材料的一套掩模上。一張掩模一方面對(duì)應(yīng)于版圖設(shè)計(jì)中的一層的圖形，另一方面對(duì)應(yīng)于芯片制作中的一道或多道工藝。在一張張掩模的參與下，工藝工程師完成芯片的流水式加工，將版圖數(shù)據(jù)定義的圖形最終有序的固化到芯片上。這一過(guò)程通常簡(jiǎn)稱為“流片”。2022/10/16 韓 良6 引言5. 掩模與流片代工單位根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的GDS-格式的版6. 代工工藝 代工（Foundry）廠家很多，如：無(wú)錫上華（0.6/0.5 mCOS和4 mBiCMOS工藝)上海先進(jìn)半導(dǎo)體公司(1 mCOS工藝)首鋼NEC(1.2/0.18 mCOS工藝)上海華虹NEC(

5、0.35 mCOS工藝)上海中芯國(guó)際(8英寸晶圓0.25/0.18 mCOS工藝)2022/10/16 韓 良7 引言6. 代工工藝 代工（Foundry）廠家很多，如：2022022/10/16 韓 良 代工（Foundry）廠家很多，如：宏力 8英寸晶圓0.25/0.18 mCMOS工藝華虹 NEC 8英寸晶圓0.25mCMOS工藝臺(tái)積電(TSMC) 在松江籌建 8英寸晶圓0.18 mCMOS工藝聯(lián)華(UMC) 在蘇州籌建 8英寸晶圓0.18 mCMOS工藝等等。6. 代工工藝8 引言2022/10/11 韓7.境外代工廠家一覽表2022/10/16 韓 良97.境外代工廠家一覽表2022

6、/10/11 8. 芯片工程與多項(xiàng)目晶圓計(jì)劃F&F(Fabless and Foundry)模式工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)組織無(wú)生產(chǎn)線IC設(shè)計(jì)的芯片計(jì)劃來(lái)促進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)的專業(yè)發(fā)展、人才培養(yǎng)、技術(shù)研究和中小企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，而取得成效。這種芯片工程通常由大學(xué)或研究所作為龍頭單位負(fù)責(zé)人員培訓(xùn)、技術(shù)指導(dǎo)、版圖匯總、組織芯片的工藝實(shí)現(xiàn)，性能測(cè)試和封裝。大學(xué)教師、研究生、研究機(jī)構(gòu)、中小企業(yè)作為工程受益群體，自愿參加，并付一定費(fèi)用。2022/10/16 韓 良10 引言8. 芯片工程與多項(xiàng)目晶圓計(jì)劃F&F(Fabless and2022/10/16 韓 良8. 芯片工程與多項(xiàng)目晶圓計(jì)劃11Relation of F&

7、F(無(wú)生產(chǎn)線與代工的關(guān)系)2022/10/11 韓8. 芯片工程與多項(xiàng)目晶圓計(jì)劃多項(xiàng)目晶圓MPW（multi-project wafer)技術(shù)服務(wù)是一種國(guó)際科研和大學(xué)計(jì)劃的流行方式。MPW技術(shù)把幾到幾十種工藝上兼容的芯片拼裝到一個(gè)宏芯片（Macro-Chip）上然后以步進(jìn)的方式排列到一到多個(gè)晶圓上，制版和硅片加工費(fèi)用由幾十種芯片分擔(dān)，極大地降低芯片研制成本，在一個(gè)晶圓上可以通過(guò)變換版圖數(shù)據(jù)交替布置多種宏芯片。2022/10/16 韓 良12 引言8. 芯片工程與多項(xiàng)目晶圓計(jì)劃多項(xiàng)目晶圓MPW（multi-代工單位與其他單位關(guān)系圖2022/10/16 韓 良13代工單位與其他單位關(guān)系圖2022/

8、10/11 2022/10/16 韓 良14集成電路制造工藝分類1. 雙極型工藝（bipolar）2. MOS工藝3. BiMOS工藝2022/10/11 韓1-1 雙極集成電路典型的PN結(jié)隔離工藝2022/10/16 韓 良151-1 雙極集成電路典型的PN結(jié)隔離工藝2022/10/ 思考題2022/10/16 韓 良161.需要幾塊光刻掩膜版(mask)?2.每塊掩膜版的作用是什么？3.器件之間是如何隔離的？4.器件的電極是如何引出的？5.埋層的作用？ 思考題202 雙極集成電路的基本制造工藝，可以粗略的分為兩類：一類為在元器件間要做隔離區(qū)。隔離的方法有多種，如PN結(jié)隔離，全介質(zhì)隔離及PN

9、結(jié)-介質(zhì)混合隔離等。另一類為器件間的自然隔離。2022/10/16 韓 良17 典型PN結(jié)隔離工藝是實(shí)現(xiàn)集成電路制造的最原始工藝，迄今為止產(chǎn)生的各種雙極型集成電路制造工藝都是在此工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。 雙極集成電路的基本制造工藝，可以粗略的分為1.1.1典型PN結(jié)隔離工藝流程2022/10/16 韓 良埋層光刻襯底準(zhǔn)備氧化埋層擴(kuò)散生長(zhǎng)外延隔離光刻基區(qū)光刻基區(qū)擴(kuò)散、再分布（氧化）隔離擴(kuò)散、推進(jìn)(氧化)發(fā)射區(qū)光刻發(fā)射區(qū)擴(kuò)散、氧化引線孔光刻淀積金屬光刻壓焊點(diǎn)氧化合金化及后工序反刻金屬淀積鈍化層1.1.1典型PN結(jié)隔離工藝流程2022/10/11 1.1.1 工藝流程2022/10/16 韓 良19P

10、-Sub襯底準(zhǔn)備（P型）光刻n+埋層區(qū)氧化n+埋層區(qū)注入清潔表面1.1.1 工藝流程2022/10/11 1.1.1 工藝流程（續(xù)1）2022/10/16 韓 良20P-Sub生長(zhǎng)n-外延隔離氧化光刻p+隔離區(qū)p+隔離注入p+隔離推進(jìn)N+N+N-N-1.1.1 工藝流程（續(xù)1）2022/10/11 1.1.1 工藝流程（續(xù)2）2022/10/16 韓 良21光刻硼擴(kuò)散區(qū)P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼擴(kuò)散氧化1.1.1 工藝流程（續(xù)2）2022/10/11 1.1.1 工藝流程（續(xù)3）2022/10/16 韓 良22光刻磷擴(kuò)散區(qū)磷擴(kuò)散氧化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP1.1

11、.1 工藝流程（續(xù)3）2022/10/11 1.1.1 工藝流程（續(xù)4）2022/10/16 韓 良23光刻引線孔清潔表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP1.1.1 工藝流程（續(xù)4）2022/10/11 1.1.1 工藝流程（續(xù)5）2022/10/16 韓 良24蒸鍍金屬反刻金屬P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP1.1.1 工藝流程（續(xù)5）2022/10/11 1.1.1 工藝流程（續(xù)6）2022/10/16 韓 良25鈍化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP光刻鈍化窗口后工序1.1.1 工藝流程（續(xù)6）2022/10/11 1.1.2 光刻掩膜版匯總2022/10/1

12、6 韓 良26埋層區(qū)隔離墻硼擴(kuò)區(qū)磷擴(kuò)區(qū)引線孔金屬連線鈍化窗口GND Vi Vo VDDTR1.1.2 光刻掩膜版匯總2022/10/11 1.1.3 外延層電極的引出2022/10/16 韓 良27歐姆接觸電極：金屬與參雜濃度較低的外延層相接觸易形成整流接觸（金半接觸勢(shì)壘二極管）。因此，外延層電極引出處應(yīng)增加濃擴(kuò)散。BP-SubSiO2光刻膠N+埋層N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+鈍化層N+CECEBB1.1.3 外延層電極的引出2022/10/11 1.1.4 埋層的作用2022/10/16 韓 良281.減小串聯(lián)電阻（集成電路中的各個(gè)電極均從上表面引出，外延層電阻率

13、較大且路徑較長(zhǎng)。BP-SubSiO2光刻膠N+埋層N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+鈍化層N+CECEBB2.減小寄生pnp晶體管的影響（第二章介紹）1.1.4 埋層的作用2022/10/11 1.1.5 隔離的實(shí)現(xiàn)2022/10/16 韓 良291.P+隔離擴(kuò)散要擴(kuò)穿外延層，與p型襯底連通。因此，將n型外延層分割成若干個(gè)“島” 。2. P+隔離接電路最低電位，使“島” 與“島” 之間形成兩個(gè)背靠背的反偏二極管。N+N+N-epiPN-epiPP-Sub(GND)P-Sub(GND)P-Sub(GND)BP-SubSiO2光刻膠N+埋層N-epiSiO2P+P+P+SiO

14、2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB鈍化層1.1.5 隔離的實(shí)現(xiàn)2022/10/11 1.1.6 練習(xí)2022/10/16 韓 良30 1 描述PN結(jié)隔離雙極工藝的流程及光刻掩膜版的作用； 2 說(shuō)明埋層的作用。1.1.6 練習(xí)2022/10/11 1.2 N阱硅柵CMOS集成電路制造工藝2022/10/16 韓 良311.2 N阱硅柵CMOS集成電路制造工藝2022/10/1 思考題2022/10/16 韓 良321.需要幾塊光刻掩膜版？各自的作用是什么？2.什么是局部氧化（LOCOS ) ？ （Local Oxidation of Silicon) 3.什么是硅柵自對(duì)準(zhǔn)(Self A

15、ligned )？4. N阱的作用是什么？5. NMOS和PMOS的源漏如何形成的？ 2022/10/16 韓 良332022/10/11 韓2022/10/16 韓 良342022/10/11 韓1.2.1 N阱硅柵CMOS工藝主要流程 （ 參考P阱硅柵CMOS工藝流程）2022/10/16 韓 良場(chǎng)區(qū)光刻襯底準(zhǔn)備生長(zhǎng)SiO2和Si3N4N阱光刻、注入、推進(jìn)生長(zhǎng)SiO2和Si3N4N管場(chǎng)區(qū)光刻、注入閾值電壓調(diào)整區(qū)光刻、注入清潔有源區(qū)表面、長(zhǎng)柵氧場(chǎng)區(qū)氧化(局部氧化)多晶淀積、參雜、光刻N(yùn)管LDD光刻、注入P+有源區(qū)光刻、注入P管LDD光刻、注入N+有源區(qū)光刻、注入BPSG淀積接觸孔光刻N(yùn)+接觸

16、孔光刻、注入淀積金屬1、反刻淀積絕緣介質(zhì)通孔孔光刻淀積金屬2、反刻淀積鈍化層、光刻側(cè)墻氧化物淀積、側(cè)墻腐蝕1.2.1 N阱硅柵CMOS工藝主要流程 （ 參考1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程1.襯底準(zhǔn)備2022/10/16 韓 良36P+/P外延片P型單晶片1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程1.襯底準(zhǔn)備2022022/10/16 韓 良37P-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程2. 氧化、光刻N(yùn)-阱(nwell)2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良38N阱P-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程3. N-阱注入，N-阱推進(jìn),退火，清潔表面202

17、2/10/11 韓2022/10/16 韓 良39P-SubN阱1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程4.長(zhǎng)薄氧、長(zhǎng)氮化硅、光刻場(chǎng)區(qū)(active反版)2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良40P-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程5.場(chǎng)區(qū)氧化（LOCOS）, 清潔表面 (場(chǎng)區(qū)氧化前可做N管場(chǎng)區(qū)注入和P管場(chǎng)區(qū)注入）2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良41P-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程6. 柵氧化,淀積多晶硅，反刻多晶 （polysiliconpoly)2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良42P-SubP-SubP-

18、Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程7. P+ active注入（Pplus）（ 硅柵自對(duì)準(zhǔn)）2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良43P-SubP-SubP-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程8. N+ active注入（Nplus Pplus反版） （ 硅柵自對(duì)準(zhǔn)）2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良44P-SubP-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程9. 淀積BPSG，光刻接觸孔(contact)，回流2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良45P-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程10. 蒸鍍金屬1

19、，反刻金屬1（metal1)2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良46P-SubP-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程11. 絕緣介質(zhì)淀積，平整化，光刻通孔(via)2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良47P-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程12. 蒸鍍金屬2，反刻金屬2（metal2)2022/10/11 韓2022/10/16 韓 良48P-Sub1.2.2 N阱硅柵CMOS工藝主要流程13. 鈍化層淀積，平整化，光刻鈍化窗孔(pad)2022/10/11 韓1.2.3 N阱硅柵CMOS工藝 光刻掩膜版匯總簡(jiǎn)圖2022/10/16 韓

20、 良49N阱有源區(qū)多晶PplusNplus接觸孔金屬1通孔金屬2PAD1.2.3 N阱硅柵CMOS工藝 光刻掩1.2.4 局部氧化的作用2022/10/16 韓 良502. 減緩表面臺(tái)階3. 減小表面漏電流P-SubN-阱1. 提高場(chǎng)區(qū)閾值電壓1.2.4 局部氧化的作用2022/10/11 1.2.5 硅柵自對(duì)準(zhǔn)的作用2022/10/16 韓 良51 在硅柵形成后，利用硅柵的遮蔽作用來(lái)形成MOS管的溝道區(qū)，使MOS管的溝道尺寸更精確，寄生電容更小。P-SubN-阱1.2.5 硅柵自對(duì)準(zhǔn)的作用2022/10/11 1.2.6 MOS管襯底電極的引出2022/10/16 韓 良52 NMOS管和P

21、MOS管的襯底電極都從上表面引出，由于P-Sub和N阱的參雜濃度都較低，為了避免整流接觸，電極引出處必須有濃參雜區(qū)。P-SubN-阱1.2.6 MOS管襯底電極的引出2022/10/11 1.2.7 LDD注入 2022/10/16 韓 良 在P+（N+）有源區(qū)注入前可以進(jìn)行LDD注入，以便減小短溝道效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)。 用Pplus版光刻后進(jìn)行PMOS管LDD注入， 用Nplus版光刻后進(jìn)行NMOS管LDD注入， 都是以光刻膠膜作為注入遮蔽膜。 LDD注入之后，先制作側(cè)墻，然后再進(jìn)行P+（N+）有源區(qū)光刻、注入。 1.2.7 LDD注入 2022/10/11 1.2.8 接觸孔摻雜 2022

22、/10/16 韓 良 為了改善有源區(qū)接觸孔特性，在光刻接觸孔之后、回流之前， 用Nplus 版光刻，對(duì)接觸孔進(jìn)行N+注入 用Pplus 版光刻，對(duì)接觸孔進(jìn)行P+注入1.2.8 接觸孔摻雜 2022/10/11 1.2.9 其它MOS工藝簡(jiǎn)介2022/10/16 韓 良雙層多晶：易做多晶電容、多晶電阻、疊柵MOS器件，適合CMOS數(shù)/?；旌想娐?、EEPROM等多層金屬：便于布線，連線短，連線占面積小，適合大規(guī)模、高速CMOS電路P阱CMOS工藝雙阱CMOS工藝E/D NMOS工藝1.2.9 其它MOS工藝簡(jiǎn)介2022/10/11 1.2.10 練習(xí)2022/10/16 韓 良561.闡述N阱硅柵CMOS集成電路制造工藝的主要流程，說(shuō)明流程中需要哪些光刻掩膜版及其作用。2. 何為硅柵自對(duì)準(zhǔn)？1.2.10 練習(xí)2022/10/11 1.3其它集成電路制造工藝簡(jiǎn)介2022/10/16 韓 良571.3其它集成電路制造工藝簡(jiǎn)介2022/1