集成電路制造工藝

集成電路設(shè)計(jì)原理1微電子器件原理半導(dǎo)體物理與器件微電子工藝基礎(chǔ)集成電路微波器件MEMS傳感器光電器件課程地位和知識(shí)應(yīng)用領(lǐng)域固體物理半導(dǎo)體物理2

集成電路就是把許多分立組件制作在同一個(gè)半導(dǎo)體芯片上所形成的電路。

早在1952年，英國(guó)的杜默(GeoffreyW.A.Dummer)就提出集成電路的構(gòu)想。

1958年9月12日，德州儀器公司(TexasInstruments)的基爾比(JackKilby，1923~)，細(xì)心地切了一塊鍺作為電阻，再用一塊pn結(jié)面做為電容，制造出一個(gè)震蕩器的電路，并在1964年獲得專(zhuān)利，首度證明了可以在同一塊半導(dǎo)體芯片上能包含不同的組件。

1964年，快捷半導(dǎo)體(FairchildSemiconductor)的諾宜斯(RobertNoyce，1927~1990)，則使用平面工藝方法，即借著蒸鍍金屬、微影、蝕刻等方式，解決了集成電路中，不同組件間導(dǎo)線連結(jié)的問(wèn)題。集成電路的發(fā)展3在1970年代，決定半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展方向的，有兩個(gè)最重要的因素，那就是微處理器

(microprocessor)與半導(dǎo)體內(nèi)存

(semiconductormemory)

。在微處理器方面：1968年，諾宜斯和摩爾成立了英特爾(Intel)公司，不久，葛洛夫(AndrewGrove)也加入了。1969年，一個(gè)日本計(jì)算器公司比吉康(Busicom)和英特爾接觸，希望英特爾生產(chǎn)一系列計(jì)算器芯片，但當(dāng)時(shí)任職于英特爾的霍夫(MacianE.Hoff)卻設(shè)計(jì)出一個(gè)單一可程序化芯片，

41971年11月15日，世界上第一個(gè)微處理器4004誕生了，它包括一個(gè)四位的平行加法器、十六個(gè)四位的緩存器、一個(gè)儲(chǔ)存器(accumulator)與一個(gè)下推堆棧(push-downstack)，共計(jì)約二千三百個(gè)晶體管；4004與其它只讀存儲(chǔ)器、移位緩存器與隨機(jī)取內(nèi)存，結(jié)合成MCS-4微電腦系統(tǒng)；從此之后，各種集成度更高、功能更強(qiáng)的微處理器開(kāi)始快速發(fā)展，對(duì)電子業(yè)產(chǎn)生巨大影響。三十年后，英特爾的PentiumIII已經(jīng)包含了一千萬(wàn)個(gè)以上的晶體管。

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在內(nèi)存芯片方面：

1965年，快捷公司的施密特(J.D.Schmidt)使用金氧半技術(shù)做成實(shí)驗(yàn)性的隨機(jī)存取內(nèi)存。1969年，英特爾公司推出第一個(gè)商業(yè)性產(chǎn)品，這是一

使用硅柵極、p型溝道的256位隨機(jī)存取內(nèi)存。

發(fā)展過(guò)程中最重要的一步，就是1969年，IBM的迪納(R.H.Dennard)發(fā)明了只需一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器，就可以儲(chǔ)存一個(gè)位的記憶單元；由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密度又高，現(xiàn)今半導(dǎo)體制程的發(fā)展水平常以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存的容量為標(biāo)志。6

大致而言，1970年有1K的產(chǎn)品；1974年進(jìn)步到4K(柵極線寬10微米)；1976年16K（5微米）；1979年64K(3微米)；1983年256K（1.5微米）；1986年1M（1.2微米）；1989年4M(0.8微米)；1992年16M(0.5微米)；1995年64M(0.3微米)；1998年到256M(0.2微米)，大約每三年進(jìn)步一個(gè)世代，2001年就邁入千兆位大關(guān)。7

60年代發(fā)展出來(lái)的平面工藝，可以把越來(lái)越多的金氧半組件放在一塊硅芯片上，從1960年的不到十個(gè)組件，倍數(shù)成長(zhǎng)到1980年的十萬(wàn)個(gè)，以及1990年約一千萬(wàn)個(gè)，這個(gè)微芯片上集成的晶體管數(shù)目每?jī)赡攴环默F(xiàn)象稱(chēng)為摩爾定律(Moore’slaw)，是Intel創(chuàng)始人摩爾(GordonMoore)在1964年的一次演講中提出的，后來(lái)竟成了事實(shí)。

今天，在一個(gè)幾百平方毫米面積的芯片上，集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)超過(guò)10億。

8中國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(CSIA)發(fā)布了2005年度

中國(guó)十大IC設(shè)計(jì)公司排名。

珠海炬力以12.575億元人民幣年銷(xiāo)售額勇奪桂冠。它是MP3播放器芯片的主要供貨廠商。中星微電子，2005年銷(xiāo)售額為7.678億元人民幣。它的主要產(chǎn)品是“星光系列”多媒體處理芯片，中星微電子最初提供PC用的攝像頭芯片。后來(lái)瞄準(zhǔn)了手機(jī)用多媒體處理芯片市場(chǎng)，并成功地打開(kāi)了歐美市場(chǎng)。排名第三到第十的分別是華大、士蘭、大唐、上海華虹、杭州友旺、紹興芯谷、北京清華同方和無(wú)錫華潤(rùn)。2005年中國(guó)前十大IC設(shè)計(jì)公司的銷(xiāo)售額已經(jīng)達(dá)到51.63億元人民幣，根據(jù)CCID的預(yù)測(cè)，2005年中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模約131億元人民幣，前十大IC設(shè)計(jì)公司的份額已經(jīng)40%。9如NEC公司用0.15mCMOS工藝生產(chǎn)的4GBDRAM,芯片中含44億個(gè)晶體管，芯片面積985.6mm2。

英特爾公司用0.25m工藝生產(chǎn)的333MHz的奔騰Ⅱ處理器，在一個(gè)芯片中集成了750萬(wàn)個(gè)晶體管。

集成電路之所以能迅速發(fā)展，完全由于巨大的經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相投資。我國(guó)在“九五”期間投資100個(gè)億組建了集成電路“909”專(zhuān)項(xiàng)工程。2002年推出首款可商業(yè)化、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、通用高性能的CPU-龍芯1號(hào)，它采用0.18m工藝生產(chǎn)，主頻最高達(dá)266MHz。

今年研制的龍芯2號(hào)通過(guò)使用SPECCPU2000對(duì)龍芯2號(hào)的性能分析表明，相同主頻下龍芯2號(hào)的性能已經(jīng)明顯超過(guò)PII的性能，是龍芯1號(hào)的3-5倍

10預(yù)見(jiàn)根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體科技進(jìn)程(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductor)的推估，公元2014年，最小線寬可達(dá)0.035微米，內(nèi)存容量更高達(dá)兩億五千六兆位，盡管新工藝、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)越來(lái)越困難，但相信半導(dǎo)體業(yè)在未來(lái)十五年內(nèi)，仍會(huì)迅速的發(fā)展下去。112006年度中國(guó)集成電路與分立器件制造前十大企業(yè)是：

中芯國(guó)際集成電路制造有限公司

上海華虹(集團(tuán))有限公司

華潤(rùn)微電子(控股)有限公司

無(wú)錫海力士意法半導(dǎo)體有限公司

和艦科技(蘇州)有限公司

首鋼日電電子有限公司

上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造有限公司

臺(tái)積電(上海)有限公司

上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司

吉林華微電子股份有限公司122006年度中國(guó)集成電路封裝測(cè)試前十大企業(yè)是：

飛思卡爾半導(dǎo)體(中國(guó))有限公司

奇夢(mèng)達(dá)科技(蘇州)有限公司

威訊聯(lián)合半導(dǎo)體(北京)有限公司

深圳賽意法半導(dǎo)體有限公司

江蘇新潮科技集團(tuán)有限公司

上海松下半導(dǎo)體有限公司

英特爾產(chǎn)品(上海)有限公司

南通富士通微電子有限公司

星科金朋(上海)有限公司

樂(lè)山無(wú)線電股份有限公司132006年度中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)前十大企業(yè)是：

炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司

中國(guó)華大集成電路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司(包含北京中電華大電子設(shè)計(jì)公司等)

北京中星微電子有限公司

大唐微電子技術(shù)有限公司

深圳海思半導(dǎo)體有限公司

無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司

杭州士蘭微電子股份有限公司

上海華虹集成電路有限公司

北京清華同方微電子有限公司

展訊通信(上海)有限公司14第一章集成電路制造工藝

集成電路（IntegratedCircuit）制造工藝是集成電路實(shí)現(xiàn)的手段，也是集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。15集成電路制造工藝分類(lèi)1.雙極型工藝（bipolar）2.MOS工藝3.BiMOS工藝16§1-1

雙極型集成電路工藝

(典型的PN結(jié)隔離工藝)

(P1~5)17

思考題1.與分立器件工藝有什么不同？2.需要幾塊光刻掩膜版(mask)?3.每塊掩膜版的作用是什么？4.器件之間是如何隔離的？5.器件的電極是如何引出的？181.1.1工藝流程P-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19P-Sub1.1.1工藝流程（續(xù)1）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-201.1.1工藝流程（續(xù)2）光刻硼擴(kuò)散區(qū)P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼擴(kuò)散氧化211.1.1工藝流程（續(xù)3）光刻磷擴(kuò)散區(qū)磷擴(kuò)散氧化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP221.1.1工藝流程（續(xù)4）光刻引線孔清潔表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP231.1.1工藝流程（續(xù)5）蒸鍍金屬反刻金屬P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP241.1.1工藝流程（續(xù)6）鈍化P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP光刻鈍化窗口后工序251.1.2光刻掩膜版匯總埋層區(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GNDViVoVDDTR261.1.3外延層電極的引出歐姆接觸電極：金屬與摻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+CECEBB271.1.4埋層的作用1.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）281.1.5隔離的實(shí)現(xiàn)1.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+SiO2N–-epiPPN+N+N+N+CECEBB鈍化層291.1.6其它雙極型集成電路工藝簡(jiǎn)介對(duì)通隔離：減小隔離所占面積泡發(fā)射區(qū)：減小發(fā)射區(qū)面積磷穿透擴(kuò)散：減小串聯(lián)電阻離子注入：精確控制參雜濃度和結(jié)深介質(zhì)隔離：減小漏電流光刻膠BP-SubN+埋層SiO2P+P+P+PPN+N+N+N+CECEBB301.1.7習(xí)題P14:1.1工藝流程及光刻掩膜版的作用

1.3（1）①②

識(shí)版圖

1.5集成度與工藝水平的關(guān)系

1.6工作電壓與材料的關(guān)系31§1.2

MOS集成電路工藝（N阱硅柵CMOS工藝）

(P9~11)

參考P阱硅柵CMOS工藝32

思考題1.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)？

（LocalOxidationofSilicon)

3.什么是硅柵自對(duì)準(zhǔn)(SelfAligned)？4.N阱的作用是什么？5.NMOS和PMOS的源漏如何形成的？6.襯底電極如何向外引接？331.2.1主要工藝流程

1.襯底準(zhǔn)備P+/P外延片P型單晶片34P-Sub1.2.1主要工藝流程

2.氧化、光刻N(yùn)-阱(nwell)351.2.1主要工藝流程

3.N-阱注入，N-阱推進(jìn),退火，清潔表面N阱P-Sub36P-SubN阱1.2.1主要工藝流程

4.長(zhǎng)薄氧、長(zhǎng)氮化硅、光刻場(chǎng)區(qū)(active反版)37P-Sub1.2.1主要工藝流程

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）38P-Sub1.2.1主要工藝流程

6.柵氧化,淀積多晶硅，多晶硅N+摻雜，反刻多晶（polysilicon—poly)391.2.1主要工藝流程

7.P+active注入（Pplus）（

硅柵自對(duì)準(zhǔn)）P-SubP-SubP-Sub401.2.1主要工藝流程

8.

N+active注入（Nplus—Pplus反版）

（

硅柵自對(duì)準(zhǔn)）P-SubP-SubP-Sub411.2.1主要工藝流程

9.淀積BPSG，光刻接觸孔(contact)，回流P-SubP-Sub421.2.1主要工藝流程

10.蒸鍍金屬1，反刻金屬1（metal1)P-Sub431.2.1主要工藝流程

11.絕緣介質(zhì)淀積，平整化，光刻通孔(via)P-SubP-Sub441.2.1主要工藝流程

12.蒸鍍金屬2，反刻金屬2（metal2)P-Sub451.2.1主要工藝流程

13.鈍化層淀積，平整化，光刻鈍化窗孔(pad)P-Sub461.2.2光刻掩膜版簡(jiǎn)圖匯總N阱有源區(qū)多晶PplusNplus引線孔金屬1通孔金屬2鈍化471.2.3局部氧化的作用2.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481.2.4硅柵自對(duì)準(zhǔn)的作用在硅柵形成后，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