集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》山東大學(xué)信息學(xué)院劉志軍2/4/20231《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》上次課內(nèi)容第3章集成電路工藝簡介3.1引言

3.2外延生長工藝3.3掩模的制版工藝

3.4光刻工藝3.5摻雜工藝3.6絕緣層形成工藝3.7金屬層形成工藝2/4/20232《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》本次課內(nèi)容第4章集成電路特定工藝4.1引言

4.2雙極型集成電路的基本制造工藝

4.3MESFET工藝與HEMT工藝4.4CMOS集成電路的基本制造工藝

4.5BiCMOS集成電路的基本制造工藝2/4/20233《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》所謂特定工藝，常常是指以一種材料為襯底、一種或幾種類型的晶體管為主要的有源器件；輔以一定類型的無源器件；以特定的簡單電路為基本單元；形成應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域中各種電路和系統(tǒng)的工藝。4.1引言2/4/20234《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》特定工藝這些特定工藝包括：硅基的雙極型工藝、CMOS、BiCMOS、鍺硅HBT工藝和BiCMOS工藝，SOI材料的CMOS工藝，GaAs基/InP基的MESFET工藝、HEMT工藝和HBT工藝等。目前應(yīng)用最廣泛的特定工藝是CMOS工藝。在CMOS工藝中，又可細(xì)分為DRAM工藝、邏輯工藝、模擬數(shù)字混合集成工藝，RFIC工藝等。2/4/20235《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》4.2雙極型集成電路的基本制造工藝

在雙極型集成電路的基本制造工藝中，要不斷地進(jìn)行光刻、擴(kuò)散、氧化的工作。典型的PN結(jié)隔離的摻金TTL電路工藝流程圖如下圖所示。2/4/20236《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》典型PN結(jié)隔離摻金TTL電路工藝流程圖2/4/20237《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路基本制造工藝步驟（1）襯底選擇

對于典型的PN結(jié)隔離雙極集成電路，襯底一般選用P型硅。芯片剖面如圖。2/4/20238《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路基本制造工藝步驟（2）第一次光刻——N+隱埋層擴(kuò)散孔光刻

一般來講，由于雙極型集成電路中各元器件均從上表面實(shí)現(xiàn)互連，所以為了減少寄生的集電極串聯(lián)電阻效應(yīng)，在制作元器件的外延層和襯底之間需要作N+隱埋層。2/4/20239《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第一次光刻——N+隱埋層擴(kuò)散孔光刻

從上表面引出第一次光刻的掩模版圖形及隱埋層擴(kuò)散后的芯片剖面見圖。2/4/202310《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路基本制造工藝步驟（3）外延層淀積

外延層淀積時(shí)應(yīng)該考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有：外延層電阻率ρepi和外延層厚度Tepi。外延層淀積后的芯片剖面如圖。

2/4/202311《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路基本制造工藝步驟（4）第二次光刻——P+隔離擴(kuò)散孔光刻

隔離擴(kuò)散的目的是在硅襯底上形成許多孤立的外延層島，以實(shí)現(xiàn)各元件間的電隔離。目前最常用的隔離方法是反偏PN結(jié)隔離。一般P型襯底接最負(fù)電位，以使隔離結(jié)處于反偏，達(dá)到各島間電隔離的目的。2/4/202312《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第二次光刻——P+隔離擴(kuò)散孔光刻

隔離擴(kuò)散孔的掩模版圖形及隔離擴(kuò)散后的芯片剖面圖如圖所示。2/4/202313《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路的基本制造工藝步驟（5）第三次光刻——P型基區(qū)擴(kuò)散孔光刻

基區(qū)擴(kuò)散孔的掩模版圖形及基區(qū)擴(kuò)散后的芯片剖面圖如圖所示。

2/4/202314《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路的基本制造工藝步驟（6）第四次光刻——N+發(fā)射區(qū)擴(kuò)散孔光刻此次光刻還包括集電極、N型電阻的接觸孔和外延層的反偏孔。2/4/202315《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第四次光刻——N+發(fā)射區(qū)擴(kuò)散孔光刻

N+發(fā)射區(qū)擴(kuò)散孔的掩模圖形及N+發(fā)射區(qū)擴(kuò)散后的芯片剖面圖如圖所示。

2/4/202316《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路的基本制造工藝步驟（7）第五次光刻——引線接觸孔光刻

此次光刻的掩模版圖形如圖所示。

2/4/202317《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙極型集成電路的基本制造工藝步驟（8）第六次光刻——金屬化內(nèi)連線光刻

反刻鋁形成金屬化內(nèi)連線后的芯片復(fù)合圖及剖面圖如圖。

2/4/202318《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》4.3MESFET工藝與HEMT工藝MESFET是第一代GaAs晶體管類型和工藝標(biāo)識(shí)，是GaAs單片集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在是GaAsVLSI的主導(dǎo)工藝。HEMT工藝是最先進(jìn)的GaAs集成電路工藝。MESFET和HEMT兩者的工作原理和工藝制造基礎(chǔ)基本相同。2/4/202319《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》MESFET工藝下圖將示出GaAsMESFET的基本結(jié)構(gòu)。在半絕緣(Semi-isolating，s.i.)GaAs襯底上的N型GaAs薄層為有源層。這一層可以采用液相外延(LPE)、汽相外延(VPE)或分子束外延(MBE)三種外延方法沉積形成，也可以通過離子注入形成。

2/4/202320《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》MESFET工藝2/4/202321《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》MESFET工藝

（1）有源層上面兩側(cè)的金屬層通常是金鍺合金,通過沉積形成,與有源層形成源極和漏極的歐姆接觸。這兩個(gè)接觸區(qū)之間的區(qū)域定義出有源器件,即MESFET的電流溝道。MESFET通常具有對稱的源漏結(jié)構(gòu)。溝道中間區(qū)域上的金屬層通常是金或合金,與有源層形成柵極的肖特基接觸。2/4/202322《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》MESFET工藝（2）由于肖特基勢壘的耗盡區(qū)延伸進(jìn)入有源層，使得溝道的厚度變薄。根據(jù)零偏壓情況下溝道夾斷的狀況，可形成兩種類型的MESFET：增強(qiáng)型和耗盡型。對于增強(qiáng)型MESFET，由于內(nèi)在電勢形成的耗盡區(qū)延伸到有源區(qū)的下邊界，溝道在零偏壓情況下是斷開的。而耗盡型MESFET的耗盡區(qū)只延伸到有源區(qū)的某一深度，溝道為在零偏壓情況下是開啟的。2/4/202323《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》MESFET工藝（3）在柵極加電壓，內(nèi)部的電勢就會(huì)被增強(qiáng)或減弱，從而使溝道的深度和流通的電流得到控制。作為控制端的柵極對MESFET的性能起著重要的作用。由于控制主要作用于柵極下面的區(qū)域，所以，柵長即柵極金屬層從源極到漏極方向上的尺寸，是MESFET技術(shù)的重要參數(shù)。常規(guī)情況下，柵長越短，器件速度越快。柵長為0.2m的MESFET的截止頻率約為50GHz。迄今為止，柵長已減小到100nm的尺度。2/4/202324《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》MESFET工藝的效果與HEMT工藝相比，相對簡單和成熟的MESFET工藝使得光通信中高速低功率VLSI的實(shí)現(xiàn)成為可能。2/4/202325《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》高電子遷移率晶體管（HEMT）在N型摻雜的GaAs層中，電子漂移速度主要受限于電子與施主的碰撞。要減小碰撞機(jī)會(huì)應(yīng)減小摻雜濃度（最好沒有摻雜），但同時(shí)希望在晶體結(jié)構(gòu)中存在大量可高速遷移的電子，這就是高電子遷移率晶體管（HEMT）的原創(chuàng)思路。由于在晶體結(jié)構(gòu)中存在大量可高速遷移電子，HEMT早期也被稱為二維電子氣場效應(yīng)管（TEGFET）。2/4/202326《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》HEMT工藝HEMT也屬于FET的一種，它有與MESFET相似的結(jié)構(gòu)。HEMT與MESFET之間的主要區(qū)別在于有源層。2/4/202327《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》簡單的HEMT的層結(jié)構(gòu)

2/4/202328《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》HEMT工藝一種簡單的HEMT有如上圖所示的結(jié)構(gòu)。在s.i.GaAs襯底上，一層薄的沒有摻雜的GaAs層被一層?。?0-100nm）N摻雜的AlGaAs層覆蓋，然后在其上面，再形成肖特基柵極、源極與漏極歐姆接觸。由于AlGaAs（1.74eV）和GaAs（1.43eV）的禁帶不同，在AlGaAs層的電子將會(huì)進(jìn)入沒摻雜的GaAs層，并留在AlGaAs/GaAs相結(jié)處附近，以致形成二維的電子氣（2DEG）。2/4/202329《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》HEMT工藝根據(jù)圖結(jié)構(gòu)HEMT柵極下AlGaAs層的厚度與摻雜濃度，其類型可為增強(qiáng)型或耗盡型，即自然斷開和自然開啟。對器件的測量表明，相對于摻雜的MESFET層，它有更強(qiáng)的電子移動(dòng)能力。2/4/202330《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》HEMT的性能和發(fā)展由于HEMT的優(yōu)秀性能，這類器件近十年有了廣泛的發(fā)展。它在許多方面取得進(jìn)展，如減小柵長，優(yōu)化水平和垂直結(jié)構(gòu)，改善2DEG限制結(jié)構(gòu)及原料系統(tǒng)。HEMT傳輸?shù)念l率fT隨柵長減小而增加，柵長越短則GaAs場效應(yīng)管速度越快，至今先進(jìn)HEMT工藝的柵長小于0.2m，實(shí)驗(yàn)室水平小于0.1m，但同時(shí)要考慮光刻分辨率以及減小柵長帶來的柵極電阻增大的問題。柵長小于0.3m可考慮采用蘑菇型即T型柵極。2/4/202331《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》4.4CMOS集成電路的基本制造工藝

CMOS工藝技術(shù)是當(dāng)代VLSI工藝的主流工藝技術(shù)，它是在PMOS與NMOS工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其特點(diǎn)是將NMOS器件與PMOS器件同時(shí)制作在同一硅襯底上。

CMOS工藝技術(shù)一般可分為三類，即P阱CMOS工藝N阱CMOS工藝雙阱CMOS工藝2/4/202332《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》P阱CMOS工藝

P阱CMOS工藝以N型單晶硅為襯底，在其上制作P阱。NMOS管做在P阱內(nèi)，PMOS管做在N型襯底上。P阱工藝包括用離子注入或擴(kuò)散的方法在N型襯底中摻進(jìn)濃度足以中和N型襯底并使其呈P型特性的P型雜質(zhì)，以保證P溝道器件的正常特性。2/4/202333《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》P阱CMOS工藝P阱雜質(zhì)濃度的典型值要比N型襯底中的高5~10倍才能保證器件性能。然而P阱的過度摻雜會(huì)對N溝道晶體管產(chǎn)生有害的影響，如提高了背柵偏置的靈敏度，增加了源極和漏極對P阱的電容等。2/4/202334《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》P阱CMOS工藝

電連接時(shí)，P阱接最負(fù)電位，N襯底接最正電位，通過反向偏置的PN結(jié)實(shí)現(xiàn)PMOS器件和NMOS器件之間的相互隔離。P阱CMOS芯片剖面示意圖見下圖。2/4/202335《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》N阱CMOS工藝

N阱CMOS正好和P阱CMOS工藝相反，它是在P型襯底上形成N阱。因?yàn)镹溝道器件是在P型襯底上制成的，這種方法與標(biāo)準(zhǔn)的N溝道MOS(NMOS)的工藝是兼容的。在這種情況下，N阱中和了P型襯底，P溝道晶體管會(huì)受到過渡摻雜的影響。2/4/202336《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》N阱CMOS工藝

早期的CMOS工藝的N阱工藝和P阱工藝兩者并存發(fā)展。但由于N阱CMOS中NMOS管直接在P型硅襯底上制作，有利于發(fā)揮NMOS器件高速的特點(diǎn)，因此成為常用工藝。2/4/202337《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》N阱CMOS芯片剖面示意圖N阱CMOS芯片剖面示意圖見下圖。2/4/202338《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙阱CMOS工藝

隨著工藝的不斷進(jìn)步，集成電路的線條尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)的單阱工藝有時(shí)已不滿足要求，雙阱工藝應(yīng)運(yùn)而生。2/4/202339《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙阱CMOS工藝通常雙阱CMOS工藝采用的原始材料是在N+或P+襯底上外延一層輕摻雜的外延層，然后用離子注入的方法同時(shí)制作N阱和P阱。2/4/202340《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙阱CMOS工藝使用雙阱工藝不但可以提高器件密度，還可以有效的控制寄生晶體管的影響，抑制閂鎖現(xiàn)象。2/4/202341《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙阱CMOS工藝主要步驟

雙阱CMOS工藝主要步驟如下：（1）襯底準(zhǔn)備：襯底氧化，生長Si3N4。（2）光刻P阱，形成阱版，在P阱區(qū)腐蝕Si3N4，P阱注入。（3）去光刻膠，P阱擴(kuò)散并生長SiO2。（4）腐蝕Si3N4，N阱注入并擴(kuò)散。（5）有源區(qū)襯底氧化，生長Si3N4，有源區(qū)光刻和腐蝕，形成有源區(qū)版。（6）

N管場注入光刻，N管場注入。2/4/202342《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》雙阱CMOS工藝主要步驟（7）場區(qū)氧化，有源區(qū)Si3N4和SiO2腐蝕，柵氧化，溝道摻雜（閾值電壓調(diào)節(jié)注入）。（8）多晶硅淀積、摻雜、光刻和腐蝕，形成多晶硅版。（9）

NMOS管光刻和注入硼，形成N+版。（10）

PMOS管光刻和注入磷，形成P+版。（11）硅片表面生長SiO2薄膜。（12）接觸孔光刻，接觸孔腐蝕。（13）淀積鋁，反刻鋁，形成鋁連線。2/4/202343《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》MOS工藝的自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)是一種在圓晶片上用單個(gè)掩模形成不同區(qū)域的多層結(jié)構(gòu)的技術(shù)，它消除了用多片掩模所引起的對準(zhǔn)誤差。在電路尺寸縮小時(shí)，這種有力的方法用得越來越多。有許多應(yīng)用這種技術(shù)的例子，例子之一是在多晶硅柵MOS工藝中，利用多晶硅柵極對柵氧化層的掩蔽作用，可以實(shí)現(xiàn)自對準(zhǔn)的源極和漏極的離子注入，如圖所示。

2/4/202344《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》自對準(zhǔn)工藝示意圖

2/4/202345《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》自對準(zhǔn)工藝上圖中可見形成了圖形的多晶硅條用作離子注入工序中的掩模，用自己的“身體”擋住離子向柵極下結(jié)構(gòu)（氧化層和半導(dǎo)體）的注入，同時(shí)使離子對半導(dǎo)體的注入正好發(fā)生在它的兩側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了自對準(zhǔn)。而且原來呈半絕緣的多晶硅本身在大量注入后變成低電阻率的導(dǎo)電體。可見多晶硅的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“一箭三雕”之功效。2/4/202346《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》4.5BiCMOS集成電路的基本制造工藝

BiCMOS工藝技術(shù)是將雙極與CMOS器件制作在同一芯片上，這樣就結(jié)合了雙極器件的高跨導(dǎo)、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)和CMOS器件高集成度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，使它們互相取長補(bǔ)短、發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高速、高集成度、高性能的超大規(guī)模集成電路。2/4/202347《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》BiCMOS工藝分類

BiCMOS工藝技術(shù)大致可以分為兩類：分別是以CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝和以雙極工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝。一般來說，以CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝對保證CMOS器件的性能比較有利，同樣以雙極工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝對提高保證雙極器件的性能有利。

2/4/202348《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》以P阱CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝以P阱CMOS工藝為基礎(chǔ)是指在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝流程中直接構(gòu)造雙極晶體管，或者通過添加少量的工藝步驟實(shí)現(xiàn)所需的雙極晶體管結(jié)構(gòu)。下圖為通過標(biāo)準(zhǔn)P阱CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的NPN晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。2/4/202349《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》標(biāo)準(zhǔn)P阱CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的NPN晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖2/4/202350《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》標(biāo)準(zhǔn)P阱CMOS工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：（1）由于NPN晶體管的基區(qū)在P阱中，所以基區(qū)的厚度太大，使得電流增益變?。唬?）集電極的串聯(lián)電阻很大，影響器件性能；（3）NPN管和PMOS管共襯底，使得NPN管只能接固定電位，從而限制了NPN管的使用。2/4/202351《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》以N阱CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝N阱CMOS-NPN體硅襯底結(jié)構(gòu)剖面圖2/4/202352《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》N阱CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝

N阱CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝與以P阱CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝相比，優(yōu)點(diǎn)包括：（1）工藝中添加了基區(qū)摻雜的工藝步驟，這樣就形成了較薄的基區(qū)，提高了NPN晶體管的性能；2/4/202353《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》N阱CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝（2）制作NPN管的N阱將NPN管與襯底自然隔開，這樣就使得NPN晶體管的各極均可以根據(jù)需要進(jìn)行電路連接，增加了NPN晶體管應(yīng)用的靈活性。2/4/202354《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》N阱CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝

它的缺點(diǎn)是：NPN