第四章半导体集成电路(最终版).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,3.3,第二级,第三级,第四级,第五级,黄君凯 教授,黄君凯 教授,第四章 半导体集成电路,硅平面工艺,制造工艺在同一硅片衬底的表平面上进行的工艺。,纯度要求：杂质原子浓度少于 ，即浓度达 以上。,单晶的,直拉法,（,CZ,法）,制备,熔化多晶硅 掺杂成,n,或,p,型,Si,（多晶）,以高质量籽晶作为母晶吸附多晶熔液,缓慢旋转提升籽晶形成等径单晶,Si,棒,切薄片 化学腐蚀 抛光 衬底单晶硅片,4.1.1,衬底单晶材料的制备,黄君凯 教授,黄君凯 教授,一、,氧化工艺,在单晶体硅衬底表面生长一层均匀致密的,SiO,2,膜技术,（,1,）,干氧氧化,原理,装置（见右图）,过程,4.1.2,硅平面工艺方法,黄君凯 教授,开始阶段：称,薄氧区,O,2,直接与,Si,表面接触，,SiO,2,生长速率,受到,Si/SiO,2,界面处的反 应速率限制。,氧化物厚度 与氧化时间 满足线性关系：,式中 为系统装置的初始化参数，,A,、,B,为与氧化温度有关的系数,后续阶段：称,厚氧区,由于薄氧层存在，氧须扩散 通过,SiO,2,层才能到达,Si,界面产生氧,化，,SiO,2,膜不断变厚，其成长速率受到,O,2,在已生成的氧化层中,的扩散情况所限制。并满足关系：,黄君凯 教授,特点,干氧氧化生长的,SiO,2,膜质量好，缺陷密度低，致密度高；但,氧化的成长速率较慢。,（,2,）,湿氧氧化,去离子水,说明,去离子水,制备,阳,阴,离子交换树脂,吸附水溶液中各种离子,纯去离子水（）,原理：,用高纯,O,2,通入 去离子水中鼓泡，然后由含氧水,汽入炉反应生成,SiO,2,膜。,黄君凯 教授,装置,（见右图）。,过程（与干氧氧化相似）,特点,由于,H,2,O,分子通过,SiO,2,层的扩散速率比,O,2,分子更快，故湿,氧氧化速率较大，可用于生长厚,SiO,2,膜；但膜中缺陷密度,较高，质量较差。,目的,在,SiO,2,膜或,Al,膜上刻蚀出图形，为,扩散和金属膜布线开出所需窗口。,二、,光刻技术,黄君凯 教授,掩膜版,制备,在光刻之前需制备光刻板，称为掩膜版制备。过程如下：,原图绘制 原图刻制（在红膜上描刻出各次分图，并剥去透,明区内红膜成为供光刻用原图）初缩（制成初缩版）,精缩（分步重复缩小）掩膜版（精缩光刻版）,光刻胶,（,1,）,负性,光致抗蚀剂：没曝光部分对显影液可溶解，,曝光则不能。,（,2,）,正性,光致抗蚀剂：与负性相反。,黄君凯 教授,光刻过程,黄君凯 教授,说明,（,1,）,腐蚀剂,构成：,（,2,）,等离子去胶,方法：,强电场下,O,2,电离产生活性氧 （氧激发态），,使光刻胶氧化而成可挥发的,CO,2,、,H,2,O,及其它气体并抽走。,的,溶液,黄君凯 教授,三、,扩散工艺,（,1,）,两步扩散工艺,过程：,恒定表面源扩散（,预溶积,）,Si,片表面直接与杂质源相通，并使,Si,表面上的杂质原,子浓度恒定，其扩散深度极浅，如同淀积在,Si,表面。,有限表面源扩散（,主扩散,）,把预淀积后的,Si,片放入扩散炉加热，使原来的杂质原,子向,Si,片内部扩散，达到所要求的表面浓度和结深。,方法,以扩散 区的液态源硼扩散为例说明：,黄君凯 教授,预淀积原理,说明,：,硼酸三甲酯,无色透明液体，室温下易,挥发，易溶于水，并生成硼酸,沉淀。,产物,硼硅玻璃,（,SiO,2,+B+C,）,去除硼硅玻璃，留下,Si,表,面高浓度,B,层，完成了预淀积。,去除方法：,黄君凯 教授,主扩散,炉温为 ，含,O,2,进行，可同时生成窗口上,的,SiO,2,层，作为下一次扩散的掩蔽膜，达到预定浓度及结深。,过程,杂质原子 杂质离子 质谱仪,注入,Si,中 高能离子,特点,可精确控制杂质数量和掺杂深度；,保证杂质高纯度；注入过程可在,较低温度下进行。,（,2,）,离子注入工艺,（杂质剂量和能量可控）,（电离）,黄君凯 教授,四、,外延工艺,外延工艺,在单晶片沿原来的结晶轴方向，再生长一层厚度和电阻率,都符合要求的新单晶，或在一块衬底上成长一层多晶层，,这么工艺称为外延工艺。,重,掺杂半导体（）,轻,掺杂半导体（）,扩散工艺,外延工艺,杂质浓度补偿：,注意,无法应用扩散工艺原因：,杂质补偿浓度精确控制无法实现；并且导致迁移率下降。,黄君凯 教授,装置,（见右图）,原理,淀积的,Si,可在,Si,片表面迁移，再它们到达合适的能量,位置时，可排列起来形成与原,Si,衬底晶格连续过度的,淀积层。,注意,黄君凯 教授,单晶外延层与多晶外延层,（,1,）,单晶,外延层,（,2,）,多晶,外延层,黄君凯 教授,五、,电极制备,、,互连,及,封装,掺杂区,电极引出,/,电通路互连：,合金化,过程（）,光刻,Al,膜,蒸,Al,技术,注意,合金化过程是为了使,Al/Si,界面形成良好欧姆接触。,后工序,过程,切片 固定 引线键合 封装,IC,块,黄君凯 教授,4.2,集成电路中的双极型器件,4.2.1,集成电阻器,一、扩散电阻,如右图所示，与衬底,n-Si,导电类型,相反的,p-Si,通过 施加偏压，,可形成反偏势垒，使电流限制于,之间流动。这块由杂质扩,散形成的,p-Si,便构成,扩散电阻,。,注意,集成电路中的电阻采用扩散电阻，是集成电路工艺,的,第,1,个特点,。,黄君凯 教授,二、扩散电阻中的电导,取右图厚度为 的平行薄层，,其微分电导为：,整块扩散电阻的电导为：,（,4-1,）,式中 为,扩散电阻深度,。由于杂质分布浓度形成梯度 ，,可假定 以,平均迁移率,代替，则上式为：,式中 便是扩散层单位面积中掺入的,杂质总量,，而,具有电导单位。,黄君凯 教授,令 ，则扩散电阻为：,因此，扩散电阻,R,由两部分决定：长宽比,取决于掩膜尺,寸,，,取决于扩散工艺,。,三、方块电阻,若,L=W,，便形成了一块“方块”，称这时的电阻值为,方块电阻,，记为 ，单位规定为 ，故 ：,（,4-2,）,（,4-3,）,黄君凯 教授,所以 越大，越小；表示电阻图形中,方块的数目,。,注意,式,（,4-2,）,表明：电阻数值等于图形中所包含的方块,数目乘以方块电阻。,例,右图中,分析,（,1,）对两个相邻扩散电阻，有,这里考虑到 ，因此，比值 可精确控制。,故集成电路中常设计使它的关键性能依赖两个电阻之,比，而不依赖任何一个特定的电阻值。,，,黄君凯 教授,（,2,）一般把阻值较大的集成电阻器设计成,右图的蛇形图形，便可达到减少总面,积目的。拐角处电流流动不均匀，一,般认为拐角处方块电阻为直线上阻值的,65%,。,（,3,）若扩散电阻宽度,W,很小，也即 ，需考虑到横向,扩散影响，并以实际有效宽度,W,代替窗口宽度,W,。,黄君凯 教授,利用扩散电阻上的表面氧化层进行交叉布线,集成电路中各元件通过内部布线进行互连，,布线通路可从扩散电阻上面的氧化层通,过，以达到不增加管芯面积目的，这是,最常见的交叉布线方法。,利用磷桥（或硼桥）方法,右图通路,2,与原有通路,1,交叉，这时可在通路,1,的,SiO,2,层下面形成重掺杂的“磷桥”（类似 扩散电阻），以连接通路,2,，其 极小，影响可忽略。,注意,集成电路需要内部布线，这是集成电路,工艺特点之二,。,四、扩散电阻在集成电路内部交叉布线中的应用,黄君凯 教授,4.2.2,集成晶体管,一、集成电路的工艺特点,1.,集成电路中各元件需要隔离,半导体衬底上制作的集成电路，各元件在电特性,上需要相互绝缘，这种绝缘及其形成方法称为,隔离技术,。,注意,集成电路中各元件需要隔离，这是集成电路,工艺,特点之三,。,（,1,）,pn,结隔离,采用,pn,结反偏时电阻极高，可实现元件间的隔离。,其中，常用的有外延隔离法，参见下图：,黄君凯 教授,将 隔离槽及,p-Si,衬底电位接到比,n-Si,隔离岛,更低的电位，则相应,pn,结处于反偏状态，便可在,隔离岛上制作集成电路元器件。,黄君凯 教授,（,2,）等平面隔离,以,SiO,2,膜代替,pn,结隔离槽可减少芯片面积和侧壁寄,生电容，这种隔离工艺称,等平面隔离,。常用的等平面,II,型,工艺过程如下：,黄君凯 教授,说明,SiH,4,膜制备方法,：,（,3,）介质隔离,以介质完全实现隔离岛功能的方法称为,介质隔离,。,其工艺过程如下：,黄君凯 教授,2.,集成电路中需要增添埋层工艺,集成电路中需要增添埋层工艺，,这是集成电路,工艺特点之四,。下面,以右图的集成二极管为例说明。,掩埋层（埋层）,外延前必需在衬底上先扩散重掺杂的杂质，此重掺杂层,称为,埋层,。,黄君凯 教授,原理,扩散区侧向表面势垒较大，电阻较大,扩散区纵向电流承受面积较大。,集成电路器件中,电流纵向流动,外延层存在较大串联电阻,二极管,pn,结与衬底,pn,结穿通,埋层,减少衬底结宽度,衬底结易击穿,衬底结电容增大,（选择好浓度）,说明,寄生结电容,黄君凯 教授,3.,集成电路中存在寄生效应,集成电路中存在寄生效应，一般是寄生结电容（包括隔离,结电容等），这是集成电路,工艺的特点之五,，影响了集成器件,的高频性能。,二、集成晶体管,常规工艺流程,（以 晶体管为例）,以硅平面工艺方法，注意到集成电路工艺特点，经,6,次光,刻，,4,次扩散，,4,次氧化，蒸,Al,，外延等工序可以制成集成晶,体管，同时也可分别制成二极管、电阻、电容等元件，并实现,电路之间的互连。,注意下图中的,P,型基区制备得相当薄，且集电结 面积,制作得比发射结大很多，以利于晶体管的放大作用。,黄君凯 教授,黄君凯 教授,黄君凯 教授,黄君凯 教授,三、集成 晶体管的附加效应,1.,寄生效益,纵向寄生效应,正向有效,T,2,截止,良好隔离,饱和及反向有效,T,1,管,T,2,正向有效及饱和,漏电流增大,降低,T,2,管,放大系数,增添埋层 ：增大,pnp,基区宽度及浓度,埋层中掺金：降低基区,增大,n,型外延层厚度：增大寄生管基区,注意,其中：,，最终可达到,黄君凯 教授,横向寄生效应,以隔离槽作为集电极的横向 寄生管，在,T,1,处于饱和,及反向使用时影响较大，但可通过工艺尺寸提高寄生管基,区宽度 给予改善。,2.,横向注入效应,T1,管,E B,极之间的横向注入效应，会造成注入效率的降低。,抑制横向注入效应,E,区的非均匀掺杂 横向势垒高度增大,E,区底面积远大于侧面积 横向结电阻增大,黄君凯 教授,纵向结构,与其它,pnp,管之间没有隔离，通常只,能用作,C,极接最负电位的,射极跟随器,。,埋层分析（埋层）：,形成少子（空穴）渡越基区的加速场；,提供集电极的低阻通路，减少串联电阻。,横向结构 （参见右图）,四、集成,pnp,晶体管,1.,衬底,pnp,晶体管,2.,横向,pnp,晶体管,黄君凯 教授,提高 措施,E,区、,C,区采用均匀掺杂扩散；,E,区、,C,区尽可能靠近，,C,区,环绕,E,区；,E,区侧面积远大于基底面积；,采用 埋层；,寄生效应,T,0,管,正向有效,T,1,正向有效,T,2,截止,（反向有效结果与上相反）,饱和,T,1,正向有效,T,2,正向有效,增添 埋层,改善措施,（抑制）,黄君凯 教授,五、集成电路晶体管的图形结构（）,单基极条形,基区、集电区电阻大，注入及收集效率低。,改善措施,减少基区和集电区电阻,提高集电极收集效率以及发射极注入效率,黄君凯 教授,改进结构,单基极条形,双基极条形,马蹄形,减少基区电阻,集电极提高收集效率,梳形,发射极马蹄形,提高发射极注入效率,黄君凯 教授,黄君凯 教授,黄君凯 教授,4.2.3,集成二极管,集成二极管的制造技术与晶体管兼容，可以单独制作,（见下图）,首先制作,npn,结构晶体管，然后可以五种形式连接成,二极管使用：,（,1,）,bc,短接；（,2,）,eb,短接；（,3,）,ec,短接,（,4,）,e,极开路；（,5,）,c,极开路,黄君凯 教授,4.3,集成电路中的单极型器件,4.3.1,集成,MOS,场效应晶体管常规工艺流程,一、,p,沟道集成,MOS,场效应管制作流程（,Al,栅工艺,）,磷硅玻璃,（金属离子）,固溶度低,通过时间长,提取离子,（留在,PSG,表面）,阻挡离子作用,说明,磷硅玻璃,PSG,的物性,绝缘强度高，粘附性强，针孔密度小。,PSG,黄君凯 教授,PSG,生长原理,说明,P,2,O,5,淀积在,SiO,2,表面形成了,PSG,。,制作流程,黄君凯 教授,黄君凯 教授,MOS,集成电路管芯制作工艺流程剖面图,黄君凯 教授,二、,p,沟道硅栅集成,MOSFET,制作流程（,硅栅工艺,）,制作流程,黄君凯 教授,硅栅,p-MOS,制造工艺过程,黄君凯 教授,硅栅工艺,多晶硅栅在源和漏区扩散前淀积，故可用作扩,散时的掩膜；,栅与沟道的对准几乎是理想的，故减少了寄生,覆盖电容影响；,硅栅完全密封在,SiO,2,膜内，为沟道提供了良好,的保护，并为多层互连线提供了跨越通路。,制造工艺简单,成本低，成品率高。,4.3.2 MOS,集成电路特点,黄君凯 教授,MOSFET,在集成结构中无需隔离，本身为自隔离；,MOSFET,无需采用扩散电阻，本身可作为负载电阻；,MOSFET,无需采用扩散结形成电容，栅极本身便具,有一定电容值；,MOSFET,构成的电路比双极型简单；,MOSFET,本身功耗低，密集在一起不会引起过热；,MOSFET,本身占用面积极少。,集成度高,