第4章cmos集成电路的制造

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1、第第44章章CMOSCMOS集成电路的制造集成电路的制造本章目录•4.1硅工艺概述•4.2材料生长与淀积•4.3刻蚀•4.4CMOS工艺流程•4.5设计规则2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造1§4.1硅工艺概述ò平面工艺，多层加工ò以硅圆片为单位制作硅圆片及其芯片部位圆片的直径：100~300mm圆片的厚度：0.4~0.7mm2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造2§4.1硅工艺概述ò集成电路成本（1）固定成本固定成本与销售量无关。包括基础设施和生产设备的建设费用；研发费用；人工费用等。（2）可变成本可变成本是指直接用

2、于制造产品的费用，与产品的产量成正比。芯片成本+芯片测试成本+芯片封装成本可变成本=最终测试的成品率固定成本每个集成电路的成本=每个集成电路的可变成本+产量经济学观点：提高成品率将降低每个集成电路的成本，因此成品率分析很重要。2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造3§4.1硅工艺概述ò成品率YY=NG×100%NG：功能正确的芯片数目NTN：芯片的总数目T2π(d2）πdA：芯片面积N=−dieTA2Adiedied：圆片直径D×Adie−αD：缺陷密度，单位：cm−2Y=(1+)αα：与制造工艺复杂性相关的参数对于现代复杂的C

3、MOS工艺，α≈3圆片成本4芯片成本=⇒芯片成本=f(芯片面积)NG2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造4§4.1硅工艺概述ò集成电路加工的基本操作¾形成某种材料的薄膜¾在各种薄膜材料上形成需要的图形¾通过掺杂改变材料的电阻率或杂质类型2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造5§4.2材料生长与淀积形成薄膜的方法©热氧化©物理气相淀积（PVD）©化学气相淀积（CVD）§4.2.1二氧化硅•SiO称为石英玻璃，电阻率约为1012Ω·cm2•SiO是一种极好的电绝缘体2•SiO能很好地附着在大多数材料上2•SiO可生长在硅圆片

4、上或淀积在硅圆片上面22018-9-5第4章CMOS集成电路的制造6§4.2材料生长与淀积1热氧化层生长反应式：干氧：Si+O→SiO22湿氧：Si+2HO→SiO+2H222消耗的硅层厚度：x≈0.46xSiox2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造7§4.2材料生长与淀积2化学气相淀积（CVD）氧化工艺气态物质通过化学反应在材料表面形成薄膜。适宜晶圆表面已覆盖氧化层情况。反应式：SiH4(气)+2O2（气）→SiO2（固）+2H2O（气）2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造8§4.2材料生长与淀积§4.2.2氮化硅•

5、用于表面覆盖，对大多数物质原子有阻挡作用，防污染•介电常数较大：εN≈7.8ε0•制造过程中用来在电气上隔离相邻场效应管•同SiO一样，能被化学漂洗掉2反应式：3SiH(气）+4NH(气）→SiN(固）+12H(气）433422018-9-5第4章CMOS集成电路的制造9§4.2材料生长与淀积§4.2.3多晶硅多晶硅：Poly层，形成栅极在SiO上淀积硅原子，形成多晶（局部小区域Si原子规则2排列）反应式：SiH4→Si+2H2Poly优点：•可被掺杂，增强导电性•与SiO良好接合2•可覆盖高熔点金属，如钛（Ti）、铂（Pt）、钨（W

6、）、钴（Co），降低薄层电阻2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造10§4.2材料生长与淀积§4.2.4金属化•铝：粘附性好•在真空腔中加热蒸发，形成蒸铝流体覆盖晶圆•电阻率ρ=2.65μΩ⋅cm•缺点：电阻率比较大；高电流密度情况下存在电迁移问题，原子从导线一端移出，在另一端堆积。铝的电迁移效应II电流密度：J==Awt2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造11§4.2材料生长与淀积§4.2.5掺杂•扩散——高温过程•离子注入——常温下进行，注入后需要高温退火处理掺杂剂原子在腔室中电离→加速到很高能量→质量分离器→射入衬

7、底2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造12§4.2材料生长与淀积高斯分布的注入剖面21⎛x−Rp⎞−⎜⎟2⎜ΔRp⎟N()x=Ne⎝⎠ionpR：穿透的平均深度pΔR：穿透深度的标准差pN：峰值密度pD=N()xdxI∫ionAllxDI：单位面积注入的离子数采用退火法使掺杂剂处于晶格位置上。2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造13§4.2材料生长与淀积离子注入法的特点：–掺杂的过程可通过调整杂质剂量及能量来精确的控制，杂质分布均匀–可进行小剂量的掺杂–可进行极小深度的掺杂–较低的工艺温度，故光刻胶可用作掩模–可供掺杂

8、的离子种类较多–在大剂量注入时半导体晶格会被严重破坏并很难恢复2018-9-5第4章CMOS集成电路的制造14§4.2材料生长与淀积§4.2.6化学机械抛光（CMP）平坦化技术：将硅片表面变为一平坦表面。采用化学刻蚀和机