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《专用集成电路设计实践（西电版）第2章集成电路工艺基础》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第2章集成电路工艺基础2.1引言2.2集成电路制造工艺概述2.3双极集成电路的基本制造工艺2.4CMOS集成电路的基本制造工艺2.5BiCMOS集成电路的基本制造工艺2.6BCD集成电路的基本制造工艺2.7锗硅器件及其外延工艺简介2.1引 言2.1.1IC制造基本原理制造集成电路所用的材料主要包括硅(Si)、锗(Ge)等半导体,以及砷化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、铟镓砷(InGaAs)等半导体化合物,其中以硅最为常用。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质。半导体材料之所以能成为制
2、造集成电路的材料,关键在于在纯净的半导体中加入少量的杂质,可以使其导电率在几个数量级范围内改变,这样就可以通过控制掺杂浓度来控制半导体的导电性能,从而制成各种需要的器件。这些杂质元素的作用在于它们能为半导体提供带负电荷的自由电子或带正电荷的空穴。提供自由电子的杂质元素称为施主杂质,提供空穴的杂质元素称为受主杂质,因为它们可以接受硅中的电子,而在原电子处留下空穴。自由电子为多数载流子的半导体称为N型半导体,空穴为多数载流子的半导体称为P型半导体。当把N型半导体和P型半导体有机地结合在一起的时候,在它们的过
3、渡区就形成了PN结,把PN结以某种方式排列并与其他物理结构组合,就可以得到不同的半导体器件。集成电路有各种各样的封装,如双列封装、单列封装、圆形封装、菱形封装、扁平封装等,封装的材料也多种多样,如陶瓷、玻璃、塑料、金属等。若打开集成电路外面的封装材料,就可以看到里面有一片导体小片,称为管芯或芯片,它被固定在底座上,并有金属丝把它和外面的管脚连接起来。虽然不同器件的管芯各不相同,但它们都是由在半导体材料上形成的一些PN结所构成的。因此,集成电路制造的关键问题就是根据设计要求,在半导体的不同区域形成所需要的
4、PN结,这在生产上主要通过氧化、光刻、掺杂等多种工艺的多次反复来形成。2.1.2工艺类型简介按所制造器件的结构不同,可把IC制造工艺分为双极型和MOS型两种基本类型。由双极工艺制造的器件,它的导通机理是将电子和空穴这两种极性的载流子作为在有源区中运载电流的工具,这也是它称为双极工艺的原因。MOS工艺又可以分为单沟道MOS工艺和CMOS工艺。单沟道MOS工艺包括PMOS工艺和NMOS工艺。在同一个衬底上可以制作出双极晶体管、NMOS管和PMOS管,并且制作这三种晶体管的工艺是兼容的,这种工艺叫BiCMOS
5、工艺。而能够在同一芯片上制作双极管、CMOS和DMOS器件的工艺称为BCD工艺。 另外,按照MOS的栅电极的不同可以把MOS工艺分为铝栅工艺和硅栅工艺,其中硅栅工艺已经成为CMOS制造中的主流工艺。按照CMOS工艺的不同可以分为P阱工艺、N阱工艺以及双阱工艺。根据工序的不同可以把工艺分成三类:前工序、后工序及辅助工序。1.前工序前工序包括从晶片开始加工到中测之前的所有工序。前工序结束时,半导体器件的核心部分——管芯就形成了。前工序包括以下三类工艺:(1)薄膜制备工艺:包括氧化、外延、化学气相淀积、蒸
6、发、溅射。(2)掺杂工艺:包括离子注入和扩散。(3)图形加工技术:包括制版和光刻。2.后工序后工序包括从中测开始到器件完成的所有工序,包括中间测试、划片、贴片、焊接、封装、成品测试等工序。3.辅助工序前、后工序是IC工艺流程直接涉及到的工序,为保证整个工艺流程的进行,还需要一些辅助性的工序,这些工序包括:(1)超净环境的制备。IC特别是VLSI的生产,需要超净的环境。例如,光刻工序要求环境的洁净度低于10级(1立方英尺空间中,直径大于等于0.5μm的尘埃数不多于10个,直径0.1μm的尘埃数不多于350
7、个)。(2)高纯水、气的制备。IC生产中所用的水必须是去离子、去中性原子团和细菌,绝缘电阻率高达15MΩ·cm以上的电子级纯水;所使用的各种气体也必须是高纯度的。(3)材料准备。这个工序包括制备单晶、切片、磨片、抛光等工序,制成IC生产所需要的单晶圆片。2.2集成电路制造工艺概述本节介绍集成电路制造过程中所用到的主要工艺,即氧化工艺、掺杂工艺、光刻工艺、外延工艺、金属化工艺及制版工艺等。2.2.1氧化工艺1.SiO2薄膜在集成电路中的作用在集成电路的制造过程中,要对硅反复进行氧化,制备SiO2薄膜。Si
8、O2薄膜在集成电路制作过程中主要有下列作用:(1)作为对杂质选择扩散的掩膜。当对硅表面一定区域要扩散杂质元素的时候,对不需要扩散的区域,就可以用一层SiO2薄膜将它遮盖起来,这样SiO2薄膜就遮挡住了杂质元素,实现了对硅表面有选择区域的掺杂。实际上,杂质在向硅里扩散的同时,也在向SiO2薄膜里扩散,因此,SiO2薄膜要起到掩蔽作用就要满足两个条件:第一,所要扩散的杂质元素在SiO2中的扩散系数必须明显小于它在硅中的扩散系数;第二,SiO2薄
