清华大学：《VLSI设计导论》第二章 集成电路工艺基础

第二章集成电路工艺基础 2021/2/21

2021/2/21 1 第二章 集成电路工艺基础

第一节引 集成电路的制造需要非常复杂的技术,它主要 由半导体物理与器件专业负责研究。VLS设计 者可以不去深入研究,但是作为从事系统设计 的工程师,有必要了解芯片设计中的工艺基础 知识,才能根据工艺技术的特点优化电路设计 方案。对于电路和系统设计者来说,更多关注 的是工艺制造的能力,而不是工艺的具体实施 过程。 ●由于SOC的出现,给IC设计者提出了更高的要 求,也面临着新的挑战:设计者不仅要懂系统 电路,也要懂工艺、制造。 2021/2/21

2021/2/21 2 第一节 引言 ⚫ 集成电路的制造需要非常复杂的技术，它主要 由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计 者可以不去深入研究，但是作为从事系统设计 的工程师，有必要了解芯片设计中的工艺基础 知识，才能根据工艺技术的特点优化电路设计 方案。对于电路和系统设计者来说，更多关注 的是工艺制造的能力，而不是工艺的具体实施 过程。 ⚫ 由于SOC的出现，给IC设计者提出了更高的要 求，也面临着新的挑战：设计者不仅要懂系统、 电路，也要懂工艺、制造

第二节半导体材料:硅 1、电阻率: 从电阻率上分,固体分为三大类。在室温下: 金属:p1099cm 2.导电能力随温度上升而迅速增加 一般金属的导电能力随温度上升而下降,且变化不明 显。但硅的导电能力随温度上升而增加,且变化非常 明显。举个例子 Cu:30°C100°Cp增加不到一半(正温度系数) Si:30°C20°Cp增加一倍(负温度系数) 2021/2/21

2021/2/21 3 第二节 半导体材料：硅 1、电阻率： 从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下： 金属： ρ109 Ω·cm 2．导电能力随温度上升而迅速增加 一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不明 显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非常 明显。举个例子： Cu：30C 100C 增加不到一半（正温度系数） Si：30C 20C 增加一倍 （负温度系数）

3.半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变 化 般材料纯度在99.9%已认为很高了,有0.1%的杂 质不会影响物质的性质。而半导体材料不同,纯净 的硅在室温下:p=214009cm ●如果在硅中掺入杂质磷原子,使硅的纯度仍保持为 999999则其电阻率变为:p=0.29cm。因此 可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电 能力。 4.半导体的导电能力随光照而发生显著变化 5.半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用 而发生变化 2021/2/21

2021/2/21 4 3．半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变 化 ⚫ 一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂 质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净 的硅在室温下：＝21400Ω·cm ⚫ 如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为 99.9999％。则其电阻率变为：＝0.2Ω·cm。因此， 可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电 能力。 4．半导体的导电能力随光照而发生显著变化 5．半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用 而发生变化

6、P型和N型半导体 ●两种载流子:带负电荷的电子和带正电荷的空 纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流子 的浓度在室温下:T=300K n=p=n1=1.6*10(1/cm) 当硅中掺入Ⅴ族元素P时,硅中多数载流子为 电子,这种半导体称为N型半导体。 n=10(1/cm) 2021/2/21

2021/2/21 5 6、P型和N型半导体 ⚫ 两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空 穴。 ⚫ 纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流子 的浓度在室温下：T＝300K ⚫ 当硅中掺入Ⅴ族元素P时，硅中多数载流子为 电子，这种半导体称为N型半导体。 1.6*10 (1/ ) 1 0 3 n = p = ni = cm + n = cm 22 10 (1/ )

当硅中掺入Ⅲ族元素B时,硅中多数载流子为 空穴,这种半导体称为P型半寻体。 P=10-(1/cm) 第三节集成电路制造工艺简介 氧化工艺 个MOS集成电路电路中,主要元件是 PMOS,NMOS,R,C,L及连线。MOS是 Metal0xide Semiconductor silicon的缩写。MS管有三种 主要材料:金属、二氧化硅及硅构成 2021/2/21

2021/2/21 6 ⚫ 当硅中掺入Ⅲ族元素B时，硅中多数载流子为 空穴，这种半导体称为P型半导体。 第三节 集成电路制造工艺简介 一、氧化工艺 ⚫ 一个MOS 集成电路电路中，主要元件是； PMOS,NMOS,R,C,L及连线。MOS是Metal Oxide Semiconductor Silicon的缩写。MOS管有三种 主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。 + P = cm 22 10 (1/ )

●氧化炉 猖溟 瞟 2021/2/21

2021/2/21 7 ⚫ 氧化炉 石英舟 滑道 炉膛

●改进的氧化炉 石英舟 滑道 炉膛 2021/2/21

2021/2/21 8 ⚫ 改进的氧化炉 石英舟 滑道 炉膛

掺杂工艺 在衬底材料上掺入五价磷或三价硼,以改 变半导体材料的电性能。掺杂过程是由 硅的表面向体内作用的。目前,有两种 掺杂方式:扩散和离子注入 D D G P-SI 2021/2/21

2021/2/21 9 二、掺杂工艺 在衬底材料上掺入五价磷或三价硼，以改 变半导体材料的电性能。掺杂过程是由 硅的表面向体内作用的。目前，有两种 掺杂方式：扩散和离子注入。 G D S D G S P-si

1.扩散:扩散炉与氧化炉基本相同,只是将要掺入的 杂质如P或B的源放入炉管内 扩散分为两步: STEPI预淀积:将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅 片表面 ●STEP2推进:在高温、高压下,使硅片表面的杂质扩散到硅 片内部 实验分析表明:P的浓度分布可由下式表示: P(x) Nr 2(Dt) 其中,Nr:预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度 Nx=3×10(1/cm) D:P的扩散系数t:扩散时间x:扩散深度 只要控制Nr、T、t三个因素就可以决定扩散深度及浓度 2021/2/21

2021/2/21 10 1. 扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的 杂质如P或B的源放入炉管内。 扩散分为两步： ⚫ STEP1 预淀积：将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅 片表面。 ⚫ STEP2 推进：在高温、高压下，使硅片表面的杂质扩散到硅 片内部。 实验分析表明：P的浓度分布可由下式表示： 其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度 D：P的扩散系数 t ：扩散时间 x：扩散深度 只要控制NT 、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度。 e Dt N Dt T x P x 4 2 1 2 2( ) ( ) = 3 10 (1 ) 15 NT =  cm