第四章集成電路器件工藝

1、東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所1第四章第四章 集成電路器件工藝集成電路器件工藝4.1 雙極型集成電路的基本制造工藝4.2 MESFET和HEMT工藝4.3 MOS工藝和相關(guān)的VLSI工藝4.4 BiCMOS工藝東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所2第四章第四章 集成電路器件工藝集成電路器件工藝IC材材料料、工工藝藝、器器件件和和電電路路材材料料工工藝藝器器件件電電路路形形式式電電路路規(guī)規(guī)模模Si-BipolarD, BJT, R, C, LTTL, ECL,CMLLSINM

2、OSD, NMOS, R, CNMOS, SCFLVLSICMOSD, P/N-MOS, R, CCMOS, SCFLULSI, GSIBiCMOSD, BJT, P/N-MOS, R, CECL, CMOSVLSI,ULSISilicon硅硅Si/GeD, HBT/HEMTECL/SCFLLSIMESFETD, MESFET, R, C, LSCFLLSI, VLSIHEMTD, E/D-HEMT, R, C, LSCFLLSI, VLSIGaAs砷砷化化鎵鎵HBTD, HBT, R, C, LECL, CMLMSI, LSIHEMTD, HEMT, R, C, LSCFL, CMLMSII

3、nP磷磷化化銦銦HBTD, HBT, R, C, LECL, CMLMSI表 4.1東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所3圖4.1 幾種IC工藝速度功耗區(qū)位圖東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所44.1 雙極型集成電路的基本制造工藝雙極型集成電路的基本制造工藝4.2 MESFET和HEMT工藝4.3 MOS工藝和相關(guān)的VLSI工藝4.4 BiCMOS工藝東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所54.1.1雙極性硅工藝雙極性硅工

4、藝 n 早期的雙極性硅工藝：NPN三極管p+p+n+n-pn+n+p-SiO2BECBuried Layer Metalpn-Isolationpn-Isolation圖4.2123東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所6n 先進的雙極性硅工藝：NPN三極管圖4.21.425678東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所7nGaAs基同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)雙極性晶體管并不具有令人滿意的性能4.1.2HBT工藝工藝LmLswogRIV 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成

5、成 電電 路路 研研 究究 所所8AlGaAs /GaAs基異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(a) (b)圖4.3 GaAs HBT的剖面圖(a)和能帶結(jié)構(gòu)(b)東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所9nGaAs 基 HBTnInP 基 HBTnSi/SiGe的HBT東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所104.2 MESFET和和HEMT工藝工藝 n GaAs工藝：工藝：MESFET圖4.4 GaAs MESFET的基本器件結(jié)構(gòu)n引言歐姆歐姆歐姆歐姆肖特基肖特基金鍺合金金鍺合金東東 南南

6、大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所11MESFETn增強型和耗盡型n減小柵長n提高導(dǎo)電能力東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所12n GaAs工藝：工藝：HEMT圖4.5 簡單簡單HEMT的層結(jié)構(gòu)n 柵長的減小大量的可高速遷移的電子大量的可高速遷移的電子?xùn)|東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所13n GaAs工藝：HEMT工藝的三明治結(jié)構(gòu)圖4.6 DPD-QW-HEMT的層結(jié)構(gòu)東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集

7、成成 電電 路路 研研 究究 所所14Main Parameters of the 0.3 mm Gate Length HEMTsHEMT-TypeParametersE-HEMTD-HEMTVth0.5 V-0.7 VIdsmax200 mA/mm(Vgs = 0.8 V)180 mA/mm(Vgs = 0 V)Gm500 mS/mm400 mS/mmRs0.6 Wmm0.6 Wmm f T45 GHz40 GHz表 4.2 : 0.3 mm 柵長HEMT的典型參數(shù)值東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所15不同材料系統(tǒng)的研究nGaA

8、snInPnSiGe東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所16與Si三極管相比，MESFET和HEMT的缺點為: n跨導(dǎo)相對低; n閾值電壓較敏感于有源層的垂直尺寸形狀和摻雜程度；n驅(qū)動電流小 n閾值電壓變化大：由于跨導(dǎo)大，在整個晶圓上，BJT的閾值電壓變化只有幾毫伏，而MESFET，HEMT由于跨導(dǎo)小，要高十倍多。 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所174.3 MOS工藝和相關(guān)的工藝和相關(guān)的VLSI工藝工藝東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電

9、路路 研研 究究 所所18圖4.7 MOS工藝的分類 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所19認(rèn)識MOSFETGateDrainSourcen+n+LeffLDrawnLDp-substrateSGDPolyOxideWn+n+線寬(Linewidth), 特征尺寸(Feature Size)指什么？東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所20MOS工藝的特征尺寸(Feature Size)n特征尺寸: 最小線寬最小柵長圖 4.8東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電

10、集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所214.3.1 PMOS工藝工藝早期的鋁柵工藝早期的鋁柵工藝n1970年前，標(biāo)準(zhǔn)的MOS工藝是鋁柵P溝道。圖 4.9東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所22鋁柵鋁柵PMOS工藝特點：工藝特點：l鋁柵，柵長為20mm。lN型襯底，p溝道。l氧化層厚1500。l電源電壓為-12V。l速度低，最小門延遲約為80100ns。l集成度低，只能制作寄存器等中規(guī)模集成電路。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所23Al柵MOS工藝缺點 制造源、漏極與制造柵

11、極采用兩次掩膜步驟不容易對齊。這好比彩色印刷中，各種顏色套印一樣，不容易對齊。若對不齊，彩色圖象就很難看。在MOS工藝中，不對齊的問題，不是圖案難看的問題，也不僅僅是所構(gòu)造的晶體管尺寸有誤差、參數(shù)有誤差的問題，而是可能引起溝道中斷，無法形成溝道，無法做好晶體管的問題。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所24Al柵MOS工藝的柵極位錯問題圖 4.10東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所25鋁柵重疊設(shè)計鋁柵重疊設(shè)計n柵極做得長，同S、D重疊一部分圖 4.11東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射

12、射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所26鋁柵重疊設(shè)計的缺點鋁柵重疊設(shè)計的缺點l CGS、CGD都增大了。l 加長了柵極，增大了管子尺寸，集成度降低。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所27克服Al柵MOS工藝缺點的根本方法 將兩次MASK步驟合為一次。讓D，S和G三個區(qū)域一次成形。這種方法被稱為自對準(zhǔn)技術(shù)。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所28自對準(zhǔn)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝自對準(zhǔn)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝1970年，出現(xiàn)了硅柵工藝(采用了自對準(zhǔn)技術(shù)）。多晶硅Pol

13、ysilicon，原是絕緣體原是絕緣體，經(jīng)過重擴散，增加了載流子，可以變?yōu)閷?dǎo)體可以變?yōu)閷?dǎo)體，用作電極和電極引線。在硅柵工藝中，S，D，G是一次掩膜步驟形成的。先利用光阻膠保護，刻出柵極，再以多晶硅為掩膜，刻出S，D區(qū)域。那時的多晶硅還是絕緣體，或非良導(dǎo)體。經(jīng)過擴散，雜質(zhì)不僅進入硅中，形成了S和D，還進入多晶硅，使它成為導(dǎo)電的柵極和柵極引線。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所29標(biāo)準(zhǔn)硅柵標(biāo)準(zhǔn)硅柵PMOS工藝工藝圖 4.12東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所30硅柵工藝的優(yōu)點：硅

14、柵工藝的優(yōu)點：l 自對準(zhǔn)自對準(zhǔn)的，它無需重疊設(shè)計，減小了電容，提高了速度。l 無需重疊設(shè)計，減小了柵極尺寸，漏、源極尺寸也可以減小，即減小了晶體管尺寸，提高了速度，增加了集成度。l增加了電路的可靠性。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所314.3.2NMOS工藝工藝 由于電子的遷移率me大于空穴的遷移率mh，即有me2.5mh, 因而，N溝道FET的速度將比P溝道FET快2.5倍。那么，為什么MOS發(fā)展早期不用NMOS工藝做集成電路呢？問題是NMOS工藝遇到了難關(guān)。所以, 直到1972年突破了那些難關(guān)以后, MOS工藝才進入了NMOS時

15、代。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所32了解了解NMOS工藝的意義工藝的意義目前CMOS工藝已在VLSI設(shè)計中占有壓倒一切的優(yōu)勢. 但了解NMOS工藝仍具有幾方面的意義:l CMOS工藝是在PMOS和NMOS工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.l 從NMOS工藝開始討論對于學(xué)習(xí)CMOS工藝起到循序漸進的作用.l NMOS電路技術(shù)和設(shè)計方法可以相當(dāng)方便地移植到CMOS VLSI的設(shè)計.l GaAs邏輯電路的形式和眾多電路的設(shè)計方法與NMOS工藝基本相同.東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所

16、33增強型和耗盡性增強型和耗盡性MOSFET (Enhancement mode and depletion mode MOSFET)FET（Field Effect Transisitor）n按襯底材料區(qū)分有Si, GaAs, InPn按場形成結(jié)構(gòu)區(qū)分有J/MOS/MESn按載流子類型區(qū)分有P/Nn按溝道形成方式區(qū)分有E/D東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所34E-/D-NMOS和E-PMOS的電路符號NMOSEnhancementPMOSEnhancementNMOSDepletion圖 4.13東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻

17、 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所35E-NMOS的結(jié)構(gòu)示意圖(增強型VD=0V, Vgs=Vsb=0V)圖4.14 E-NMOS的結(jié)構(gòu)示意圖東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所36D-NMOS的結(jié)構(gòu)示意圖(耗盡型 VD=0V, Vgs=Vsb=0V)圖4.14 D-NMOS的結(jié)構(gòu)示意圖東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所37E-PMOS的結(jié)構(gòu)示意圖 (增強型 VD=0V, Vgs=Vsb=0V)圖4.14 E-PMOS的結(jié)構(gòu)示意圖東東 南南 大大 學(xué)學(xué)

18、 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所38n工作原理：在柵極電壓作用下，漏區(qū)和源區(qū)之間形成導(dǎo)電溝道。這樣，在漏極電壓作用下，源區(qū)電子沿導(dǎo)電溝道行進到漏區(qū)，產(chǎn)生自漏極流向源極的電流。改變柵極電壓，控制導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，使漏極電流發(fā)生變化。E-NMOS工作原理圖工作原理圖東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所39E-NMOS工作原理圖工作原理圖VgsVt，Vds=0VVgsVt，VdsVt，VdsVgs-Vt圖4.15 不同電壓情況下E-NMOS的溝道變化P. 56東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與

19、光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所40NMOS工藝流程工藝流程圖4.16 NMOS工藝的基本流程 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所41表表4.3 NMOS的掩膜和典型工藝流程的掩膜和典型工藝流程Mask確定對象工藝流程出發(fā)點P型摻雜硅晶圓(=75-200mm)， 生長1mm厚氧化層, 涂感光膠 (Photoresist)1有源區(qū)紫外曝光使透光處光膠聚合, 去除未聚合處(有源區(qū))光膠, 刻蝕(eching)氧化層, 薄氧化層(thinox)形成, 沉淀多晶硅層, 涂感光膠2離子注入?yún)^(qū)曝光, 除未聚合光膠, 耗盡型 N

20、MOS 有源區(qū)離子注入,沉淀多晶硅層, 涂感光膠3多晶硅線條圖形曝光, 除未聚合光膠, 多晶硅刻蝕, 去除無多晶硅覆蓋的薄氧化層，以多晶硅為掩膜進行 n 擴散，漏源區(qū)相對于柵結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)，再生長厚氧化層, 涂感光膠4接觸孔窗口(Contacts cut)曝光, 除未聚合光膠, 接觸孔刻蝕, 淀積金屬層, 涂感光膠5金屬層線條圖形曝光, 除未聚合光膠, 金屬層刻蝕, 鈍化玻璃層形成,涂感光膠6焊盤窗口(Bonding pads)曝光, 除未聚合光膠, 鈍化玻璃層刻蝕東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所42圖4.17 NMOS反相器電路圖和芯

21、片剖面示意圖SDDS東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所434.3.3 CMOS工藝工藝n進入80年代以來，CMOS IC以其近乎零的靜態(tài)功耗而顯示出優(yōu)于NMOS，而更適于制造VLSI電路，加上工藝技術(shù)的發(fā)展，致使CMOS技術(shù)成為當(dāng)前VLSI電路中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。nCMOS工藝的標(biāo)記特性 阱/金屬層數(shù)/特征尺寸東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所441Poly-, P阱CMOS工藝流程圖4.18 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研

22、 究究 所所45典型典型1P2M n阱阱CMOS工藝主要步驟工藝主要步驟形成 n 阱區(qū)確定 nMOS 和 pMOS 有源區(qū)場和柵氧化（thinox）形成多晶硅并刻蝕成圖案p+擴散n+擴散刻蝕接觸孔沉積第一金屬層并刻蝕成圖案沉積第二金屬層并刻蝕成圖案形成鈍化玻璃并刻蝕焊盤東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所46圖4.18 P阱CMOS芯片剖面示意圖東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所47圖4.19 N阱CMOS芯片剖面示意圖東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集

23、 成成 電電 路路 研研 究究 所所48圖4.20 雙阱CMOS工藝 （1） （2）（3） （4）P阱注入阱注入N阱注入阱注入襯底準(zhǔn)備襯底準(zhǔn)備光刻光刻P阱阱去光刻膠去光刻膠,生長生長SiO2東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所49（5） （6）（7） （8）生長生長Si3N4有源區(qū)有源區(qū)場區(qū)注入場區(qū)注入形成厚氧形成厚氧多晶硅淀積多晶硅淀積東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所50（9） （10）（11） （12）N+注入注入P+注入注入表面生長表面生長SiO2薄膜薄膜接觸孔光刻接觸

24、孔光刻東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所51（13）淀積鋁形成鋁連線淀積鋁形成鋁連線東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所52nCMOS的主要優(yōu)點是集成密度高而功耗低，工作頻率隨著工藝技術(shù)的改進已接近TTL電路，但驅(qū)動能力尚不如雙極型器件，所以近來又出現(xiàn)了在IC內(nèi)部邏輯部分采用CMOS技術(shù)，而I/O緩沖及驅(qū)動部分使用雙極型技術(shù)的一種稱為BiCMOS的工藝技術(shù)。4.4 BiCMOS工藝工藝東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所53 BiCMOS工藝技術(shù)大致可以分為兩類：分別是以以CMOS工藝為基礎(chǔ)工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝和以雙極工以雙極工藝為基礎(chǔ)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BiCMO