CMOS集成電路工藝基礎(chǔ)

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1、第一章CMOS集成電路工藝基礎(chǔ)2021/10/511、半導體材料：N型半導體：N-NN+P型半導體：P-PP+2、CMOS集成電路工藝氧化工藝攙雜工藝淀積工藝鈍化工藝光刻和腐蝕工藝3、CMOS集成電路工藝流程本章主要內(nèi)容2021/10/52第一節(jié)集成電路材料1、材料分類：從電阻率上分，固體分為三大類。在室溫下：金屬：ρ<10Ω·cm半導體：ρ=10Ω·cm~10E4Ω·cm絕緣體：ρ>10E4Ω·cm分類材料電導率導體鋁、金、鎢、銅105S.cm-1半導體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦10-9~102S.cm-1絕緣體SiO2、SiON、SiN41

2、0-22~10-14S.cm-12021/10/532．材料的溫度特性一般金屬的導電能力隨溫度上升而下降，且變化不明顯。但硅的導電能力隨溫度上升而增加，且變化非常明顯。舉個例子：Cu：30?C?100?C?增加不到一半（正溫度系數(shù)）Si：30?C?20?C?增加一倍（負溫度系數(shù)）2021/10/543．半導體材料的主要特性A）半導體的導電能力隨所含的微量雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化一般材料純度在99.9％已認為很高了，有0.1％的雜質(zhì)不會影響物質(zhì)的性質(zhì)。而半導體材料不同，純凈的硅在室溫下：?＝21400Ω·cm如果在硅中摻入雜質(zhì)磷原子，使硅的純度仍保

3、持為99.9999％。則其電阻率變?yōu)椋?＝0.2Ω·cm。因此，可利用這一性質(zhì)通過摻雜質(zhì)的多少來控制硅的導電能力。2021/10/55B）當半導體受到外界熱的刺激時，其導電能力發(fā)生顯著變化。利用此特性可以制作熱敏器件。同時也要求半導體電路中必須要有溫度補償措施。C）半導體的導電能力隨光照而發(fā)生顯著變化，利用此特性可以制作光敏器件。D）半導體的導電能力隨外加電場、磁場的作用而發(fā)生變化2021/10/564．半導體材料介紹A）Si化學周期表四族元素。材料來源豐富，價格便宜基于Si半導體的工藝技術(shù)已經(jīng)相當成熟B）砷化鉀GaAs是III/IV族化合

4、物材料比較貴，比Si片貴十幾倍工藝制造比較成熟GaAs的集成電路具有更好的性能2021/10/57C）磷化銦也是III/IV族化合物主要應(yīng)用于光纖系統(tǒng)中制作發(fā)光器件和OEIC工藝制造技術(shù)不時非常成熟2021/10/585．絕緣材料的作用在集成電路系統(tǒng)中，主要的絕緣材料有：SiO2、SiON、SiN4主要功能：1）器件之間、有源層、導線層之間的絕緣層。2）離子注入和熱擴散時的隔離層3）生成器件表面的鈍化層，保護器件不受外界的影響。2021/10/596．金屬材料的作用主要功能：1）器件本身的接觸線2）器件間的互連線3）形成焊盤（PAD），封裝

5、接口目前最常用的是AL在高性能的芯片生產(chǎn)工藝采用Cu隨著工藝的發(fā)展，線寬越來越細，采用低電阻率的金屬和合金成為發(fā)展方向。金屬布線層次越來越多，最多可達7~8層2021/10/510第二節(jié)半導體基礎(chǔ)知識2.1半導體的晶體結(jié)構(gòu)在硅或者鍺晶體中,原子按一定規(guī)律排列。硅和鍺的都是四價元素，原子的最外層軌道上有四個電子。這四個電子形成四個共價鍵2021/10/5112.2本征半導體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體稱為本征半導體。本征半導體中載流子的濃度在室溫下：T＝300K2021/10/5122.3、P型和N型半導體兩種載流子：帶負電荷的電子和帶正電荷的

6、空穴。當硅中摻入Ⅴ族元素P時，硅中多數(shù)載流子為電子，這種半導體稱為N型半導體。當硅中摻入Ⅲ族元素B時，硅中多數(shù)載流子為空穴，這種半導體稱為P型半導體。2021/10/513第三節(jié)集成電路制造基本工藝3.1、氧化工藝*把裸露的硅片放高溫氧氣氛中,就會生成SiO2*氧化層可以分為柵氧和場氧*柵氧:它的厚度一般在幾百A左右,對器件的性能影響大*場氧:它的厚度一般在幾千A左右,絕緣和隔離的作用.2021/10/514氧化爐2021/10/515改進的氧化爐2021/10/5163.2、摻雜工藝在襯底材料上摻入五價磷或三價硼，以改變半導體材料的電性能

7、。形成N或P型半導體.摻雜過程是由硅的表面向體內(nèi)作用的。目前，有兩種摻雜方式：擴散和離子注入。2021/10/5171.擴散：擴散爐與氧化爐基本相同，只是將要摻入的雜質(zhì)如P或B的源放入爐管內(nèi)。擴散分為兩步：STEP1預淀積：將濃度很高的一種雜質(zhì)元素P或B淀積在硅片表面。STEP2推進：在高溫、高壓下，使硅片表面的雜質(zhì)擴散到硅片內(nèi)部。實驗分析表明：P的濃度分布可由下式表示：其中，NT：預淀積后硅片表面淺層的P原子濃度D：P的擴散系數(shù)t：擴散時間x：擴散深度只要控制NT、T、t三個因素就可以決定擴散深度及濃度。2021/10/5182．離子注入

8、2021/10/519其中：離子注入的分布有以下兩個特點：1．離子注入的分布曲線形狀（Rp，бp），只與離子的初始能量E0有關(guān)。并雜質(zhì)濃度最大的地方不是在硅的表面，X＝0處，而是