集成电路是怎样加工而成的

四、集成电路是怎样加工而成的

虽然基比尔发明的集成电路原理简单，然而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。芯片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。

几十年来集成电路发展及其迅速，然而其基本的制作方法即平面工艺一直保持不变，集成电路制造工艺仍然分为氧化、掺杂、淀积、钝化和光刻五个部分，下面将对这些步骤分别作一简要介绍。

1．氧化工艺

在一个MOS集成电路电路中，主要元件是：PMOS晶体管，NMOS晶体管，电阻R，电容C，电感L及连线。MOS是Metal Oxide Semiconductor的缩写。MOS管有三种主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。在氧化工艺中，硅片盛放在耐高温的石英舟中，通过滑道送入氧化炉，在氧气氛下通过高温使硅片表面氧化，从而生长出二氧化硅薄膜，如图2-6所示。

图2-6　氧化炉

2．掺杂工艺

要形成晶体管，我们必须在纯净的硅里掺入其他杂质，这一工序从硅片上已暴露的区域开始，首先倒入化学离子混合液，以掺入金属离子，从而改变掺杂区的导电方式，使得每个晶体管都可以进行通、断等操作。将此工艺一次又一次地重复，以制成该集成电路的许多层。不同层可通过开启的窗口连接起来。电子则以高速在不同的层面间上下流动。这些小窗口是通过重复进行“掩膜”、“刻蚀”步骤开启的。窗口开启后就可以填充它们了，窗口中填充的一般是最普通的金属——铝或铜。

掺杂可以改变半导体材料的电性能。在衬底材料上掺入五价磷可以获得N型半导体，而掺入三价硼则得到P型半导体。通过不同P型和N型半导体的组合即可得到PN结二极管、双极晶体管或MOS晶体管。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。

（1）扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的杂质如磷P或硼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。

（2）离子注入：采用离子注入机将带电的B离子或P离子注入硅片中，其杂质分布如图2-7所示，其中：

Rp：最大浓度位置；

σ_p：穿透深度的标准差；

Nmax：最大杂质浓度。

图2-7　离子注入杂质分布

离子注入的分布有以下两个特点：即离子注入的分布曲线形状（Rp，σ_p），只与离子的初始能量E₀有关。并且杂质浓度最大的地方不在硅表面X=0处，而是在X=Rp处。离子注入最大值Nmax与注入剂量N_T有关。而E₀与N_T都是可以控制的参数。因此，离子注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及深度。

图2-8　淀积工艺示意图