CMOS的制造(工艺)流程.doc

1、页眉内容CMOS反相器的制造工艺流程院系：交通科学与工程学院学号 :姓名：姬勃2013年 12月9日页眉内容摘要：虽然集成电路制造工艺在快速发展,但始终都是以几种主要的制造工艺为基础。文章介绍了CMOS反相器的主要工艺流程 ,并对集成电路的主要制造工艺作了简要分析。关 键 词： CMOS反相器 、工作原理、工艺流程1.1 CMOS反相器 介绍CMOS反相器由一个 P 沟道增强型 MOS 管和一个 N 沟道增强型 MOS 管串联组成。通常 P 沟道管作为负载管， N 沟道管作为输入管。这种配置可以大幅降低功耗，因为在两种逻辑状态中，两个晶体管中的一个总是截止的。处理速率也能得到很好的提高，因为与

2、 NMOS 型和 PMOS型反相器相比， CMOS反相器的电阻 相对较低1.1 工作原理两个 MOS 管的开启电压 VGS(th)PGS(th)N0，通常为了保|V GS(th)P|+V GS(th)N 。若输入vI 为低电平 (如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近V 。若输入 v 为DDI高电平 (如 VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。综上所述，当 vI为低电平时oIov为高电平； v 为高电平时 v为低电平，电路实现了非逻辑运算，是非门反相器。页眉内容1.1 CMOS的制造流程CMOS是集成电路的最基本单元，它的制作流程可分为前段和后段，前段流程主要完成元件

3、的制作，包括组件隔离区的形成、阱的植入、栅极的制成、LDD的植入、源极和漏极的制成。后段流程主要完成元件之间的互连，包括第一层金 属的制成、第二层金属的制成、保护层和焊垫的制成。以0.25微米制程为例， 具体分为以下步骤。1.1.1 组件隔离区的形成1. 初始清洗 初始清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的方法将在晶圆表面的尘粒，或杂质去除，防止这些杂质尘粒，对后续的制程造成影响，使得组件无法正常工作。表2.1是半导体制程中所用到的标准清洗步骤。表 2.1半导体制程中所用到的标准清洗步骤步化学溶剂清洗温清除之污染物骤度1HSO+HO(4:1)120有机污染物24222D.I Water室

4、温洗清3NHOH+HO+HO80-微尘9042224D.I Water室温洗清HCL+HO+HO80-522290(1:1:5)金属离子6D.I Water室温洗清7HF+HO (1:50)室温原生氧化层28D.I Water室温洗清2. 前置氧化图 2.2 为前置氧化示意图。先长一层薄薄的二氧化硅，目的是为了降低后页眉内容续 制程中的应力，因为要在晶圆的表面形成一层厚的氮化硅，而氮化硅具有很强的 应力，会影响晶圆表面的结构，因此在这一层氮化硅及硅晶圆之间，加入一层二 氧化硅减缓氮化硅的应力，因为氮化硅具有拉力而二氧化硅具有张力，因此加入 一层二氧化硅可以平衡掉硅晶圆表面的应力。图 2.2前置

5、氧化3沉积氮化硅页眉内容图 2.3 为沉积氮化硅示意图。利用 PECVD 的技术沉积氮化硅，用来隔绝氧气 与硅的接触，以定义出组件隔离的区域，使不被氮化硅所覆盖的区域，被氧化而 形成组件隔离区。离子布植 -离子布植是将所需的注入元素 ( 如砷 ) 电离成正离子，并使其获得 所需的能量，以很快的速度射入硅芯片的技术。而这个固体材料主要是由原子核 和电子组成的。图 2.3 沉积氮化硅4. 组件隔离区的光罩形成 图 2.4 是组件隔离区的光罩形成示意图，利用微影的技术，上光阻，将要氧化绝缘的区域的光阻去除，而定义出组件隔离区。图 2.4组件隔离区的光罩形成5. 氮化硅的蚀刻 图 2.5 是氮化硅的蚀

6、刻示意图，将需要氧化区域的氮化硅利用活性离子蚀刻法去除。接着再将光阻去除。图 2.5 氮化硅的蚀刻6. 元件隔离区的氧化 图 2.6 是元件隔离区的氧化示意图，利用氧化技术，在组件隔离区长成一层厚厚的二氧化硅，形成组件的隔离区。注：氧化 - 二氧化硅 (SiO 2 ) 的制作方法有 :1. 热氧化法； 2. 沉积法； 3. 阳极氧化法； 4. 氧离子注入氧化法。其中较常用的热氧化法又可分为1. 干氧化法； 2.页眉内容湿氧化法； 3. 纯水氧化法； 4. 掺氯氧化法。而湿氧化法又有普通湿氧氧化法及 氢氧合成湿氧化法。图 2.6元件隔离区的氧化7. 去除氮化硅 图 2.7 是去除氮化硅示意图，利

7、用活性离子蚀刻技术将氮化硅去除。图 2.7 去除氮化硅1.1.2 阱的植入1.N 型阱的形成图 2.8 是 N型阱的形成示意图，将光阻涂在芯片上之后，利用微影技术，将 所要形成的 N 型阱区域的图形定义出来，即将所要定义的域的光阻去 除掉。利用离子布植的技术，将磷打入晶圆中，形成N 型阱区 N 型阱。图2.8 N型阱的形成2.P 型阱的形成图 2.9 是 P型阱的形成示意图，将光阻涂在芯片上之后，利用微影技术，将 所要形成的 P 型阱区域的图形定义出来，即将所要定义的域的光阻去 除掉。利用离子布植的技术，将硼打入晶圆中，形成着再利用有机溶 剂将光阻去除。P 型阱区P 型阱。接页眉内容图 2.9

8、 P 型阱的形成3. 退火及氧化层的形成 图 2.10 是退火及氧化层的形成示意图，离子布植之后会严重地破坏了晶格的完整性。所以，掺杂离子布植之后的晶圆必须经过合理的退火。退火就是利用 各种形式的能量转换产生热量来消除晶圆中晶格缺陷和内应力，以恢复晶格的完 整性。同时使使注入杂质原子进入到替代位置而有效的活化加入的杂质。图 2.10退火及氧化层的形成4.去除二氧化硅图 2.11 是去除二氧化硅示意图，利用湿式蚀刻的方法将芯片表面的二氧化硅予以去除。图 2.11去除二氧化硅页眉内容1.1.3 栅极的制成1. 栅极 (gate) 氧化层的形成图 2.12 是栅极 (gate) 氧化层的形成示意图，

9、利用热氧化形成良好品质的二氧化硅，作为栅极的氧化层，此道步骤为制作CMOS 的关键步骤。图 2.12栅极 ( gate) 氧化层的形成2. 多晶硅的沉积图 2.13 是多晶硅的沉积示意图，利用 LPCVD 的技术沉积多晶硅在晶圆表面， 以达到在闸极的区域有好的电性接触点。注： LPCVD- 低压化学气相沉积。低压化学气相沉积是在炉管中完成的，是 将气体反应物通入炉管中，加以反应形成所需的物质在芯片上。图 2.13多晶硅的沉积3栅极光罩的形成图 2.14 是栅极光罩的形成示意图，先上光阻，再利用微影技术将栅极的区域定义出来。图 2.14栅极光罩的形成页眉内容4. 活性离子蚀刻 图 2.15 是活

10、性离子蚀刻示意图，利用活性离子蚀刻将栅极区域以外，再用LPCVD 所成长的多晶硅及在形成栅极时所生长的二氧化硅给蚀刻。图 2. 15活性离子蚀刻5. 热氧化图 2.16 是热氧化示意图，利用氧化技术，在晶圆表面形成一层氧化层。图 2.16 热氧化1.1.4 LDD 的植入1. NLDD植入图 2.17 是 NLDD植入示意图。首先上光阻，利用微影技术将NMOS的源 极及漏极区域的光罩形成之后,在 NMOS 的源极和漏极 (source and drain)植入一层很薄的LDD ，然后去光阻。注：在次微米MOS 中要用低掺杂漏极（ LDD ）来抑制热载流子效应.，因为 热载流子效应会导致元件劣化

11、且影响晶片的可靠度。 LDD 为高浓度的 source and drain 提供了一个扩散缓冲层，抑制了热载流子效应。页眉内容图 2.17NLDD 植入3. PLDD 植入图2.18 是 PLDD 植入示意图，首先上光阻，利用微影技术将PMOS 的源极及漏极区域的光罩形成之后， .在 PMOS 的源极和漏极同样植入一层很薄的 LDD ， 然后去光阻。图 2.18 PLDD植入1.1.5 源极及漏极的形成1.沉积氮化硅 图 2.19 是沉积氮化硅示意图，用化学气相沉积方法沉积一层氮化硅。页眉内容图 2.19沉积氮化硅2蚀刻氮化硅 图 2.20 是蚀刻氮化硅示意图，蚀刻掉氮化硅，但会在侧壁留下一些

12、残余物，被称为 spacer 。图 2.20蚀刻氮化硅3.NMOS的源极及漏极区域制成图2.21 是 NMOS的源极及漏极区域制成示意图，首先上光阻，利用微影技术将 NMOS 的源极及漏极区域的光罩形成之后，再利用离子布植技术将砷元素打 入源极及漏极的区域，接着做退火的处理页眉内容图 2.21 NMOS 的源极及漏极区域制成4.PMOS的源极及漏极的制成图 2.22 是 PMOS的源极及漏极的制成示意图，首先利用微影技术将PMOS的源 极及漏极区域的光罩形成 (p-channel Source/Drain Mask) 之后，再利用离子布 植的技术将硼元素打入源极及漏极的区域。图 2.22 PM

13、OS 的源极及漏极的制成5. 沉积 Ti 并形成 TiSi 2图 2.23 是沉积 Ti 并形成 TiSi 2 示意图， Ti 在高温下与 Si 反应生成TiSi 2。图 2.23沉积 Ti 并形成 TiSi2页眉内容6.Ti的蚀刻图 2.24 是 Ti的蚀刻示意图，把栅极侧壁的Ti蚀刻掉。图 2.24 Ti的蚀刻1.1.6 第一层互连的制作1. 沉积含硼磷的氧化层（BPSG）图 2.25 是沉积含硼磷的氧化层（BPSG）示意图，由于加入硼磷的氧化层熔点会比较低，当其加热后会有些微流动的性质，所以可以利用其来做初级平坦化。图 2.25 沉积含硼磷的氧化层（ BPSG）2. 第一层接触金属之接触

14、洞之形成图 2.26 是第一层接触金属之接触洞之形成示意图，上光阻之后，利用微影 技术将第一层接触金属的光罩形成。再利用活性离子蚀刻将接触点上的材料去掉 (Contact RIE Etch)，去掉光阻，再将晶圆放置于加热 炉管中，升高温度，使 ASG 产生些微的流动，即初级平坦化。页眉内容图2.26第一层接触金属之接触洞之形成3形成图TiN 2.27层是形成TiN层示意图，利用溅镀的技术，溅镀上一层TiN 。图2.27形成TiN层4沉积钨图 2.28 是沉积钨示意图，沉积钨并添满接触洞，然后用 CMP（化学机械研 磨）的方法去掉表面的钨。图 2.28沉积钨5. 第一层金属的制成图 2.29 是

15、第一层金属的制成示意图，利用溅镀的技术，溅镀上一层铝金属。但在铝的上下表面也要做Ti/TiN层。页眉内容图 2.29第一层金属的制成6. 第一层金属的蚀刻图 2.30 是第一层金属的蚀刻示意图，利用微影技术，定义出第一层金属的 光罩。接着将铝金属利用化学蚀刻的技术，将不要的部份去除。图 2.30 第一层金属的蚀刻1.1.7第二层互连的制成1. 沉积第一层介电膜（ IMD1）图 2.31 是沉积 IMD1 示意图，沉积一层介电膜（ IMD）主要成分是硅玻璃。然后用化学机械研磨的方法做表面平坦化处理。图 2.31 沉积 IMD12第二层接触金属连接线形成图 2.32 是第二层接触金属的连接线的形成

16、示意图，利用微影技术将第二层接触金属的图形制造出来，再利用活性离子蚀刻法来做接触点的蚀刻(Contact Etch)。之后去掉光阻。然后沉积钨并添满接触洞，用CMP （化学机械研磨）的 方法去掉表面的钨。页眉内容图 2.32第二层接触金属的连接线的形成3. 第二层金属的制成图 2.33 是第二层金属的制成示意图，先将第二层金属沉积(2nd MetalDeposition)上去，接着利用微影技术将第二层金属的光罩形成(2nd MetalMasking) ，接着将铝金属蚀刻 (Aluminum Etch) 。图 2.33 第二层金属的制成 1.1.8 保护层与焊垫的制成1. 保护氧化层和氮化硅的沉积图 2.34 是保护氧化层和氮化硅的沉积示意图，接着利用氧 化层。再利用 PECVD沉积氮化硅，形成保护层。PECVD沉积保护的页眉内容图 2.34保护氧化层和氮化硅的沉