现代CMOS工艺基本流程

1、CMOSCMOS工艺工艺1 CMOS，全称，全称Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成在一块硅片上。）集成在一块硅片上。2Silicon Substrate P+2um725umSilicon Epi Layer P选择衬底选择衬底-基础基础 晶圆的选择 掺杂类型（N或P） 电阻率（掺杂浓度） 晶

2、向 高掺杂(P+)的Si晶圆 低掺杂(P)的Si外延层3Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P Pad Oxide热氧化 热氧化 形成一个SiO2薄层，厚度约20nm 高温，H2O或O2气氛 缓解后续步骤形成的Si3N4对Si衬底造成的应力4Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Silicon NitrideSi3N4淀积 Si3N4淀积 厚度约250nm 化学气相淀积(CVD) 作为后续CMP的停止层5Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Silicon Nitride

3、Photoresist光刻胶成形 光刻胶成形 厚度约0.51.0um 光刻胶涂敷、曝光和显影 用于隔离浅槽的定义6Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Silicon NitridePhotoresistSi3N4和SiO2刻蚀 Si3N4和SiO2刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀(RIE)7Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Silicon NitridePhotoresistTransistor Active AreasIsolation Trenches隔离浅槽刻蚀 隔离浅槽刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀(RIE

4、) 定义晶体管有源区8Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Silicon NitrideTransistor Active AreasIsolation Trenches除去光刻胶 除去光刻胶 氧等离子体去胶，把光刻胶成分氧化为气体9Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Silicon NitrideFuture PMOS TransistorSilicon DioxideFuture NMOS TransistorNo current can flow through here!SiO2淀积 SiO2淀积

5、用氧化物填充隔离浅槽 厚度约为0.51.0um，和浅槽深度和几何形状有关 化学气相淀积(CVD)10Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Silicon NitrideFuture PMOS TransistorFuture NMOS TransistorNo current can flow through here!化学机械抛光 化学机械抛光(CMP) CMP除去表面的氧化层 到Si3N4层为止11Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Future PMOS TransistorFuture NMOS Tr

6、ansistor除去Si3N4 除去Si3N4 热磷酸(H3PO4)湿法刻蚀，约18012Trench OxideCross SectionBare Silicon平面视图平面视图-浅槽隔离浅槽隔离 完成浅槽隔离(STI)13Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Future PMOS TransistorFuture NMOS TransistorPhotoresist光刻胶成形 光刻胶成形 厚度比较厚，用于阻挡离子注入 用于N-阱的定义14Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Future NMOS Tra

7、nsistorPhotoresistN- WellPhosphorous (-) Ions磷离子注入 磷离子注入 高能磷离子注入 形成局部N型区域，用于制造PMOS管15Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Future NMOS TransistorN- Well除去光刻胶16PhotoresistSilicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-Future NMOS TransistorN- Well光刻胶成形 光刻胶成形 厚度比较厚，用于阻挡离子注入 用于P-阱的定义17Silicon Substrate P+Si

8、licon Epi Layer P-PhotoresistN- WellBoron (+) IonsP- Well 硼离子注入 高能硼离子注入 形成局部P型区域，用于制造NMOS管硼离子注入18Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-N- WellP- Well除去光刻胶19Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- Well退火 退火 在6001000的H2环境中加热 修复离子注入造成的Si表面晶体损伤 注入杂质的电激活 同时会造成杂质的进一步扩散 快速加热工艺(RTP)可以减少杂质的扩散20Tr

9、ench OxideN- WellP- WellCross Section 完成N-阱和P-阱平面视图平面视图-N-N阱与阱与P P阱阱21Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- Well Sacrificial Oxide牺牲氧化层生长牺牲氧化层生长 牺牲氧化层生长 厚度约25nm 用来捕获Si表面的缺陷22Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- Well除去牺牲氧化层 除去牺牲氧化层 HF溶液湿法刻蚀 剩下洁净的Si表面23Silicon Substrate P+Sili

10、con Epi Layer P-P- WellN- Well Gate Oxide栅氧化层生长 栅氧化层生长 工艺中最关键的一步 厚度210nm 要求非常洁净，厚度精确(1) 用作晶体管的栅绝缘层24Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPolysilicon多晶硅淀积 多晶硅淀积 厚度150300nm 化学气相淀积(CVD)25Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresistChannel LengthPolysilicon光刻胶成形 光刻胶

11、成形 工艺中最关键的图形转移步骤 栅长的精确性是晶体管开关速度的首要决定因素 使用最先进的曝光技术深紫外光(DUV) 光刻胶厚度比其他步骤薄26Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresistChannel Length多晶硅刻蚀 多晶硅刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀(RIE) 必须精确的从光刻胶得到多晶硅的形状27Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- Well Gate Oxide Poly Gate Electrode除去光刻胶28Trench Oxi

12、deN- WellP- WellCross SectionPolysilicon平面视图平面视图-栅极栅极 完成栅极29Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- Well Gate Oxide Poly Gate Electrode Poly Re-oxidation多晶硅氧化 多晶硅氧化 在多晶硅表面生长薄氧化层 用于缓冲隔离多晶硅和后续步骤形成的Si3N430Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresist光刻胶成形 光刻胶成形 用于控制NMOS管的衔

13、接注入31Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresistArsenic (-) IonsN TipNMOS管衔接注入 NMOS管衔接注入 低能量、浅深度、低掺杂的砷离子注入 衔接注入用于削弱栅区的热载流子效应32Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN Tip除去光刻胶33Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresistN Tip光刻胶成形 光刻胶成形 用于控制

14、PMOS管的衔接注入34Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresistBF2 (+) IonsN TipP Tip PMOS管衔接注入 低能量、浅深度、低掺杂的BF2+离子注入 衔接注入用于削弱栅区的热载流子效应PMOS管衔接注入35Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN TipP Tip除去光刻胶36Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellSilicon NitrideT

15、hinner HereThicker HereN TipP TipP TipSi3N4淀积 Si3N4淀积 厚度120180nm CVD37Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellSpacer SidewallN TipP TipP TipSi3N4刻蚀 Si3N4刻蚀 水平表面的薄层Si3N4被刻蚀，留下隔离侧墙 侧墙精确定位晶体管源区和漏区的离子注入 RIE38Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresistN TipP Tip光刻胶成形 光

16、刻胶成形 用于控制NMOS管的源/漏区注入39Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellPhotoresistArsenic (-) IonsN+ DrainN+ SourceP TipNMOS管源/漏注入 NMOS管源/漏注入 浅深度、重掺杂的砷离子注入，形成了重掺杂的源/漏区 隔离侧墙阻挡了栅区附近的注入40Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP Tip除去光刻胶41Silicon Substrate P+Silicon

17、 Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourcePhotoresistP Tip光刻胶成形 光刻胶成形 用于控制PMOS管的源/漏区注入42Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellBF2 (+) IonsPhotoresistN+ DrainN+ SourceP+ SourceP+ DrainPMOS管源/漏注入 PMOS管源/漏注入 浅深度、重掺杂的BF2+离子注入，形成了重掺杂的源/漏区 隔离侧墙阻挡了栅区附近的注入43Silicon Substrate P+Silicon Epi

18、Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ SourceP+ DrainLightly Doped “Tips”除去光刻胶和退火 除去光刻胶和退火 用RTP工艺，消除杂质在源/漏区的迁移44Trench OxidePolysiliconCross SectionN- WellP- WellN+ Source/DrainP+ Source/DrainSpacer平面视图平面视图-源源/ /漏极漏极 完成晶体管源/漏极，电子器件形成45Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ Drain

19、N+ SourceP+ DrainP+ Source除去表面氧化物 除去表面氧化物 在HF溶液中快速浸泡，使栅、源、漏区的Si暴露出来46Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceTitaniumTi淀积 Ti淀积 厚度2040nm 溅射工艺 Ti淀积在整个晶圆表面47Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceTitanium S

20、ilicideUnreacted TitaniumTiSi2形成 TiSi2形成 RTP工艺，N2气氛，800在Ti和Si接触的区域，形成TiSi2其他区域的Ti没有变化称为自对准硅化物工艺(Salicide)48Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceTitanium SilicideTi刻蚀 Ti刻蚀 NH4OH+H2O2湿法刻蚀 未参加反应的Ti被刻蚀 TiSi2保留下来，形成Si和金属之间的欧姆接触49Silicon Substrate P+Silic

21、on Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGBPSG淀积 硼磷硅玻璃(BPSG)淀积 CVD，厚度约1um SiO2并掺杂少量硼和磷 改善薄膜的流动性和禁锢污染物的性能 这一层绝缘隔离器件和第一层金属50Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGBPSG抛光 硼磷硅玻璃(BPSG)抛光 CMP 在BPSG层上获得一个光滑的表面51Silicon Substrate

22、P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGPhotoresist光刻胶成形 光刻胶成形 用于定义接触孔(Contacts) 这是一个关键的光刻步骤52Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGPhotoresist接触孔刻蚀 接触孔刻蚀 基于氟的RIE 获得垂直的侧墙 提供金属和底层器件的连接53Silicon Substrate P+Silicon

23、 Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSG除去光刻胶54Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGTitanium NitrideTiN淀积 TiN淀积 厚度约20nm 溅射工艺 有助于后续的钨层附着在氧化层上55Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ Drai

24、nP+ SourceBPSGTitanium NitrideTungsten钨淀积 钨淀积 CVD 厚度不少于接触孔直径的一半 填充接触孔56Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact Plug钨抛光 钨抛光 CMP 除去表面的钨和TiN 留下钨塞填充接触孔57Trench OxidePolysiliconCross SectionN- WellP- WellN+ Source/DrainP+ Source/DrainSpacerCon

25、tact平面视图平面视图-接触孔接触孔 完成接触孔，多晶硅上的接触孔没有出现在剖面图上58Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1Ti (200) - electromigration shuntTiN (500) - diffusion barrierAl-Cu (5000) - main conductorTiN (500) - antireflective coatingMetal1淀积 第一层金属淀积(M

26、etal1) 实际上由多个不同的层组成 溅射工艺59Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1Photoresist光刻胶成形 光刻胶成形 用于定义Metal1互连60Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1PhotoresistMe

27、tal1刻蚀 Metal1刻蚀 基于氯的RIE 由于Metal1由多层金属组成，所以需要多个刻蚀步骤61Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1除去光刻胶62Trench OxidePolysiliconCross SectionN- WellP- WellN+ Source/DrainP+ Source/DrainSpacerContactMetal1平面视图平面视图-第一层互连第一层互连 完成第一层互连63S

28、ilicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1IMD1IMD淀积 金属间绝缘体(IMD)淀积 未掺杂的SiO2 连续的CVD和刻蚀工艺，厚度约1um 填充在金属线之间，提供金属层之间的绝缘隔离64Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1IM

29、D1IMD抛光 IMD抛光 CMP65Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1IMD1Photoresist光刻胶成形 光刻胶成形 用于定义通孔(Vias)66Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1PhotoresistIMD1通

30、孔刻蚀 通孔刻蚀 基于氟的RIE，获得垂直的侧墙 提供金属层之间的连接67Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1IMD1除去光刻胶68TungstenSilicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1IMD1 W Via PlugTiN和钨

31、淀积 TiN和钨淀积 同第一层互连69Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1IMD1 W Via Plug钨和TiN抛光 钨和TiN抛光 同第一层互连70Trench OxidePolysiliconCross SectionN- WellP- WellN+ Source/DrainP+ Source/DrainSpacerContactMetal1Via1平面视图平面视图-通孔通孔 完成通孔71Silicon

32、 Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1IMD1 W Via PlugMetal2Metal2淀积 Metal2淀积 类似于Metal1 厚度和宽度增加，连接更长的距离，承载更大的电流72Silicon Substrate P+Silicon Epi Layer P-P- WellN- WellN+ DrainN+ SourceP+ DrainP+ SourceBPSGW Contact PlugMetal1PhotoresistIMD1 W Via PlugMetal2光刻胶成形 光刻胶成形 相邻的金属层连线方向垂直