西安交通大学微电子制造技术第九章集成电路制造概况课件

微电子制造技术

第9章

IC制造工艺概况

引言

典型的半导体IC制造可能要花费6～8周时间，包括450甚至更多的步骤来完成所有的制造工艺，其复查程度是可想而知的。本章简要介绍0.18µm的CMOS集成电路硅工艺的主要步骤，使大家对芯片制造过程有一个较全面的了解。每个工艺的细节将在后面有关章节介绍。芯片制造就是在硅片上执行一系列复查的化学或者物理操作。这些操作归纳为四大基本类型：薄膜制备（layer）、图形转移、刻蚀和掺杂。由于是集成电路制造的概述，所以会接触到大量的术语和概念，这些将在随后的章节中得到详细阐述。

学习目标1. 熟悉典型的亚微米CMOSIC制造流程；2. 对6种主要工艺(扩散、离子注入、光刻、刻蚀、薄膜生长、抛光)在概念上有一个大体了解；3. 熟悉CMOS制造工艺的14个基本步骤。

CMOS工艺流程硅片制造厂的分区概况扩散光刻刻蚀离子注入薄膜生长抛光CMOS制作步骤参数测试

在亚微米CMOS制造厂

典型的硅片流程模型完成的硅片测试/拣选离子注入扩散(氧化)刻蚀抛光光刻无图形的硅片硅片起始薄膜生长硅片制造(前端

)Figure9.2

扩散扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散区的主要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。高温扩散炉（见图9.3）可以在1200℃的高温下工作，并能完成多种工艺流程，包括氧化、扩散、淀积、退火及合金。湿法清洗设备是扩散区中的辅助设施。硅片放入高温炉之前必须进行彻底地清洗，以除去硅片表面的沾污以及自然氧化层。光刻光刻的目的是将掩膜版图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一种光敏的化学物质，它通过深紫外线曝光来印制掩膜版的图像。涂胶/显影设备是用来完成光刻的一系列工具的组合。这一工具首先对硅片进行预处理、涂胶、甩胶、烘干，然后用机械臂将涂胶的硅片送入对准及曝光设备。步进光刻机用来将硅片与管芯图形阵列（掩膜版）对准。在恰当地对准和聚焦后，步进光刻机进行逐个曝光。光刻工艺的污染控制格外重要，所以清洗装置以及光刻胶剥离机安排在制造厂的它区域。经过光刻处理的硅片只流入两个区：刻蚀区和离子注入区。Photo9.1亚微米制造厂的光刻区刻蚀刻蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀区最常见的工具是等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。目前虽然仍采用一些湿法刻蚀工艺，但大多数步骤采用的是干法等离子体刻蚀（见图9.5）。等离子体刻蚀机是一种采用射频（RF）能量在真空腔中离化气体分子的一种工具。等离子体是一种由电激励气体发光的物质形态。等离子体与硅片顶层的物质发生化学反应。刻蚀结束后利用一种称为去胶机的等离子体装置，用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。离子注入

离子注入的目的是掺杂。离子注入机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体含有要掺入的杂质，例如砷(As)、磷(P)、硼(B)等在注入机中离化。采用高电压和磁场来控制并加速离子。高能杂质离子穿透光刻胶进入硅片表面薄层。离子注入完成后，进行去胶合彻底清洗硅片。薄膜生长薄膜生长工艺是在薄膜区完成的。是实现器件中所需的介质层和金属层的淀积。薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。薄膜生长区中有很多不同的设备。所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作，包括化学气相淀积（CVD）和金属溅射工具（物理气相淀积PVD）。薄膜金属化工作区PhotocourtesyofAdvancedMicroDevicesPhoto9.2

亚微米制造厂的抛光区PhotocourtesyofAdvancedMicroDevicesPhoto9.3

CMOS制作步骤

COMS技术COMS是在同一衬底上制作nMOS和pMOS晶体管的混合，简单的COMS反相器电路图如图所示。SGInputD+VDDDSGOutputpMOSFETnMOSFET-VSSPassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3

M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314

1.双井工艺2.浅槽隔离工艺3.多晶硅栅结构工艺4.轻掺杂(LDD)漏注入工艺5.侧墙的形成6.源/漏(S/D)注入工艺7.接触孔的形成8.局部互连工艺9.通孔1和金属塞1的形成10.金属1互连的形成11.通孔2和金属塞2的形成12.金属2互连的形成13.制作金属3直到制作压点及合金14.参数测试p-wellFormation

1）第二层掩膜

2）P井注入(高能)

3）退火Figure9.9

p+SiliconsubstrateBoronimplantPhotoresist1p-EpitaxiallayerOxide3n-well2p-well二、浅曹隔离工艺

ASTI槽刻蚀

1）隔离氧化

2）氮化物淀积

3）第三层掩膜

4）STI槽刻蚀

（氮化硅的作用：坚固的掩膜材料，有助于在STI氧化物淀积过程中保护有源区；在CMP中充当抛光的阻挡材料。）Figure9.10

+IonsSelectiveetchingopensisolationregionsintheepilayer.p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-well3Photoresist2Nitride41OxideSTItrenchBSTIOxideFill

1）沟槽衬垫氧化硅

2）沟槽CVD氧化物填充Figure9.11

p-wellTrenchfillbychemicalvapordeposition1Lineroxidep+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-well2NitrideTrenchCVDoxideOxide三、PolyGateStructureProcess

晶体管中栅结构的制作是流程当中最关键的一步，因为它包含了最薄的栅氧化层的热生长以及多晶硅栅的形成，而后者是整个集成电路工艺中物理尺度最小的结构。

1）栅氧化层的生长

2）多晶硅淀积

3）第四层掩膜

4）多晶硅栅刻蚀Figure9.13

p+SiliconsubstrateGateoxide12p-Epitaxiallayern-wellp-wellPolysilicondepositionPolygateetch43PhotoresistARC四、轻掺杂源漏注入工艺

随着栅的宽度不断减小，栅下的沟道长度也不断减小。这就增加源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希望的沟道漏电流。LDD工艺就是为了减少这些沟道漏电流的发生。

An-LDDImplant

1）第五层研磨

2）n-LDD注入（低能量，浅结）Figure9.14

p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-welln-n-n-1PhotoresistmaskArsenicn-LDDimplant2Bp-LDDImplant

1）第六层掩膜

2）P-

轻掺杂漏注入（低能量，浅结）Figure9.15

p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellPhotoresistMask1p-p-Photoresistmask1n-n-2BFp-LDDimplant2p-n-六、源/漏注入工艺

An+Source/DrainImplant

1）第七层掩膜

2）n+源/漏注入Figure9.17

p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-welln+Arsenicn+S/Dimplant2Photoresistmask1n+n+Bp+Source/DrainImplant

1)第八层掩膜

2）P＋源漏注入（中等能量）

3）退火Figure9.18

Boronp+S/Dimplant2p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellPhotoresistMask11Photoresistmaskn+p+p+n+n+p+七、ContactFormation

钛金属接触的主要步骤

1）钛的淀积

2）退火

3）刻蚀金属钛Figure9.19

2Tisilicidecontactformation(anneal)Titaniumetch3Titaniumdepostion1n+p+n-wellp+n+p-welln+p+p-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateFigure9.20作为嵌入LI金属的介质的LI氧化硅八、局部互连工艺

A

LIOxideDielectricFormation

1）氮化硅化学气相淀积

2）掺杂氧化物的化学气相淀积

3）氧化层抛光（CMP）

4）第九层掩膜，局部互连刻蚀Figure9.21

1NitrideCVDp-wellp-wellp-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateLIoxide2DopedoxideCVD4LIoxideetchOxidepolish3BLIMetalFormation

1)金属钛淀积（PVD工艺）

2）氮化钛淀积

3）钨淀积(化学机械气相淀积工艺平坦化)

4）磨抛钨Figure9.22

n-wellLItungstenpolishTungstendepositionTi/TiNdeposition234LIoxideTideposition1p-wellp-Epitaxiallayerp+Siliconsubstrate九、通孔1和钨塞1的形成

AVia-1Formation

1）第一层层间介质氧化物淀积

2）氧化物磨抛

3）第十层掩膜，第一层层间介质刻蚀Figure9.23

OxidepolishILD-1oxideetch(Via-1formation)23LIoxideILD-1oxidedeposition1ILD-1p-welln-wellp-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateBPlug-1Formation

1）金属淀积钛阻挡层（PVD）

2）淀积氮化钛（CVD）

3）淀积钨（CVD）

4）磨抛钨Figure9.24

Tungstenpolish(Plug-1)TungstendepositionTi/TiNdeposition234LIoxideTidep.1ILD-1p-welln-wellp-Epitaxiallayerp+Siliconsubstrate多晶硅钨LI钨塞Mag.17,000XPhoto9.4多晶硅、钨LI和钨塞的SEM显微照片十、Metal-1InterconnectFormation

1）金属钛阻挡层淀积（PVD）

2）淀积铝铜合金（PVD）

3）淀积氮化钛（PVD）

4）第十一层掩膜，金属刻蚀Figure9.25

2341TiNdepositionAl+Cu(1%)depositionTiDepositionLIoxideILD-1Metal-1etchp-welln-wellp-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateTiNmetalcapMag.17,000XTungstenplugMetal1,AlPhoto9.5第一套钨通孔上第一层金属的SEM显微照片

十一、Via-2Formation

A

制作通孔2的主要步骤

1）ILD-2间隙填充

2）ILD-2氧化物淀积

3）ILD-2氧化物平坦化

4）第十二层掩膜，ILD-2刻蚀Figure9.26

4p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellLIoxideILD-1OxidepolishILD-2gapfill132ILD-2oxidedepositionILD-2oxideetch(Via-2formation)BPlug-2Formation

1）金属淀积钛阻挡层(PVD)

2）淀积氮化钛(CVD)

3）淀积钨（CVD）

4）磨抛钨Figure9.27

LIoxideTungstendeposition(Plug-2)Ti/TiNdeposition23Tideposition1ILD-1ILD-2p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellTungstenpolish4十二、Metal-2InterconnectFormation

1）淀积、刻蚀金属2

2）填充第三层层间介质间隙

3）淀积、平坦化ILD-3氧化物

4）刻蚀通孔3，淀积钛/氮化钛、钨，平坦化Figure9.28

十三、制作第三层金属直到制作压点和合金

重复工艺制作第三层和第四层金属后，完成第四层金属的刻蚀，紧接着利用薄膜工艺淀积第五层层间介质氧化物（ILD-5）(见下图)。由于所刻印的结构比先前工艺中形成的0.25µm尺寸要大很多，所以这一层介质不需要化学机械抛光。工艺的最后一步包括再次生长二氧化硅层（第六层层间介质）以及随后生长顶层氮化硅。这一层氮化硅称为钝化层。其目的是保护产品免受潮气、划伤以及沾污的影响。Figure9.29整个0.18mm的CMOS局部剖面

PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3

M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+n+ILD-6LImetalViap+p+n+n+微处理器剖面的SEM显微照片MicrographcourtesyofIntegratedCircuitEngineeringMag.18,250XPhoto9.6

十四、参数测试

硅片要进行两次测试以确定产品的功能可靠性：第一次测试在首层金属刻蚀完成后进行，第二次是在完成芯片制造的最后一步工艺后进行。使用微探针仪进行芯片电学测试Photo9.7

小结芯片加工厂大概可以分6个主要的生产区域：扩散区、光刻区、刻蚀区、离子注入区、薄膜区和抛光区，加上工艺最后的片上测试和拣选。扩散属于高温工艺(目的是掺杂)；光刻利用光刻胶的感光性将掩膜版上的图形转移到光刻胶薄膜上；刻蚀将光刻胶上的图形复制在硅片上；离子注入是对硅片进行掺杂；薄膜区是淀积介质和金属层；抛光是将硅片上表面凹凸不平的区域平坦化。简化的CMOS工艺由14个生产步骤组成。Oxidation(Fieldoxide)SiliconsubstrateSilicondioxid