第十章：工艺集成

第十章：工艺集成§10.1引言单项工艺单项工艺是指氧化、扩散、离子注入、光刻、刻蚀、沉积、蒸发与溅射或CMP工艺集成工艺集成就是多个单项工艺的组合。不同的单项工艺组合可形成各种IC制造技术（如0.5um

CMOS技术、

0.5um

Bipolar技术、0.5um

BICMOS技术、0.5um

BCD技术等）。本章介绍两种集成电路制造技术1.早期基本的3.0μmCMOS集成电路工艺技术2.现代先进的0.18μmCMOS集成电路工艺技术硅片制造厂的分区

硅片制造厂分成6个独立的生产区：扩散（包括氧化、LPCVD、热掺杂等高温工艺）

光刻刻蚀

薄膜（包括APCVD、PECVD、溅射等）离子注入抛光（CMP）硅片制造厂的分区

亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型

7大工艺步骤：

1.双阱工艺

2.LOCOS（

LOCalOxidationofSilicon）隔离工艺

3.多晶硅栅结构工艺

4.源/漏（S/D）注入工艺

5.金属互连的形成

6.制作压点及合金

7.参数测试§10.2早期基本的3.0μmCMOS集成电路工艺技术

■工艺流程：1.双阱工艺备片→初氧氧化→光刻N阱区→N阱磷注入→刻蚀初氧层→光刻P阱区→P阱硼注入→阱推进2.LOCOS隔离工艺垫氧氧化→氮化硅沉积→光刻有源区→光刻NMOS管场区→NMOS管场区硼注入→场区选择氧化3.多晶硅栅结构工艺去除氮化硅→栅氧化→多晶硅沉积→多晶掺磷→光刻多晶硅工艺流程（续）：4.源/漏（S/D）注入工艺光刻NMOS管源漏区→NMOS管源漏区磷注入→光刻PMOS管源漏区→PMOS管源漏硼注入5.金属互连的形成BPSG沉积→回流/增密→光刻接触孔→溅射Si-Al-Cu→光刻金属互连6.制作压点及合金钝化→光刻压焊窗口→合金7.参数测试备片：P型硅单晶、单面抛光片、晶向＜100＞、电阻率~20Ω.cm、φ100mm、片厚525μm初氧氧化：工艺目的：制作阱注入的缓冲层工艺方法：干氧氧化工艺要求：厚度100nm左右1.双阱工艺光刻N阱区工艺目的：定义PMOS管的N阱区域工艺方法：光刻7步骤（HMDS气相成底膜、涂胶、软烘、对准曝光、显影、坚膜、检查）工艺要求：边缘整齐、无针孔、无小岛N阱磷注入：注入能量120KEV、注入剂量2.0E131.双阱工艺刻蚀初氧层：湿法腐蚀、湿法去胶光刻P阱区：同N阱光刻P阱区硼注入：能量100KEV、剂量3.0E131.双阱工艺阱推进：工艺目的：形成符合要求的阱杂质浓度分布工艺方法：高温（N2＋O2）气氛工艺要求：N阱R□＝1000Ω/□左右

P阱R□＝2500Ω/□左右

Xj＝4.0μm左右1.双阱工艺阱的作用：①使PMOS和NMOS管的阈值电压满足要求；②减小寄生的闭锁效应；③PMOS管做在N阱里，NMOS管做在P阱里，用N阱-衬底PN结的反偏实现PMOS管和NMOS管之间的电气隔离。

1.双阱工艺阱的作用：减小寄生的闭锁效应

1.双阱工艺CMOS器件截面图寄生BJT等效电路图N阱光刻版图及N阱剖面图1.双阱工艺P阱光刻版图及P阱剖面图1.双阱工艺垫氧氧化工艺目的：减小氮化硅与硅之间的应力。工艺方法：去除硅片上的所有氧化层、清洗、干氧氧化工艺要求：厚度tox＝50nm左右氮化硅沉积工艺目的：做后续选择氧化的掩蔽层工艺方法：LPCVD工艺要求：厚度170nm左右2.LOCOS隔离工艺光刻有源区工艺目的：定义NMOS管和PMOS管的有源区工艺方法：光刻7步、RIE刻蚀氮化硅、湿法去胶工艺要求：同N阱光刻2.LOCOS隔离工艺有源区光刻版图及器件剖面图2.LOCOS隔离工艺光刻N管场区（用P阱版）工艺目的：定义NMOS管场区，并为场区注入提供光刻胶阻挡层工艺方法：光刻7步、不刻蚀、不去胶工艺要求：同N阱光刻2.LOCOS隔离工艺NMOS管场区光刻版图及剖面图2.LOCOS隔离工艺NMOS管场区硼注入：能量40KEV、剂量5E13

工艺目的：提高NMOS管场开启电压，增强NMOS管之间的场隔离能力。

注意：氮化硅阻挡硼注入防止有源区被掺杂。2.LOCOS隔离工艺场区选择氧化（LOCOS）工艺目的：实现同种MOS管之间的电气隔离。工艺方法：去胶、清洗，（干＋湿＋干）高温氧化工艺要求：场氧厚度800nm左右2.LOCOS隔离工艺实际的LOCOS剖面图2.LOCOS隔离工艺LOCOS隔离原理：通过场区注入（仅NMOS场区）及场区选择氧化，增加场区的表面掺杂浓度及场区氧化层厚度，提高场区寄生MOS管的阈值电压至大于电源电压，使其不开启，从而消除寄生MOS管效应，实现了NMOS管之间和PMOS管之间的电气隔离。LOCOS隔离原理：场区寄生NMOS剖面图去除氮化硅工艺方法：①去除氮化硅上的氧化层②180℃的热磷酸去氮化硅③去除垫氧层3.多晶硅栅结构工艺栅氧化工艺目的：形成MOS器件的栅电介质层工艺方法：干氧掺氯氧化工艺要求：厚度~50nm、Qss小多晶硅沉积

工艺目的：做MOS管的栅电极工艺方法：LPCVD

工艺要求：厚度：~400nm3.多晶硅栅结构工艺多晶掺磷工艺目的：形成导电的多晶硅栅电极工艺方法：POCl3源磷扩散工艺要求：掺磷后多晶R□≤30Ω/□光刻多晶硅工艺目的：定义栅电极图形，产生特征尺寸。该工艺是硅片制造中的关键工艺！3.多晶硅栅结构工艺光刻多晶硅（续）工艺方法：光刻7步，Cl基气体RIE刻蚀、湿法去胶工艺要求：特征尺寸CD检查（小于设计值的10％）多晶硅栅侧壁陡直3.多晶硅栅结构工艺多晶硅光刻版图及栅结构剖面图3.多晶硅栅结构工艺光刻NMOS管源漏区工艺目的：定义NMOS源漏注入区及PMOS的衬底接触区，并提供光刻胶阻挡层。工艺方法：光刻7步、不刻蚀、不去胶NMOS源漏区磷注入：能量100KEV、剂量2E15

4.源/漏（S/D）注入工艺NMOS管源漏注入区光刻版图及剖面图4.源/漏（S/D）注入工艺光刻PMOS管源漏注入区工艺目的：定义PMOS源漏注入区及NMOS管的

衬底接触区，并提供光刻胶阻挡层。工艺方法：同NMOS管源漏光刻。PMOS源漏区硼注入：能量60KEV、剂量：1E154.源/漏（S/D）注入工艺PMOS管源漏注入区光刻版图及器件剖面图4.源/漏（S/D）注入工艺BPSG沉积工艺目的：器件有源区与金属互连之间的电气隔离，

并保护器件表面免受沾污。工艺方法：LPCVD工艺要求：厚度~1000nm5.金属互连的形成回流/增密工艺目的：①源漏注入杂质的电激活②减小注入损伤③BPSG致密化④BPSG回流，芯片平坦化。工艺方法：950℃30分氮气5.金属互连的形成光刻接触孔工艺目的：形成连接器件有源区和金属布线之间的

通道孔工艺方法：光刻7步工艺要求：同第一次光刻

5.金属互连的形成光刻接触孔（续）工艺目的：形成连接器件有源区和金属布线之间的

通道孔工艺方法：RIE刻蚀、湿法去胶

5.金属互连的形成接触孔光刻版图及器件剖面图5.金属互连的形成

溅射Si-Al-Cu工艺目的：制作电路元器件的金属电极工艺方法：溅射材料Si（1％）－Al－Cu（0.5％），

磁控溅射。工艺要求：厚度1.2μm5.金属互连的形成光刻金属电极

工艺目的：形成电路的金属互连线。工艺方法：光刻7步，Cl基气体RIE刻蚀，干法氧等离子体去胶5.金属互连的形成金属电极光刻版图及剖面图5.金属互连的形成钝化工艺目的：保护器件表面，防止金属线划伤、表面

吸潮、表面沾污。工艺方法：PECVD生长氧化硅和氮化硅介质层工艺要求：tox＝300nm左右、tSiN＝700nm左右6.制作压点及合金光刻压焊窗口工艺目的：开出金属电极窗口以便压焊键合工艺方法：光刻7步6.制作压点及合金光刻压焊窗口（续）工艺目的：开出金属电极窗口以便压焊键合工艺方法：RIE刻蚀，干法去胶

6.制作压点及合金合金工艺目的：金属与器件有源区之间形成良好的欧

姆接触。工艺方法：合金炉，420℃30分（N2＋H2）6.制作压点及合金CMOS器件结构剖面图及电路图CMOS反相器电路图CMOS器件结构剖面图7.参数测试一种1.0μm双阱CMOS电路实际版图一种0.5μm双阱CMOS电路芯片照片-有源及多晶一种0.5μm双阱CMOS电路芯片照片-N阱及P阱一种0.5μm双阱CMOS电路芯片照片-第一层金属一种0.5μm双阱CMOS电路芯片照片-第二层金属§10.3现代先进的0.18μmCMOS集成电路工艺技术

14大工艺步骤：

1.双阱工艺

2.浅槽隔离工艺

3.多晶硅栅结构工艺

4.轻掺杂漏（LDD）工艺

5.侧墙形成工艺

6.源/漏（S/D）注入工艺

7.接触形成工艺

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

1.双阱工艺N阱的形成步骤1.外延生长：φ8英寸、P－/P＋、外延层厚度约5.0μm、片厚1.5mm左右2.薄氧氧化：厚度150Å

作用①表面保护以免沾污②减小注入损伤③有助于减轻注入沟道效应

3.第一次光刻：光刻N阱注入区，不去胶，光刻胶阻挡注入。4.N阱磷注入（连续三次）：①倒掺杂注入以减小CMOS器件的闭锁效应，能量高200KEV、结深1.0μm左右②中等能量注入以保证源漏穿通电压③小剂量注入以调整阈值电压。5.退火：作用①杂质再分布②修复注入损伤③注入杂质电激活P阱的形成步骤1.第二次光刻（用N阱的反版）：光刻P阱注入区2.P阱硼注入（连续三次）：同N阱磷注入3.退火：作用同“N阱的形成”倒掺杂阱技术：连续三次离子注入①第一次高能量（＞200KEV）、深结（~1.0μm）倒掺杂注入，以减小CMOS器件的闭锁效应②第二次中能量注入，以保证源漏穿通电压③第三次小剂量注入，以调整阈值电压阱的作用：①PMOS与NMOS之间的电气隔离②减小寄生的闭锁效应

CMOS器件截面图寄生BJT等效电路图2.浅槽隔离工艺浅槽隔离STI（ShallowTrenchIsolation）：浅槽隔离是在衬底上通过刻蚀槽、氧化物填充及氧化物平坦化等步骤，制作晶体管有源区之间的隔离区的一种工艺。它取代了LOCOS隔离工艺。

2.浅槽隔离工艺STI隔离的优点：①提高电路的集成度

②改善电路的抗闩锁性能LOCOS隔离的缺点：①鸟嘴浪费有源区面积影响集成度②横向尺寸不能精确控制

2.浅槽隔离工艺STI槽刻蚀步骤1.薄氧生长：厚度150Å作用：在去掉上面氮化硅时保护有源区以防被腐蚀。2.氮化硅沉积：LPCVD沉积，作用：做CMP的阻挡层，保护有源区免受CMP的过度抛光3.第三次光刻：光刻浅槽隔离区4.STI槽刻蚀：RIE刻蚀，槽深1.0μm左右STI氧化物填充步骤1.沟槽衬垫氧化硅生长：厚度150Å作用：改善硅与沟槽填充氧化物之间的界面特性。2.沟槽CVD氧化物填充：LPCVD方法STI氧化层抛光－氮化物去除步骤1.沟槽氧化物抛光CMP2.氮化硅去除：热磷酸煮3.多晶硅栅结构工艺关键工艺！①它包括最薄、质量最好的栅氧化层的热生长②多晶硅栅的线宽是整个芯片上的特征尺寸1.栅氧化：厚度20～50Å

，形成MOS管的栅电介质2.多晶硅沉积：LPCVD法，厚度5000Å多晶硅掺杂：形成导电的栅电极3.第四次光刻：光刻多晶硅栅，DUV深紫外步进式光刻机曝光，多晶硅上涂抗反射层（ARC），随后进行特征尺寸、套刻精度、缺陷等质量检查。4.多晶硅栅刻蚀：用最好的RIE刻蚀机，保证垂直的侧壁

4.轻掺杂漏（LDD）工艺轻掺杂漏（LDD）（

LDD，LightlyDopedDrain）LDD工艺目的：

减小源漏间的穿通和沟道漏电，提高源漏工作电压

4.轻掺杂漏（LDD）工艺N－轻掺杂漏注入步骤1.第五次光刻：光刻N－LDD注入区，不去胶。2.N－LDD注入：低能量注入As，其作用①分子量大，有利于表面非晶化②慢扩散杂质在后续的热处理中，有利于维持浅结P－轻掺杂漏注入步骤1.第六次光刻：光刻P－LDD注入区，不去胶2.P－LDD注入：低能量注入BF2，其作用①比硼的分子量大，有利于表面非晶化②比硼的扩散系数低，在后续的热处理中，有利于维持浅结

5.侧墙形成工艺侧墙形成工艺目的：侧墙用来环绕多晶硅栅侧壁阻挡大剂量的S/D注入以免其接近沟道导致源漏穿通。1.沉积二氧化硅：LPCVD法，厚度1000Å

2.二氧化硅反刻

6.源/漏（S/D）注入工艺N＋源漏注入步骤1.第七次光刻：光刻N＋源/漏注入区，不去胶2.N＋源/漏注入:中等剂量注AsP＋源漏注入步骤1.第八次光刻：光刻P＋源/漏注入区，不去胶2.P＋源/漏注入:中等剂量注硼3.退火：快速热退火RTP，温度1000℃，时间几秒，RTP的作用：①减小注入深度的推进②其它同普通的热退火

7.接触形成工艺接触形成工艺目的：在硅片所有的有源区上形成金属接触使硅和随后沉积的导电材料更紧密的结合，降低欧姆接触电阻。自对准金属硅化物的形成（钛接触工艺步骤）：1.金属钛Ti沉积：用溅射方法2.退火：700℃以上形成硅化钛TiSi23.湿法刻蚀金属钛：刻蚀未反应的Ti，所有有源区上都保留TiSi2，而氧化层上没有TiSi2钛Ti的优点：①使硅和随后沉积的金属紧密地结合②Ti与硅反应生成的TiSi2，其电阻率比Ti更低自对准金属硅化物的形成8.局部互连工艺局部互连LI（LocalInterconnect）工艺目的：形成金属布线与器件之间的连接。—大马士革工艺形成局部互连氧化硅介质的步骤1.沉积氮化硅：PECVD法，作用：保护有源区以防后续掺杂二氧化硅中的杂质向有源区扩散。2.掺杂二氧化硅BPSG的沉积：PECVD或HDCVD法，快速热退火：使BPSG回流3.二氧化硅抛光CMP：抛光后氧化层的厚度约8000Å4.第九次光刻：光刻局部互连区（引线孔），局部互连区刻蚀制作局部互连金属的步骤1.金属钛Ti的沉积：溅射Ti，作用：充当钨与二氧化硅的粘合剂2.TiN沉积：溅射TiN，与步骤1连续进行，不出工艺腔。阻挡层金属TiN形成的工艺目的：阻挡后续沉积的金属钨的扩散，提高器件的可靠性3.钨沉积：CVD法，钨的作用①比溅射铝有更好的孔填充，形成钨塞②具有良好的磨抛特性4.钨磨抛局部互连LI工艺－大马士革

9.通孔1和金属塞1的形成层间介质ILD（InterLayerDielectric）的作用：做为各层金属之间以及第一层金属与硅之间的绝缘介质材料以隔离各层金属、多晶硅或硅导电层。制作通孔1的主要步骤1.第一层层间介质ILD-1的沉积：PECVD等方法2.ILD-1的CMP：抛光后氧化层的厚度约8000Å3.第十次光刻：光刻通孔1，通孔1的刻蚀制作金属塞1的主要步骤金属塞的作用：完成金属线之间的电连接。1.Ti沉积：溅射Ti2.TiN沉积：在溅射Ti后不出工艺腔直接溅射TiN3.钨沉积：CVD法4.钨磨抛钨互连LI和钨塞的SEM照片

10.金属1互连的形成制作金属1互连的步骤1.金属钛阻挡层沉积：溅射Ti，此步Ti的作用①在钨塞与后续铝金属之间有良好的粘合②提高金属叠加结构的稳定性2.沉积铝铜合金Al－Cu（1％）：溅射法3.沉积氮化钛TiN：溅射法此步TiN作用：充当光刻中的抗反射层4.第十一次光刻：光刻金属1，刻蚀金属1金属1的SEM照片11.通孔2和金属塞2的形成制作通孔2的主要步骤1.ILD－2氧化硅的间隙填充：HDCVD法2.ILD－2氧化硅沉积：PECVD法3.ILD－2氧化硅抛光CMP4.第十二次光刻：光刻通孔2，通孔2的刻蚀制作金属塞2的主要步骤1.Ti的沉积：溅射法2.TiN沉积：在溅射Ti后不出工艺腔直接溅射TiN3.钨沉积：CVD法4.钨磨抛：CM