chapter3part1集成电路制造课件

版图设计师培训第3章版图设计2023/2/61第三章版图设计CMOSVLSI制造工艺简介晶体管版图简介分层和连接工艺设计规则纵向连接图通用设计步骤2023/2/62电路在芯片上的工作模拟10’45’’-13’52’’video2023/2/63版图的层contactdiffmetal1metal2ndiffpdiffnwellpolyvia2023/2/65内容硅工艺概述及CMOS工艺流程材料生长与淀积刻蚀设计规则2023/2/66硅工艺概述及CMOS工艺流程硅晶圆确定晶体管的基底区域形成并绘制多晶硅栅的图案确定有源区为接触孔开孔确定互连层用钝化层覆盖芯片为连线绑定形成钝化层开孔2023/2/67单晶硅的生长籽晶熔融多晶硅热屏蔽水套单晶硅石英坩锅碳加热部件单晶拉伸与转动机械坩埚籽晶单晶2023/2/69单晶硅的生长为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料被加到拉单晶炉的熔体中，晶体生长中最常用的掺杂杂质是生产p型硅的三价硼或者生产n型硅的五价磷。硅中的掺杂浓度范围可以用字母和上标来表示，如下表所示2023/2/610单晶硅的生长video2023/2/611Wafer制备过程video2023/2/613Wafer2023/2/614硅工艺概述及CMOS工艺流程Siliconwafershowingdiesites.YieldRETURN2023/2/615确定晶体管的基底区域(a)有外延层的初始圆片1）首先生长外延层，再生长SiO2层，其厚度以离子注入不能穿透为原则。2023/2/617确定晶体管的基底区域

N阱的形成N阱注入：掩膜版决定哪些区域进行注入得到N阱，通过涂胶、甩胶、光刻、显影，将N阱的区域显示出来，而光刻胶图形覆盖了硅片上的特定区域，将其保护起来免于离子注入。粒子注入后，然后将去掉硅片上的胶，随后经过一些列化学湿法清洗去除残留在硅片上的光刻胶以及其他的杂质。退火：经过清洗后的硅片将被转移到扩散区，经过清洗后进入到退火炉。退火产生：裸露的硅片生长出一层新的阻挡氧化层。高温使得杂质向硅中扩散；注入引起的伤害得到恢复；激活杂质和硅之间的共价键。2023/2/618确定晶体管的基底区域(b)在p外延层中形成n阱

2）用n阱的掩膜版进行光刻，用离子注入法掺杂磷或砷，形成n阱氧化炉(c)用氮化物/氧化物确定有源区，硅片刻蚀3）用氧化工艺生长薄二氧化硅层；用淀积工艺淀积Si3N4，用有源区的掩膜版光刻有源区，为场区开出窗口。

2023/2/619确定晶体管的基底区域Dual-WellandFOXvideo2023/2/621形成并绘制多晶硅栅的图案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：在高温氧化炉中生成一层20~50埃的sio2层

2）多晶硅淀积：利用化学汽相淀积设备形成厚度为5000埃的多晶硅。

3）第三层掩膜，多晶硅栅：在光刻区，利用紫外线光刻第三层掩膜版。

4）多晶硅栅刻蚀2023/2/622形成并绘制多晶硅栅的图案栅极氧化条件：1Pa，950℃，3%HCL，11mindiffustime=11temp=926.966dryo2press=0.984283hcl.pc=32023/2/623形成并绘制多晶硅栅的图案为调整阈值电压而进行的离子注入条件：硼剂量9.5*1011cm-2，注入能量10keV，tilt为7o，rotation为30oimplantborondose=9.5e11energy=10tilt=7rotation=30crystal2023/2/625形成并绘制多晶硅栅的图案淀积多晶硅栅要求：Polysilicon，厚度为0.2um，GridSpecification的Totalnumberoflayers为10depositpolysiliconthick=0.20divisions=102023/2/626形成并绘制多晶硅栅的图案选择性刻蚀多晶硅，得到多晶硅的栅极定义要求：x=0.35um处left的Polysilicon被Etchetchpolysiliconleftp1.x=0.352023/2/627确定有源区砷注入(h)pSelect掩膜与硼注入(i)nSelect掩膜与砷注入（10）

n管光刻和注入磷，形成n+区。（9）

p管光刻和注入硼，形成p＋区。2023/2/629确定有源区IonImplantationvideo2023/2/630确定有源区源/漏极注入和退火条件：Arsenic剂量5*1015cm-2，注入能量50keV，tilt为7o，rotation为30oimplantarsenicdose=5e15energy=50tilt=7rotation=0crystal为修复注入造成的晶格损伤，需进行短暂的退火。条件：1Pa，900oC，1min，Ambient为Nitrogen，Method为Fermidiffustime=1temp=900nitropress=1.00RETURN2023/2/631为接触开孔在所有的有源区形成金属接触。

1）氧化物的淀积：利用CVD工艺在硅表面淀积氧化物。

2）刻孔：通过有源区接触孔掩膜在氧化物上刻蚀出孔

3）填充金属材料：刻孔后，在孔中填充以金属塞的材料如钨。2023/2/632为接触开孔(j)退火和CVD氧化后（11）硅片表面生长SiO2薄膜。(k)CVD氧化层中有源区接触及钨塞形成之后（12）接触孔光刻，接触孔腐蚀，填充钨。2023/2/633为接触开孔RETURNContactandRoutevideo2023/2/634确定互连层在晶体管之间或晶体管和其他接触之间布金属连接线。

1）淀积第一层金属并且用Metal1掩膜使它形成图案；

2）第一层层间介质氧化物淀积：利用化学气相淀积设备在硅表面形成一层氧化物，用于填充介质，通孔作在这个层上。

3）氧化物抛光：抛光后的厚度大约为8000埃。

4）用同样的方式加入更多的金属层

2023/2/635确定互连层(l)金属1涂层及图案形成（13）淀积铝，反刻铝，形成铝连线。2023/2/636确定互连层video2023/2/637多晶硅、金属层和钨塞的显微照片多晶硅金属层钨塞Mag.17,000X2023/2/638互连层2023/2/639用钝化层覆盖芯片在所有的金属层形成之后，随后生长顶层氮化硅。这一层氮化硅称为钝化层。其目的是保护芯片免受潮气、划伤以及沾污的影响。利用压焊块掩膜刻蚀出压焊块，实现芯片与外界的电连接。Bondingpadstructure.2023/2/640硅工艺概述及CMOS工艺流程简单总结video2023/2/641CMOS工艺流程中的主要制造步骤氧化硅衬底SiO2oxygen光刻胶显影SiO2光刻胶涂胶光刻胶掩膜版-硅片对齐与曝光掩膜紫外线曝光过的光刻胶曝光的光刻胶GSD形成有源区氮化硅顶部SDG氮化硅气体氮化硅淀积接触孔SDG接触孔刻蚀离子注入resistoxDG扫描离子束S金属淀积与刻蚀drainSDG金属接触孔多晶硅淀积多晶硅硅烷气体参杂气体氧化(栅氧)栅氧化物氧气光刻胶去除oxideRFPower离子化的氧气氧化硅刻蚀光刻胶RFPower离子化的CF4气体多晶硅光刻与刻蚀RFPoweroxide离子CCl4

气体polygateRFPower2023/2/642硅工艺概述及CMOS工艺流程演示：制造流程演示2023/2/643加工步骤的横截面示例2023/2/644工艺改进轻掺杂漏区LDD硅化物silicide全铜互连2023/2/645工艺改进轻掺杂漏区LDDSequenceforcreatingalightlydopeddrainnFET.由于在器件尺寸缩小的过程中，电源电压不可能和器件尺寸按同样比例缩小，这样导致MOS器件内部电场增强。当MOS器件沟道中的电场强度超过100kV/cm时，电子在两次散射间获得的能量将可能超过它在散射中失去的能量，从而使一部分电子的能量显著高于热平衡时的平均动能而成为热电子。高能量的热电子将严重影响MOS器件和电路的可靠性。热电子效应主要表现在以下三个方面：（1）热电子向栅氧化层中发射；（2）热电子效应引起衬底电流；（3）热电子效应引起栅电流。LDDnFET2023/2/646工艺改进硅化物silicide原因：即使重掺杂的POLY，其Rs也有约25欧姆或更大，限制了其作为互连材料的应用。polysidesalicideLDDnFETwithsilicidedgateandcontacts.2023/2/647工艺改进全铜互连Cu的电阻率是Al的约一半Cu为重金属，可避免电迁移CopperpatterningusingtheDamasceneprocess.Dual-Damascenestructurewithcoppervias.2023/2/648材料生长与淀积二氧化硅SiO2氮化硅SiN4多晶硅POLY金属化掺杂硅层化学机械抛光刻蚀清洗2023/2/649材料生长与淀积二氧化硅SiO2极好的电绝缘体能很好地附着在大多数材料上能在晶圆上生长或淀积SiO2的作用栅氧：栅电容介质场氧：有源区之间的电隔离层间介质：多层金属互连线之间的电绝缘扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层二氧化硅SiO2的分类热氧化层CVD氧化层2023/2/650材料生长与淀积热氧化层干氧氧化Si+O2→SiO2湿氧氧化Si+2H2O→SiO2+2H2Thermaloxidegrowth.消耗的硅层厚度：xSi≈0.46xox

干法氧化生成的SiO2，具有结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶粘附好等优点，是一种很理想的钝化膜。目前制备高质量的SiO2薄膜基本上都采用这种方法，例如MOS晶体管的栅氧化层。干法氧化的生长速率慢，所以经常同湿法氧化相结合来生长SiO2。

2023/2/651材料生长与淀积热氧化video2023/2/652材料生长与淀积CVD氧化层SiH4（气体）+2O2（气体）→SiO2（固体）

+2H2（气体）CVDoxideprocess.2023/2/653材料生长与淀积氮化硅Si3N4因阻挡作用可作钝化层电容介质生成技术3SiH4（气体）+4NH3（气体）→Si3N4（固体）

+12H2（气体）2023/2/654材料生长与淀积CVDvideo2023/2/655材料生长与淀积多晶硅栅极自对准时的阻挡层多晶电阻、电容SiH4→Si+2H22023/2/656材料生长与淀积金属化video2023/2/657材料生长与淀积金属化互连线的形成：蒸发、溅射铝：电迁移互连线电流密度：Visualizationofelectromigrationeffects