第六章工艺集成

工艺集成

ProcessIntegration《大规模集成电路制造工艺》工艺集成2集成电路的工艺集成：

运用各类单项工艺技术（外延、氧化、气相沉积、光刻、扩散、离子注入、刻蚀以及金属化等工艺）形成电路结构的制造过程。

薄膜形成光刻掺杂、刻蚀工艺集成3形成薄膜：化学反应，PVD，CVD，旋涂，电镀；光刻：实现图形的过渡转移；改变薄膜：注入，扩散，退火；刻蚀：最后图形的转移；器件的制备：各种工艺的集成MOS，CMOS，BJT，MESFET，BiCMOS，工艺目的：工艺的选择4工艺条件：温度,压强,时间,功率,剂量,气体流量,…工艺参数：厚度,介电常数,应力,浓度,速度,…器件参数：阈值电压,击穿电压,漏电流,增益,…工艺的限制5MOS：阈值电压束缚了氧化层厚度；BJT：电流增益束缚了基区宽度；内连线：RC延迟束缚了电阻率；Al的存在限制了工艺温度；刻蚀的选择比限制了材料的选择；器件特性要求对工艺的限制：工艺兼容性的限制：集成电路中器件的隔离6由于MOSFET的源、漏与衬底的导电类型不同，所以本身就是被PN结所隔离，即自隔离(self-isolated)；MOSFET晶体管是自隔离，可有较高的密度，但邻近的器件会有寄生效应；LOCOS隔离7希望场区的VT大,保证寄生MOSFET的电流小于1pA；增加场区VT的方法:

场氧化层增厚:栅氧化层的7-10倍；增加场氧化区下面掺杂浓度(Channel-StopImplant，沟道阻断注入)；LOCOS隔离工艺8氮化硅P型衬底p+p+P型衬底氮化硅p+p+SiO2LOCOS隔离工艺9

改进的LOCOS工艺

PBL:polybufferedLOCOS10在LPCVDSi3N4前,先淀积一层多晶硅,让多晶硅消耗场氧化时横向扩散的O2。鸟嘴可减小至0.1-0.2um。浅阱隔离(ShallowTrenchIsolation)11与LOCOS相比，STI尺寸按比例缩小更容易！MESFET器件制备工艺流程12GaAs优点：

电子迁移率高；

更高的饱和漂移速度；衬底可以实现半绝缘；GaAs缺点：

体缺陷多；

少子寿命短；氧化物质量差；光刻胶外延生长n型有源层；外延生长n+接触层；Mask#1

刻蚀形成隔离MESFET器件制备工艺流程13Mask#2

形成源漏欧姆接触金属蒸发沉积Lift-off工艺形

成金属图形；蒸发沉积金属；Mask#3

刻蚀n+层GaAs，

源漏间形成断路；光刻胶光刻胶光刻胶MESFET器件制备工艺流程14Mask#4

将沟道区刻薄；

定义栅极图形；金属蒸发沉积光刻胶光刻胶Lift-off工艺形成栅电极npn型BJT器件制备工艺流程

15SiO2隔离金属电极npnBJT：基区为p型半导体，少数载流子为电子，

具有更高的迁移率，器件工作速度更快；横向隔离用SiO2，相对于pn结隔离，寄生电容更小；纵向利用n+p结隔离；n+埋层，也可以减少集电极的串联电阻；npn型BJT器件制备工艺流程

16Mask#1

定义埋层注入区杂质注入+扩散；n型外延层生长，避免埋层杂质扩散；npn型BJT器件制备工艺流程

17Mask#2

形成隔离减压SiO2生长；Si3N4沉积；硅阱刻蚀；沟道阻挡离子注入；隔离SiO2形成；Si3N4去除；npn型BJT器件制备工艺流程

18Mask#3

基区注入掺杂Mask#4

薄氧化层刻蚀Mask#5

基区接触p+注入掺杂npn型BJT器件制备工艺流程

19n+发射极/集电极接触区P/As离子注入Mask#6

发射极注入；

集电极金属接触区注入；

低能量，高剂量注入；绝缘层npn型BJT器件制备工艺流程

20PECVDSiNx

钝化层内连金属纵向npnBJTMask#7

开接触孔；Mask#8形成金属电极；8次光刻5次注入7次成膜5次刻蚀p+n+n+n+NMOS制备工艺流程21Mask#1

定义有源区(沟道阻止注入)<100>NMOS制备工艺流程22LOCOS隔离去除Si3N4；去除压力释放氧化层；NMOS制备工艺流程23多晶硅栅氧化层

自对准源/漏/栅注入源漏沟道栅开栅接触孔多晶硅区栅氧化层生长；多晶硅层沉积；Mask#2形成栅极NMOS制备工艺流程24内连金属(Al-Si-Cu)内连绝缘层接触孔Mask#3开接触孔；Mask#4形成金属电极金属半导体NMOS制备工艺流程25源漏接触外联接触钝化层PECVDSiNxMask#5开外联接触窗口基于LOCOS的CMOS工艺26Al·Cu·SiPSGp+p+n+n+p+p+SiO2CMOS集成电路制造工艺I27技术特点：LOCOS隔离工艺；平坦化层：PSG，re-flowat1100oCAl-Si金属作为内联金属；最小图形尺寸：3~0.8umP型基片基于LOCOS的CMOS工艺2829释放压力氧化层P型基片生长释放压力氧化層P型基片氮化硅LPCVD沉积氮化硅30P型基片光刻胶氮化硅光刻胶旋涂31Mask#1,LOCOS隔离32P型基片光刻胶氮化硅Mask#1,LOCOS隔离33P型基片光刻胶氮化硅对准和曝光34氮化硅P型基片光刻胶显影35氮化硅P型基片光刻胶刻蚀氮化硅36氮化硅P型基片去除光刻胶37氮化硅P型基片p+p+沟道阻止注入38P型基片氮化硅p+p+SiO2氧化形成LOCOS39P型基片p+p+SiO2去除氮化硅/压力释放氧化硅，

清洗40P型基片p+p+p+SiO2生长遮蔽氧化层41光刻胶P型基片p+p+p+SiO2光刻胶旋涂42Mask#2,N型阱区43光刻胶P型基片p+p+p+SiO2Mask#2,N型阱区44光刻胶P型基片p+p+p+SiO2曝光45光刻胶P型基片p+p+p+SiO2显影46磷离子注入光刻胶P型基片p+p+p+SiO2N型阱区N型阱区注入（预沉积）47P型基片p+p+p+SiO2N型阱区去除光刻胶48P型基片p+p+N型阱区SiO2N型阱区驱入（Drive-in）49P型基片p+p+N型阱区SiO2去除遮蔽氧化层50P型基片p+p+N型阱区SiO2生长栅极氧化层51多晶硅P型基片p+p+N型阱区SiO2栅极氧化层沉积多晶硅52多晶硅P型基片p+p+N型阱区SiO2光刻胶旋涂53Mask#3，栅极图形54P型基片p+p+N型阱区SiO2多晶硅Mask#3，栅极图形55多晶硅P型基片p+p+N型阱区SiO2曝光56多晶硅P型基片p+p+N型阱区SiO2显影57P型基片p+p+N型阱区SiO2光刻胶多晶硅栅极刻蚀多晶硅光刻胶58多晶硅栅极P型基片p+p+N型阱区SiO2去除光刻胶59多晶硅栅极光刻胶P型基片p+p+N型阱SiO2光刻胶旋涂60光刻胶P型基片p+p+N型阱SiO2Mask#4NMOS源漏注入61光刻胶P型基片p+p+N型阱SiO2曝光62光刻胶P型基片p+p+N型阱SiO2显影63P型基片p+p+SiO2磷/砷离子注入NMOS源漏栅自对准注入6465P型基片p+p+SiO2去除光刻胶P型基片p+p+SiO2光刻胶旋涂66P型基片p+p+SiO2Mask#5PMOS源漏注入67P型基片p+p+N型阱区SiO2显影68硼离子注入P型基片p+p+SiO2P型源漏栅自对准注入69P型基片p+p+SiO2去除光刻胶70p+p+P型基片SiO2n+n+p+p+退火71p+p+SiO2n+n+p+p+LPCVD氮化硅阻挡层沉积72PSGp+p+SiO2n+n+p+p+CVD沉积PSG/BPSG73PSGp+p+SiO2n+n+p+p+PSG

Re-Flow74PSGp+p+SiO2n+n+p+p+光刻胶旋涂75PSGp+p+SiO2n+n+p+p+Mask#6形成接触孔76BPSGp+p+SiO2n+n+p+p+显影77PSGp+p+SiO2n+n+p+p+接触孔刻蚀78PSGp+p+n+n+p+p+SiO2去除光刻胶79Al·Cu·SiPSGp+p+n+n+p+p+SiO2金属沉积80Al·Cu·SiPSGp+p+n+n+p+p+SiO2光刻胶旋涂81Al·Cu·SiPSGp+p+n+n+p+p+SiO2Mask#7形成金属连线82Al·Cu·SiPSGp+p+n+n+p+p+SiO2显影83Al·Cu·SiBPSGp+p+n+n+p+p+SiO2金属刻蚀84Al·Cu·SiPSGp+p+n+n+p+p+SiO2去除光刻胶85CMOS集成电路制造II86技术特点：消除单晶硅衬底内氧杂质的影响，外延生长器件层；STI绝缘替代LOCOS绝缘；引入LDD结构减小热载流子效应利用金属硅化物减小寄生电阻；利用BPSG作为金属前电介质;RTA活化注入杂质；最小图形尺寸：0.8~0.13umP型硅衬底准备P型硅衬底轻掺杂外延生长p-硅外延层P型硅衬底89Mask#1:N型阱区

N型阱区注入p-外延层P型衬底光刻胶N型阱区磷离子Mask#2:P型阱区92P型阱区注入硼离子P型阱区N型阱区光刻胶93杂质扩散N型阱区P型阱区94生长氧化层,LPCVD沉积氮化硅N型阱区P型阱区氮化硅95Mask#3:浅沟槽绝缘(STI)刻蚀沟槽N型阱P型阱氮化硅氮化硅97HDP-CVD沉积USG填充沟道N型阱P型阱氮化硅氮化硅USGUSG98CMPUSG,停止于氮化硅层N型阱P型阱NitrideNitrideUSG99去除氧化硅/氮化硅N型阱P型阱USGSTI100Mask#4:NMOS沟道

VT

调整掺杂101光刻胶磷离子N型阱P型阱USGSTINMOS沟道

VT

调整掺杂102Mask#5:PMOS沟道

VT

调整掺杂103光刻胶硼离子N型阱P型阱STIUSGPMOS沟道

VT

调整掺杂104热氧化层生长/多晶硅沉积多晶硅N型阱P型阱STIUSG105Mask#6:栅极(俯视图)106刻蚀多晶硅多晶硅栅极N型阱P型阱STIUSG光刻胶栅极氧化层107Mask#7:NMOSLDD掺杂108NMOSLDD掺杂光刻胶砷离子N型阱P型阱USGSTI109Mask#8:PMOSLDD掺杂110PMOSLDD掺杂,BF2+光刻胶BF2+

离子N型阱P型阱STIUSG111侧壁层(Spacer)栅极氧化层n-

LDDn-

LDD侧壁层侧壁层多晶硅栅极多晶硅栅极栅极氧化层n-

LDDn-

LDD112Mask#9:NMOS源漏注入113NMOS源漏注入光刻胶磷离子N型阱P型阱n+n+STIp-p-USG114Mask#9:PMOS源漏注入115PMOS源漏注入光刻胶硼离子N型阱P型阱n+n+STIp+p+USG116金属硅化物制备多晶硅栅极侧壁层侧壁层栅极氧化层n-n-n+n+Ar+Ar+Ti多晶硅栅极n-n-n+n+TiSi2TiSi2Ti多晶硅栅极n-n-n+n+TiSi2TiSi2多晶硅栅极n-n-n+n+117BPSG沉积/回流(Re-Flow)n+n+p+p+STIUSGBPSGn+n+p+p+STIUSGBPSG118Mask#10:接触孔119接触孔刻蚀N型阱P型阱BPSGn+n+p+p+STIUSG120CVD钨沉积N型阱P型阱BPSGn+n+p+p+STIUSG钨钛/氮化钛121金属沉积N型阱P型阱BPSGn+n+p+p+STIUSG铝铜合金钛TiNARCW122Mask#11:金属1连线123金属刻蚀P-型外延层P型晶圆衬底N型阱P型阱BPSGn+n+p+p+STIUSG钛TiNARCW铝铜合金124P-型硅外延层P型晶圆金属3铝•铜

合金IMD3USG金属4铝•铜USG氮化硅铝•铜

合金N型阱P型阱BPSGn+n+p+p+STIUSGW铝•铜

合金USGM1M2铝•铜USGWIMD1IMD2TiSi2多晶硅TiTiNARCWTi/TiNTi/TiN侧壁层,USGPMD阻挡层,氮化硅

IMD3钝化层1钝化层2PMDCMOS截面CMOS集成电路制造III125技术特点：使用SOI和STI技术；利用铜连接和低介电常数介电质，减少RC延迟；使用金属CMP代替金属刻蚀；图形最小尺寸：0.13um126裸晶圆P型晶圆127大电流氧离子注入P型晶圆氧离子,O+128氧化退火P型晶圆深埋SiO2

层129晶圓清洗去除表面自然氧化层P型晶圆深埋SiO2

层130外延层沉积P型外延层131晶圓清洗P型外延层132压力释放氧化层生长P型晶圆深埋SiO2

层P型外延层133LPCVD氮化硅沉积P型晶圆深埋SiO2

层P型外延层氮化硅134旋涂光刻胶P型外延层光刻胶氮化硅135Mask#1:浅沟槽隔离(STI)136对准和曝光P型外延层光刻胶氮化硅

137显影P型外延层光刻胶氮化硅138氮化硅/氧化硅刻蚀P型外延层光刻胶氮化硅

139去除光刻胶P型外延层氮化硅

140刻蚀硅P型外延层氮化硅

P型外延层141晶圓清洗P型外延层氮化硅

P型外延层142P型外延层P型外延层保护氧化层生长氮化硅

143P型外延层P型外延层未掺杂氧化层沉积

（undopedsilicateglass,USG)氮化硅

USGUSG144P型外延层P型外延层CMP刻蚀USG氮化硅

USGUSG145P型外延层P型外延层去除氮化硅USGUSG146P型多晶硅P型多晶硅去除释放压力氧化层USGUSGSTI147P型外延层P型外延层牺牲氧化层生长USGUSGSTI148P型外延层P型外延层光刻胶旋涂USGUSGSTI光刻胶149Mask#2:N-型阱150P型外延层P型外延层曝光USGUSGSTI光阻151P型外延层P型外延层显影USGUSGSTI光刻胶152P型外延层N-型阱注入P型晶圓USGUSGSTI光刻胶N型阱区磷离子,P+不同能量，多次注入，形成均匀分布153P型外延层PMOSVT

调整注入USGUSGSTI光刻胶N型阱区硼离子,B+利用同一次光刻形成图形154P型外延层去除光刻胶USGUSGSTIN型阱区155P型外延层光刻胶旋涂USGUSGSTIN型阱区光刻胶156Mask#3:P型阱157P型外延层曝光USGUSGSTIN型阱光刻胶158P型外延层显影USGUSGSTIN型阱光刻胶159P型阱P-型阱注入USGUSGSTIN型阱光刻胶硼离子,B+多次不同能量注入形成均匀分布160P型阱NMOSVT

调整注入USGUSGSTIN型阱光刻胶磷离子,P+161P型阱去除光刻胶USGUSGSTIN型阱162P型阱去除牺牲氧化层USGUSGSTIN型阱163P型阱晶圓清洗USGUSGSTIN型阱164P型阱生长栅极氧化层USGUSGSTIN型阱165P型阱LPCVD沉积非晶硅USGSTIN型阱非晶硅栅极氧化层USG非晶硅相对于多晶硅表面更加平整166P型阱光刻胶旋涂USGUSGSTIN型阱非晶硅光刻胶167Mask#4,栅极和局部互联168P型阱曝光USGUSGSTIN型阱非晶硅光刻胶169P型阱显影USGUSGSTIN型阱非晶硅刻胶170P型阱非晶硅刻蚀USGUSGSTIN型阱非晶硅光刻胶栅极氧化层171P型阱去除光刻胶USGUSGSTIN型阱非晶硅172P型阱非晶硅退火USGUSGSTIN型阱多晶硅173P型阱光刻胶旋涂USGUSGSTIN型阱光刻胶多晶硅174Mask#5,NMOSLDD注入175P型阱曝光USGUSGSTIN型阱多晶硅光刻胶176P型阱显影USGUSGSTIN型阱光刻胶177P型阱NMOSLDD注入USGUSGSTIN型阱光刻胶锑离子,Sb+178P型阱去除光刻胶USGUSGSTIN型阱179P型阱光刻胶旋涂USGUSGSTIN型阱多晶硅光刻胶180Mask#6:PMOSLDD注入181P型阱曝光USGUSGSTIN型阱多晶硅光刻胶182P型阱显影USGUSGSTIN型阱多晶硅光刻胶183P型阱PMOSLDD注入USGUSGSTIN型阱多晶硅光刻胶BF2+184P型阱去除光刻胶USGUSGSTIN型阱185P型阱氧化硅\氮化硅沉积USGUSGSTIN型阱186P型阱氮化硅/氧化硅刻蚀USGUSGSTIN型阱

侧壁层(spacer)多晶硅栅极187P型阱光刻胶旋涂USGUSGSTIN型阱光刻胶188Mask#7,NMOSS/D注入189P型阱曝光USGUSGSTIN型阱光刻胶190P型阱显影USGUSGSTIN型阱光刻胶191P型阱NMOSS/D注入USGN型阱光刻胶STIUSG砷离子,As+192P型阱去除光刻胶USGN型阱STIUSGn+n+193P型阱涂胶USGN型阱STIUSGn+n+光刻胶194Mask#8,PMOSS/D注入195P型阱曝光USGN型阱STIUSGn+n+光刻胶196P型阱显影USGN型阱STIUSGn+n+光刻胶197P型阱PMOSS/D注入USGN型阱STIUSGn+n+光刻胶硼离子,B+198P型阱去除光刻胶USGN型阱STIUSGn+n+p+p+199P型阱RTA退火USGN型阱STIUSGn+n+p+p+200P型阱氩离子溅射刻蚀USGN型阱STIUSGn+n+p+p+

去除表面自然氧化层201P型阱钴(Co)和TiN沉积USGN型阱STIUSGn+n+p+p+钴氮化钛TiN保护Co不被氧化202P型阱RTA退火USGN型阱STIUSGn+n+p+p+钴硅化物(CoSi2)钴氮化钛203P型阱去除TiN，CoUSGN型阱STIUSGn+n+p+p+钴硅化物(CoSi2)204P型阱PECVD沉积氮化硅USGN型阱STIUSGn+n+p+p+小尺寸器件下，热预算的要求不能使用LPCVD氮化硅205P型阱沉积PSGUSGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSGPECVD氮化硅用来阻止P的扩散206P型阱CMP刻蚀PSGUSGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG207P型阱光刻胶旋涂USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG光刻胶208Mask#9,接触孔209P型阱曝光USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG光刻胶210P型阱显影USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG光刻胶211P型阱刻蚀PSGUSGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG光刻胶212P型阱去除光刻胶USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG213P型井區氩离子溅射刻蚀P型晶圓深埋SiO2

層USGN型井區STIUSGn+n+p+p+PSG清洁表面214P型阱Ti/TiN溅射沉积USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSGTi/氮化钛附着层/阻挡层215钨P型阱CVD沉积钨（W)USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSGTungstenWCVD沉积具有良好的太阶覆盖性和填空性能216P型阱CMP金属刻蚀USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG钨钨217PECVD沉积SiC密封层P型阱USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG钨钨SiC致密性高，可以阻止Cu扩散；SiC的介电常数:4-5，SiNx的介电常数:7-8;218SOD旋涂SODP型阱USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG钨钨SOD：spin-on-dielectric219SOD烘烤硬化

SODP型阱USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG钨钨220PECVD沉积SiC刻蚀停止层SODP型阱USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG钨钨221SOD旋涂及硬化SODSODP型阱USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG钨钨222沉积

PE-TEOS覆盖层SODSODP型阱USGN型阱STIUSGn+n+p+p+PSG钨钨SOD具有吸水性223光刻胶旋涂SODSOD光刻胶USGSTIUSGn+n+p+p+PSG钨钨224Ma