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文档简介
2.1
CMOS制造工艺流程简介
We
will
describe
a
modern
CMOS
process
flow.Process
described
here
requires
16
masksand
>
100
process
steps.1第二章CMOS制备基本流程第一页,共三十八页。StagesofICFabrication2第二页,共三十八页。•Inthe
simplest
CMOS
technologies,
weneed
to
realizesimply
NMOSandPMOStransistorsforcircuits
likethoseillustratedbelow.CMOSDigital
Gates反相电路或非门:同时输入低电平时才能获得高电平输出3第三页,共三十八页。PMOSand
NMOSwafer
crosssectionafterfabrication2-LevelMetal
CMOS两层互连布线的CMOS4有源器件(MOS、BJT等类似器件),必须在外加适当的偏置电压情况下,器件才能正常工作。对于MOS管,有源区分为源区和漏区,在进行互联之前,两者没有差别。第四页,共三十八页。••••••••Choosing
a
SubstrateActiveRegionNand
P
WellGateTip
or
ExtensionSource
and
DrainContactand
Local
InterconnectMultilevel
MetalizationProcessing
Phases5第五页,共三十八页。1µmPhotoresist40
nmSiO2Choose
the
substrate(type,
orientation,resistivity,
wafer
size)•
Initial
processing: -
Wafer
cleaning -
thermal
oxidation,
H2O
(≈
40
nm,
15
min.
@
900ºC) -
nitride
LPCVD(低压化学气相沉积)
(≈
80
nm@
800ºC)•
Substrate
selection:-moderately
high
resistivity(25-50
ohm-cm)-(100)
orientation-P-
type.80
nmSi3N4Choosinga
SubstrateSi,(100),PType,25~50Ωcm1st
Mask
Photoresist
•
spinning
and
baking@
100ºC(≈
0.5
-
1.0
µm)62.2有源区的形成第六页,共三十八页。•
Photolithography-Mask
#1
pattern
alignmentand
UV
exposure-Rinse
away
non-pattern
PR-Dry
etch
the
Nitride
layer--Plasma
etch
with
FluorineCF4
or
NF4
Plasma-Strip
Photoresist(H2SO4或O2plasma)ActiveAreaDefinition(主动区)SiO2Si3N4Photoresist7第七页,共三十八页。•Wet
Oxide
(thickSiO2)-
H2O
(≈500
nm,90min.
@1000ºC)•
StripNitridelayer
-Phosophoricacid(磷酸)
orplasma
etch,选择性问题FieldOxideGrowth
-LOCOS:
Local
Oxidation
ofSilicon(局部硅氧化工艺)SiO2Si3N4•
薄的SiO2层,厚的Si3N4层,避免鸟喙(bird’sbeak)的影响8•场区:很厚的氧化层,位于芯片上不做晶体管、电极接触的区域,可以起到隔离晶体管的作用。第八页,共三十八页。•
Photolithography(套刻)-Mask#2
patternalignmentandUVexposure•
IonImplantation离子注入
-
B+
ion
bombardmentPenetrate
thin
SiO2
and
fieldSiO2
--反型:半导体表面的少数载流子浓度等于体内的多数载流子浓度时,半导体表面开始反型。-
150-200keVfor1013cm-2
--Implantation
Energy
andtotaldose
adjusted
fordepth
and
concentrationP-wellFabrication•
StripPhotoresist-Rinseawaynon-patternPR2.3N阱和P阱的形成SiO2Photoresist9第九页,共三十八页。•IonImplantation
-
P+
ionbombardment-
PenetratethinSiO2
and
field
SiO2-
300-400keV
for
1013cm-2
--
Implantation
Energy
andtotal
dose
adjustedfordepthand
concentration•
Strip
PhotoresistN-well
Fabrication•
Photolithography
-Mask#3
patternalignmentand
UV
exposure-
Rinse
away
non-patternPR10第十页,共三十八页。•
ThermalAnneal(热退火)-Repair
crystal
lattice
structuredamagedue
toimplantation•
DryFurnace(N2
ambient,防止氧化层生成)
-Anneal30
min@
800˚C
orRTA(快速热退火)10
sec@1000˚C-
Drive-in4-6
hours
@1000
˚C-1100˚CThermalAnnealand
Diffusion•NandPDrive-in(扩散推进)-
Thermaldiffusionof
dopant
toshallower
thandesired
depth--
Drive-inisa
cumulativeprocess!11第十一页,共三十八页。•
Photolithography
-Mask
#4patternalignmentand
UV
exposure-
Rinseawaynon-patternPR-B+ion
bombardment-50-75keV
for1-5×
1012cm-2--
ImplantationEnergyand
totaldoseadjustedfor
depth
andconcentration•
Strip
PhotoresistThresholdAdjustment,
P-typeNMOS•
Ion
Implantation2.4栅电极的制备开启电压调整12调整之前P阱的掺杂浓度调整时的注入剂量第十二页,共三十八页。Threshold
Adjustment,N-typePMOS•
Photolithography
-
Mask
#5
pattern
alignmentand
UVexposure-Rinse
awaynon-patternPR-
As+
ion
bombardment-
75-100keV
for
1-5×
1012cm-2--
ImplantationEnergy
and
total
dose
adjusted
for
depthand
concentration•Strip
Photoresist•Ion
Implantation13第十三页,共三十八页。•
Remove
existing
gate
regionoxide•
Furnace
Steps -
ThermalAnneal-
Oxide
growth3-5nm--O2
ambient--0.5-1hour@800°CGateOxide
Growth栅极氧化层生长-HF
etch,具有良好的选择性--DryFurnace(N2
ambient)--30min@
800˚C14第十四页,共三十八页。•LPCVD
Deposition
of
Si-
Silane硅烷•Amorphous
or
polycrystalline
silicon
layer
results
Ion
Implantation -
P+
orAs+
(N+)
implantdopes
thepoly(typically
5
×
1015cm-2)
PolysiliconGate
Deposition•
0.3-0.5
umSiO2多晶硅薄膜15热分解第十五页,共三十八页。•
Photolithography
-
Mask#6patternalignmentand
UVexposure•Plasma
Etch
-
Anisotropic
etch各向异性蚀刻
--
Vertical
etch
rate
high
--
Lateral
etchrate
lowGate
Patterning(栅极的图形化)-Rinseaway
non-patternPR•
Clorine(氯)orBromine(溴)based
forSiO2
selectivity16第十六页,共三十八页。目标:NMOS器件中的N-注入区PMOS器件中的P-注入区多晶硅栅的两侧形成侧壁隔离层的薄氧化层2.5前端或延伸区(LDD)的形成17第十七页,共三十八页。LDD:•Lightly
Doped
Drain(轻掺杂漏)•
Reduce
shortchanneleffectsdue
to
gate
voltagemagnitudesandelectric
fields•
Source
and
Drain
mustbelayeredasNMOS:N+N-P
orPMOS:P+P-NExtension
(LDD)
Formation
NMOS•Photolithography
-
Mask#7
pattern
alignmentand
UV
exposure-
Rinse
away
non-pattern
PR-P+
ionbombardment-50keVfor
5
×
1013cm-2•
Strip
Photoresist•Ion
Implantation18第十八页,共三十八页。•Photolithography
•Mask
#8pattern
alignment
andUV
exposure
•
Rinse
away
non-patternPR•
IonImplantation
•
B+ionbombardment
•50keV
for
5×
1013cm-2•StripPhotoresistExtension(LDD)
FormationPMOS19第十九页,共三十八页。SiO2
隔离介质层CVDorLPCVDDepositionofSiO2•SilaneandOxygenOr0.5um•Providesspacingbetweengateandsource-drain.SiO2SpacerDeposition20第二十页,共三十八页。•
Photolithography •Mask
#6
oversizedpattern
alignment
and
UV
exposure
•
Rinse
away
non-pattern
PR•
Verticaletchratehigh•
Lateraletch
ratelow•StripPhotoresistAnisotropic
Spacer
Etch•
Plasma
Etch •Anisotropic
etch•
Flourine
based21第二十一页,共三十八页。•
ScreenOxideGrowth•
ThinSiO2layer
~10
nm
toscattertheimplanted
ions•
Photolithography•
Mask#9patternalignment
and
UVexposure•
Rinse
awaynon-patternPR•IonImplantation •
As+
ion
bombardment
•
75
keVfor
2-4×1015cm-2•Strip
PhotoresistNMOS
Sourceand
Drain
Implant2.6源漏区的形成Arsenic•
Reduce
channeling22第二十二页,共三十八页。•Photolithography•Mask#10
pattern
alignment
andUV
exposure•
Rinseaway
non-pattern
PR•
IonImplantation
•
B+ion
bombardment •
5-10keVfor
1-3
×1015cm-2
•StripPhotoresistPMOS
Sourceand
Drain
Implant23第二十三页,共三十八页。•
N+
andP+Drive-in•Thermaldiffusion
ofdopant
toshallowerthan
desired
depth
•Drive-inisa
cumulativeprocess!•DryFurnace(N2
ambient) •
Anneal30
min@
900˚C
orRTA
60
sec
@
1000
˚C
-
1050
˚CTransient
Enhanced
Diffusion
(TED瞬态增强扩散)
•Higher
than
normal
diffusivity
due
tocrystal
damageThermal
Annealing•ThermalAnneal•Repaircrystallatticestructuredamageduetoimplantation24第二十四页,共三十八页。2.7接触与局部互联的形成
Contactsand
Interconnects•Titaniumsputteringlocalcontacts•ConformalCoatwithSiO2•Planarization•TungstenPlugvias•AluminumMetalDeposition•Repeat–Coat–Planarize–Plug–Metaldeposition25第二十五页,共三十八页。•
HF
etchtoremovethin
SiO2 •Remove
screenoxidefromdrain,
source
and
ploy
gateregions •
Dip(浸)for
afewsecondswithHFContactOpeningsLDDandSidewallstructure•NMOS:LateralN+N-PN-N+•PMOS:LateralP+P-NP-P+26第二十六页,共三十八页。
TitaniumDeposition•
Ti
isdepositedbysputtering(typically
100
nm).
•
Titarget
hitwithAr+
ionsin
avacuum
chamber•The
Ti
is
reactedinanN2
ambient•
FormsTiSi2
andTiN(typically1min
@600-700
˚C).•
TiSi2
has
excellentcontactcharacteristics(良好的导体)•
TiNdoes
not,
but
canbeused
forlocal
wiring(导电材料,短程互连布线)TiSi2TiN27第二十七页,共三十八页。•Photolithography•Mask#11patternalignmentandUV
exposure•
Rinseawaynon-pattern
PR•
TiN
etch
•
NH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)•
Strip
PhotoresistLocal
TiNInterconnectThermalTreatinAr减小电阻
•1min@800°C28用TiN作为局部互连引线第二十八页,共三十八页。•Conformal
layerofSiO2
is
deposited
byCVDorLPCVD(typically1
µm)•PSG(磷硅玻璃)
or
BPSG(硼磷硅玻璃)•磷:Surface
passivation(表面钝化)•硼:Glassreflow
forpartialplanarization(加热,令表面平整)•ChemicalMechanicalPolishing
(CMP化学机械抛光)•Planarize
thewafersurface平坦化
•Polish
with
highpHsilicaslurry(硅酸盐研磨浆料)Conformal
Coat
and
Planarize2.8多层金属互连的形成SiO229
表面不平坦带来很多问题,两种解决方法:第二十九页,共三十八页。•Photolithography•
Mask
#12
pattern
alignmentand
UV
exposure•
Rinse
awaynon-pattern
PR•
SiO2
plasmaetch
•Anisotropicetch•StripPhotoresistVias
to
1stMetal30•选择第一层金属布线需要与下层器件结构形成连接的接触孔位置•
接触孔形成第三十页,共三十八页。
ViaDeposition
–
Tungsten
Plugs(插头)•TiNorTi/TiN
barrierlayer粘结层/阻挡层,增强金属与SiO2的粘附性•
Sputtering
orCVD(few
tens
of
nm)•
CVD
Tungsten
(W)•ChemicalMechanicalPolishing
(CMP)•Planarize
the
wafersurface•
Polishwith
highpHsilica
slurry31第三十一页,共三十八页。•
Etch
Contact
Holes(接触孔的蚀刻)orLine
Trenches(沟道)
•
Fill
etchedregions(蚀刻区的填充)
•
Planarize(平坦化)
–
CMPprocess –Alsoremoves
materialthat
“overflowed
holesortrenches”DamasceneProcess大马士革镶嵌工艺32大马士革镶嵌工艺包括:第三十二页,共三十八页。
•
Strip
PhotoresistMetal
#1
Deposition第一层金属布线Photolithography•Mask#13patternalignmentandUVexposure•Rinseawaynon-patternPR•Anisotropicplasmaetch33SiO2Al光刻胶•SputteredAluminum•AlwithsmallamountsofSiandCu-Cureduceselectromigration避免电迁移现象带来的断路
-Si降低接触电阻第三十三页,共三十八页。
Multiple
MetalLayers•DepositsOxideLayer•CMP•PhotolithographyMask#14•EtchVias•Depositviamaterial•CMP•DepositNextMetalLayer•PhotolithographyMask#15•FinalpassivationlayerofSi3N4isdepositedbyPECVDandpatternedwithMask#16.防止Na+、K+污染和封装中的机械损伤•Finalannealandalloyinforminggas(10%H2inN2)
•30min@400-450°C•形成良好的欧姆接触,降低Si/SiO2界面的电荷34SiO2WTiNSi3N4或SiO2第三十四页,共三十八页。Intel
µprocessorchip52MBSRAM
chips
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