半导体制程概论萧宏cha.ppt

1、Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,1,Chapter 13製程整合,Hong Xiao, Ph. D. www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,2,目標,列出三種絕緣形成的方法 描述側壁空間層製程和應用 解釋臨界電壓 VT 調整佈植的目的 列出三種用在MOSFET匣極的導體 列出用來作為局部連線製程的三種金屬 列出銅金屬化製成的基本步驟 辨識在一個積體電路晶片中最常

2、被用來當做最後鈍化層的材料,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,3,簡介,完成一個積體電路晶片的製造需要三十個光罩以及幾百個製程步驟. 每一個步驟都和其他的步驟有關. CMOS 製程 前段 井區形成、絕緣以及電晶體製造 後段 局部連線和鈍化製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,4,晶圓準備,CMOS IC晶片通常使用 方向的單晶矽晶圓 雙載子和BiCMOS晶片通常使用 方向的晶圓. 1960 到1970年代中期, PMOS積體電路晶片是

3、使用n型晶圓 1970年代中期之後, NMOS是使用 p型晶圓 由於歷史性的緣故，CMOS係從 NMOS製程發展，使用p型晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,5,NMOS 和 CMOS 製程,最簡單的NMOS IC積體電路製程有五道光罩步驟：活化、匣極、接觸窗、金屬以及連接墊區 早期的CMOS IC製程多增加三道光罩步驟 : n型井區(對p型基片), 活化, 匣極, n型源極/汲極, p型源極/汲極, 接觸窗, 金屬和連接墊區 兩種製程都使用p型晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.

4、cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,6,NMOS,P型矽,多晶矽,匣極氧化層,PSG,PSG,PSG,場區氧化層,氮化矽,鋁矽合金,場區氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,7,1980年代早期的CMOS,USG,AlCuSi,BPSG,氮化矽,P型基片,p,+,p,+,N型井區,n,+,n,+,p,+,p,+,SiO,2,多晶矽匣極,LOCOS,匣極氧化層,絕緣佈植,氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,8,

5、矽磊晶層,雙載子電晶體和BiCMOS晶片需要矽磊晶層來形成一個深埋層 有一些功率元件甚至需要用懸浮帶區長晶法(floating zone method)製造的晶圓 當CMOS晶片速度不是非常高時，就不需要磊晶層 高速CMOS晶片需要磊晶層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,9,矽磊晶層,使用查克洛斯基(CZ)法製造的晶圓由於使用石英坩鍋通常都會帶有一些氧 氧會減少載體的生命週期並且降低元件的速度 磊晶矽層可以製造出一個無氧的基片而達到很高的元件速度,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.

6、tx.us/HongXiao/Book.htm,10,矽磊晶層,RCA清潔製程用來移除矽晶圓表面的污染物 無水的HCl乾式清潔可以幫助移除可移動的離子和原生氧化層 磊晶矽的成長: 高溫CVD 矽源: 矽烷 或二氯矽烷或三氯矽烷 H2 作為製程氣體、載氣和吹除淨化的氣體 AsH3 或 PH3 作為n型摻雜物的氣體 B2H6作為p型摻雜物的氣體,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,11,IC製造使用的晶圓,先進的CMOS IC晶片通常使用帶有p型磊晶層的 p型 單晶矽晶圓 雙載子 IC晶片通常使用 晶圓,Hong Xia

7、o, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,12,井區形成,單井區 自我對準式的雙井區 雙井區,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,13,單井區,早期CMOS IC製程 p型晶圓上的N型井區 n型晶圓上的P型井區 高能量低電流的離子佈植 加熱退火 / 驅入,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,14,N型井區的形成步驟,晶圓清洗,屏蔽氧化層成長,井區光罩,離子佈植 (a),光阻剝除,退火及

8、驅入 (b),屏蔽氧化層 (c),P型矽,N型井區,(a),(b),(c),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,15,帶有P型井區的CMOS,N型矽,P型井區,n+,n+,場區氧化層,多晶矽,匣極氧化層,p+,p+,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,16,P型基片,p,+,p,+,N型井區,SiO,2,多晶矽匣極,LOCOS,匣極氧化層,絕緣佈植,n,+,n,+,p,+,p,+,帶有N型井區的CMOS,Hong Xiao, Ph. D.,

9、www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,17,自我對準式的雙井區,設計者有更多的彈性 自我對準製程可以節省一道光罩步驟 LPCVD氮化矽( Si3N4 )是非常緻密的薄膜 阻絕離子佈植穿透p型井區 防止在p型井區產生氧化反應 在n型井區上的厚氧化層可以阻擋形成P型井區的離子佈植,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,18,自我對準式的雙井區,晶圓清洗,成長襯墊氧層,沉積氮化矽 (a),N型井區光罩,蝕刻氮化矽,剝除光阻,N型井區佈植 (b),退火/ 驅入及氧化 (c),剝除氮化矽,

10、P型井區佈植 (d),退火及 驅入,剝除氧化層 (e),矽,氮化矽,磷離子,(a),(b),(c),(d),(e),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,19,自我對準式的雙井區,優點: 減少一個光罩步驟 降低成本 改善IC晶片良率. 缺點: 晶圓表面不再平坦 N型井區總是比P型井區要低 影響微影製程的解析度 影響薄膜的沉積,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,20,自我對準式的雙井區,先形成N型井區 磷在單晶矽擴散速率要比硼低 如果p型井區

11、先佈植，在n型井區的退火及摻雜物驅入期間，硼的擴散會失去控制,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,21,雙井區,兩個光罩步驟 平坦表面 常見在先進的CMOS IC晶片製造 高能量低電流的佈植機 高溫爐執行井區的退火和驅入製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,22,雙井區,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,23,絕緣技術,整面全區覆蓋式氧化層 矽的局部氧化 (

12、LOCOS) 淺溝槽絕緣 (STI),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,24,整面全區覆蓋式氧化層,用在早期的積體電路工業 簡單又直接的製程 氧化和蝕刻 厚度由場區臨界電壓VFT決定 VFT V 防止鄰近電晶體的交互影響,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,25,矽局部氧化絕緣的形成,晶圓清洗,成長襯墊氧化層,LPCVD 氮化矽 (a),光罩 1, LOCOS,蝕刻氮化矽,剝除光阻,絕緣佈植(硼)(b),濕式氧化, 形成矽局部氧化LOCO

13、S (c),剝除氮化矽及襯墊氧化層 (d),(a),(b),(c),(d),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,26,P型基片,晶圓清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,27,襯墊氧化層,P型基片,襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,28,襯墊氧化層,P型基片,氮化矽,LPCVD 氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.

14、cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,29,襯墊氧化層,P型基片,光阻,氮化矽,光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,30,矽局部氧化光罩,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,31,P型基片,光阻,氮化矽,矽局部氧化光罩,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,32,P型基片,光阻,氮化矽,矽局部氧化光罩曝光,Hong Xiao, Ph. D.

15、,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,33,氮化矽,P型基片,光阻,顯影,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,34,氮化矽,P型基片,光阻,蝕刻氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,35,氮化矽,P型基片,剝除光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,36,氮化矽,P型基片,p+,p+,絕緣佈植,Hong Xiao,

16、 Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,37,P型基片,氮化矽,p+,p+,SiO2,加熱氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,38,P型基片,p+,p+,SiO2,剝除氮化矽、多晶矽及襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,39,矽局部氧化的問題,鳥嘴 二氧化矽內部的等向性擴散所引起 在氮化矽層下成長 浪費許多矽表面區域 不平坦的表面 氧化層在矽表面上成長 影響微影製程和薄

17、膜沉積,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,40,矽局部氧化的鳥嘴,鳥嘴,LOCOS,LOCOS,元件區,元件區,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,41,多晶矽緩衝層(PBL) LOCOS,降低 “鳥嘴” 在LPCVD 氮化矽之前沉積多晶矽 橫向擴散的氧會被多晶矽層所消耗 把鳥嘴降低到 0.1 0.2 mm.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,42,多晶矽緩衝

18、層(PBL) LOCOS,成長襯墊氧化層、沉積多晶矽及氮化矽,蝕刻氮化矽、多晶矽及氧化層、硼佈植,氧化反應,剝除襯墊氧化層、多晶矽及氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,43,淺溝槽絕緣(STI),LOCOS 和 PBL當圖形尺寸縮小到 0.5 mm之前都運作的很好 當最小圖形尺寸小於0.35 mm ，鳥嘴就不再是可容忍的了 以矽蝕刻和溝槽的氧化反應來減少氧化物的侵蝕 發展淺溝槽絕緣製程和用CVD氧化物溝槽填充的製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao

19、/Book.htm,44,淺溝槽絕緣和矽局部氧化,淺溝槽絕緣 沒有鳥嘴 平滑的表面 更多的製程步驟 矽局部氧化 簡單, 便宜和產量保證 在圖案尺寸小於0.35 mm 以前，在IC生產製造中使用,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,45,淺溝槽絕緣和矽局部氧化,早期的STI製程 氧化物回蝕刻 選擇適當的CF4/O2 終端點的判斷藉由C-N譜線 先進的STI製程 : 氧化物 CMP 較佳的製程控制 良率較高,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,

20、46,P型基片,早期的STI: 晶圓清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,47,襯墊氧化層,P型基片,早期的STI: 成長襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,48,襯墊氧化層,P型基片,氮化矽,早期的STI : LPCVD氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,49,襯墊氧化層,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : 光阻塗佈,Hong Xi

21、ao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,50,早期的STI : STI光罩,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,51,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : STI 光罩對準,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,52,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : STI 光罩曝光,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book

22、.htm,53,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : 顯影,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,54,氮化矽,P型基片,光阻,早期的STI : 蝕刻氮化矽和襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,55,P型基片,氮化矽,早期的STI : 剝除光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,56,P型基片,氮化矽,早期的STI : 蝕刻矽,Hong Xiao,

23、 Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,57,P型基片,氮化矽,早期的STI :成長阻擋氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,58,P型基片,通道阻絕佈植,氮化矽,早期的STI : 通道阻絕佈植,硼,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,59,P型基片,氮化矽,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : CVD氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

24、.tx.us/HongXiao/Book.htm,60,P型基片,氮化矽,通道阻絕佈植,CVD氧化層,光阻,早期的STI : 光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,61,P型基片,氮化矽,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 氧化層回蝕刻,停止於氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,62,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 剝除氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

25、.tx.us/HongXiao/Book.htm,63,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,光阻,早期的STI : 光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,64,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 氧化層回蝕刻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,65,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 氧化層退火,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao

26、/Book.htm,66,先進STI,不需要通道阻絕離子佈植來提升場域的臨界電壓. 溝槽填充製程可以藉著加熱的O3-TEOS製程達到 必須在超過1000 C的氧環境下退火以使薄膜變的緻密 高密度電漿製程沉積的氧化物不需要加熱退火製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,67,先進的STI: 襯墊氧化層和LPCVD氮化矽,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,68,先進的STI : STI 光罩

27、,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,69,先進的STI : 蝕刻氮化矽,氧化物和矽 以及剝除光阻,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,氮化矽,氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,70,先進的STI : 高密度電漿 CVD 沉積USG,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,氮化矽,氮化矽,USG,USG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,71,

28、先進的STI : CMP USG, 停止於氮化矽,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,Nitride,Nitride,USG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,72,先進的STI : 氮化矽剝除,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,USG,STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,73,電晶體的製造,金屬匣極 自我對準匣極 低摻雜汲極 (LDD) 臨界電壓調整佈植 抗接面擊穿(Anti punch-through) 金屬以及

29、高-k 匣極MOS,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,74,電晶體的製造: 金屬匣極,先形成源極及汲極 用二氧化矽擴散摻雜當作擴散阻擋層 帶有源極/汲極的對準匣極，對匣極區域蝕刻並且成長匣極氧化層 第三道光罩定義出接觸窗孔 第四道光罩形成金屬匣極和連線. 最後的光罩定義出連接墊區,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,75,晶圓清洗, 場區氧化層和光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/Hon

30、gXiao/Book.htm,76,微影技術和氧化物蝕刻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,77,源極/ 汲極 摻雜和匣極氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,78,接觸窗孔, 金屬化和鈍化,N型矽,p,+,p,+,匣極氧化層,場區氧化層,AlSi,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,79,自我對準匣極,離子佈植簡介 NMOS 取代PMOS 多晶矽取代鋁成為

31、匣極材料 鋁合金不能承受佈植後熱退火所需的高溫,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,80,自我對準匣極,元件區域作為電晶體製造區域 匣極氧化和多晶矽沉積 匣極光罩定義出匣極和連線. 在離子佈植和加熱退火後電晶體就製造完成 先進的MOSFET以此製程製造,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,81,電晶體的製造:自我對準匣極,p-Si,匣極氧化層,多晶矽,匣極,磷離子佈植,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.

32、us/HongXiao/Book.htm,82,熱電子效應,匣極寬度小於2 微米 電場的垂直分量會高到足以加速電子穿隧通過薄的匣極氧化層 熱電子效應 匣極漏電流影響電晶體的性能 匣極氧化層的電子捕捉效應而造成積體電路晶片可靠性的問題 LDD 用來抑制熱電子效應,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,83,熱電子效應,n,+,匣極氧化層,源極,汲極,P型矽,n,+,VD 0,VGVT0,多晶矽,電子注入,e-,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm

33、,84,低摻雜汲極形成,低能量、低電流的離子佈植 非常低的摻雜濃度的淺型接面且剛好延伸到匣極的下面 側壁空間層在沉積和回蝕刻介電質之後形成 高電流低能量的離子佈植形成重度摻雜的源極/汲極接面 藉著側壁空間層和匣極分隔開,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,85,低摻雜汲極形成,降低源極/汲極偏壓所引起的電場的垂直分量 減少可穿隧的電子數量 抑制熱電子效應,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,86,P型矽,蝕刻多晶矽、光阻剝除和多晶矽退火,匣

34、極氧化層,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,87,P型矽,LDD, n,LDD佈植,匣極氧化層,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,88,P型矽,LDD, n,沉積氮化矽,匣極氧化層,氮化矽層,多晶矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,89,P型矽,LDD, n,氮化矽蝕刻,匣極氧化層,側壁空間層,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph

35、. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,90,源極 汲極 佈植,P型矽,LDD, n,匣極氧化層,側壁空間層,+,n,+,n,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,91,P型矽,LDD, n,佈植退火,匣極氧化層,側壁空間層,+,n,+,n,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,92,摻雜物擴散緩衝,尺寸到次0.18 mm, 供應電壓降到1.5 V時, 熱電子效應就不再這麼

36、重要了 LDD佈植製程或許有可能不再需要. 側壁空間層仍然需要用來提供一個擴散緩衝區以供源極汲極接面的摻雜物使用.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,93,摻雜物擴散緩衝,匣極氧化層,多晶矽 匣極,側壁空間層,源極/汲極,源極/汲極,多晶矽 匣極,匣極氧化層,多晶矽 匣極,匣極氧化層,匣極氧化層,多晶矽 匣極,側壁空間層,退火之後，源極 / 汲極正對位,退火之後，源極 / 汲極距離太近,(a),(b),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,

37、94,臨界電壓VT 調整佈植,可以控制MOSFET的臨界電壓 確保供應電壓可以開啟或關閉在積體電路晶片中的MOSFET 低能量、低電流佈植 通常是在匣極氧化層成長之前執行 兩個佈植製程: p型和n型,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,95,VT調整佈植,晶圓清洗,成長犧牲氧化層 (a),元件區光罩,臨界電壓調整的佈植 (b),剝除光阻,退火,剝除犧牲氧化層 (c),(b),(a),(c),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,96,抗接面擊

38、穿佈植,抗接面擊穿效應 源極和汲極的空乏區受到匣極基片偏壓和源極汲極偏壓的影響互相短路時發生 抗接面擊穿佈植 中等能量、低電流 保護電晶體體抗擊穿的效應 通常是和井區佈植一起執行,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,97,抗接面擊穿佈植,抗接面擊穿,N型井區,磷離子佈植,P型矽,光阻,光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,98,大傾角佈植,另一個用來避免接面擊穿的佈植製程 低能量和低電流 大的入射角, 45,Hong Xiao, Ph.

39、 D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,99,大傾角佈植,P型矽,VT 調整,多晶矽匣極,STI,光阻,光阻,45,45,大傾角接面,p,p,光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,100,高-k 匣極介電質,元件尺寸縮小導致匣極氧化層變的太薄甚至無法在一伏特的電壓下可靠的運作 對於 0.1 mm的元件需要高-k介電質來取代 SiO2 作為匣極介電質材料 高-k,，較厚的匣極介電質，防止匣極穿隧漏電和介電質崩潰 匣極電容必須大到足夠保持夠多的電荷來開啟MOSFET,Ho

40、ng Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,101,金屬匣極,電阻較低 協助改善元件的速度 未來電晶體的製造製程 金屬和高-k 介電質匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,102,剝除光阻,STI,P型井區,多晶矽,STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,103,延伸區離子佈植,STI,P型井區,STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

41、.tx.us/HongXiao/Book.htm,104,氧化層/ 氮化矽回蝕刻,STI,P型井區,STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,105,RPCVD 沉積氮化矽,STI,P型井區,STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,106,CVD沉積PSG,STI,P型井區,PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,107,剝除氮化矽,ST

42、I,P型井區,PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,108,剝除多晶矽,STI,P型井區,PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,109,剝除氧化層,STI,P型井區,PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,110,沉積五氧化二鉭 (Ta2O5) 和快速加熱退火,STI,P型井區,PSG,STI,PSG

43、,Ta2O5,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,111,CVD 沉積鎢金屬,STI,P型井區,PSG,W,鎢金屬,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,112,CMP 研磨五氧化二鉭層,STI,P型井區,PSG,W,STI,PSG,鎢金屬匣極,Ta2O5 匣極介電質,氮化矽,n+,n+,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,113,金屬和高-k 匣極

44、 MOSFET 虛設匣極製程,對IC 元件尺寸小於0.1 mm PSG CMP, 多晶矽和氧化層剝除，和高-k 介電質沉積. Ta2O5, k 25, TiO2 k 高達80, 和 HfO2 CVD 加上 RTA 製程 由於製程太過複雜，或許不會用在晶片製造上 優點: 可以使用很難使用乾式蝕刻處理的Ta2O5.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,114,金屬和高-k 匣極MOSFET傳統製程,研發中的傳統MOSFET製造製程 介電質沉積和退火 金屬沉積 微影技術 金屬蝕刻 離子佈植 快速加熱退火. 預測何種方法將會

45、贏得青睞仍嫌太早,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,115,連接導線,電晶體製造: 前段的製程 局部連線:後段的製程 彼此夾著介電質材料的多層金屬層用來連接數以百萬計的電晶體 局部連線: 金屬矽化物 金屬沉積前的介電質: 摻雜的氧化物, PSG 或 BPSG W 和 Al合金金屬化製程 IMD: USG 和 FSG 過渡到銅和低-k的金屬局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,116,局部連線,介於鄰近電晶體之間的連接 通常是藉著多

46、晶矽或是多晶矽-金屬矽化合物的堆疊形成 WSi2, TiSi2, 和 CoSi2 通常被使用 WSix: CVD 製程使用WF6 和 SiH4 來沉積 TiSi2: PVD Ti 沉積在 Si 上然後加熱退火,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,117,鎢金屬矽化物製程,晶圓清洗,成長匣極氧化層,沉積非晶矽,沉積鎢金屬矽化物 (a),匣極與局部連線光罩,蝕刻鎢金屬矽化物 (含氟的化學物質) (b),蝕刻非晶矽 (含氯的化學物質),剝除光阻,多晶矽與金屬矽化物退火 (c),(b),(c),(a),Hong Xiao,

47、Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,118,自我對準金屬矽化物 (Salicide),TiSi2 和 CoSi2 比WSi2 電阻率較低 當匣極尺寸大於0.2 mm使用TiSi2 當匣極尺寸小於0.2 mm使用CoSi2 金屬 (Ti 或 Co) PVD 加熱退火以形成金屬矽化物 剝除未反應的金屬,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,119,鈷金屬沉積,RTP 矽化物合金,剝除未反應的鈷,矽,矽,矽,STI,側壁空間層,鈷,鈷金屬矽化物,多晶矽,匣極氧化層,鈷自

48、我對準金屬矽化物製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,120,鎢金屬局部連線,較低的電阻，較高的速度，較少的功率 金屬鑲嵌製程: 與鎢的栓塞製程類似 在矽玻璃層中蝕刻出溝槽 沉積Ti作為擴散阻擋層和TiN作為鎢的附著層 CVD 沉積鎢 填充溝槽 CMP 從晶圓表面移除巨量鎢 只有在溝槽中的鎢會被留下來形成局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,121,CMP 研磨PSG,晶圓清洗,局部連線光罩 (a),蝕刻 PSG,剝除光阻,晶圓

49、清洗 (b),氬離子濺射清潔,濺鍍 Ti,濺鍍 TiN,CVD沉積 TiN,TiN熱處理,CVD 沉積鎢金屬 (c),CMP 研磨鎢金屬,CMP 研磨鈦金屬和氮化鈦 (d),晶圓清洗,(b),(a),(c),(d),鎢金屬局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,122,光罩 10: 局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,123,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,n+,STI,p+,p+,USG,n+,PSG,剝除光阻/

50、晶圓清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,124,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,n+,STI,p+,p+,USG,n+,PSG,PVD Ti/TiN 和 CVD TiN/W,Ti/TiN 阻擋層及附著層,鎢,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,125,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,n+,STI,p+,p+,USG,n+,PSG,CMP W/TiN/Ti, 晶圓清洗Clean,鎢,Ti/TiN 阻擋層及附著層,Ho

51、ng Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,126,早期的全區導線連接技術,氧化物CVD 微影技術，氧化物蝕刻，和光阻剝除 金屬 PVD 微影技術，氧化物蝕刻，和光阻剝除 氧化物蝕刻形成接觸窗或金屬層間接觸窗孔 金屬蝕刻形成連接導線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,127,CVD 研磨PSG (a),PSG 再流動 (b),晶圓清洗,接觸窗孔光罩,蝕刻PSG,剝除光阻 (c),晶圓清洗,沉積鋁合金 (d),金屬連線光罩,蝕刻金屬,剝除光阻 (e),

52、金屬退火,(c),(a),(b),(d),(e),早期的鋁合金連線製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,128,多層連接導線,較早期的連線製程會留下粗糙的表面 會在微影製程和金屬沉積時造成問題 鎢被引進來填出狹窄的接觸窗以及金屬層間的接觸窗孔,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,129,多層連接導線,基本的連線製程步驟: 介電質CVD和介電質平坦化 微影技術, 氧化物蝕刻和光阻剝除 鎢 CVD, 巨量鎢移除 金屬堆疊PVD 微影技術,

53、氧化物蝕刻和光阻剝除 使用PSG或 BPSG當作金屬沉積前的介電質和使用USG當作金屬間介電質,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,130,多層連接導線,藉介電質CMP來達到平坦化 鎢 CMP移除巨量鎢 金屬堆疊: Ti 焊接層, 鋁銅合金, 和 TiN 抗反射層鍍膜 金屬蝕刻界定金屬連接的導線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,131,PE-TEOS USG 沉積/蝕刻/沉積/CMP,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區,P型井區,BPSG,n+,n+,p+,p+,STI,USG,W,鋁-銅合金,USG 沉積/蝕刻/沉積/CMP,I