ic工艺_10_2-2

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1、10.4 CMOS IC的工艺集成,CMOS工艺中的基本模块 双阱CMOS IC工艺的主要流程和基本掩模,2019/10/14,1,Schematic Diagram,Top view of Transistor,Cross-section of Transistor,contact,工艺流程从定义 有源区开始，晶体管 就在这些区域中形成。,2019/10/14,2,CMOS Process at a Glance 简化的工艺流程（双阱CMOS）,阱区离子注入； 定义有源区刻蚀及在绝缘沟槽中填充氧化物； 淀积及形成多晶硅层图形； 源区和漏区及衬底接触的离子注入； 形成接触和通孔窗口淀积及形成金

2、属层图形；,2019/10/14,3,双阱CMOS工艺流程中的两个特点,2019/10/14,4,2019/10/14,掩膜一：N阱光刻,5,用来规定N阱的形状、 大小及位置,1. 双阱工艺 /1,n阱的形成,形成n阱有5个主要步骤：,1）外延生长 2）初始氧化生长 3）第一层掩膜 4）n井注入（高能） 5）退火,2019/10/14,6,7,具体步骤：,初始氧化层的主要作用,外延层的保护层免受沾污； 注入时的保护层阻止注入对硅片的过度损伤； 屏蔽层有助于控制注入深度；,2.生长初始氧化层：高温(1000 )湿法氧化;大约150A；,1.生长外延硅层：轻的p型(硼)掺杂；晶向;,初始氧化层的主

3、要作用：,8,掩膜1N阱的光刻过程,2019/10/14,3N阱光刻：,2019/10/14,这一步骤主要是将特定的掩膜图形即阱的区域刻印在硅片上，在光刻区完成。,N阱的掩膜版决定硅片的哪些区域将进行注入以得到N阱，从而可在阱上制作PMOS管。,涂胶 显影 刻蚀 去胶 N阱注入(高能)：P,N阱主要步骤,在进入离子注入区之前进行检测：刻印图形的线宽；,Mask #2 blocks a implant to form the wells for the PMOS devices . Typically 300KeV.,2019/10/14,4N阱掺杂：,氧化硅,N阱注入,刻印后的硅片送入离子注入

4、区。,光刻胶覆盖了硅片图形上的特定区域，将其保护起来免于离子注入；,而未被光刻胶覆盖的区域允许高能杂质阳离子（磷）穿透外延层的上表面（结深约为1um），使该区域得到均匀掺杂。,退火,离子注入后去胶，清洗。,注入后的硅片再被转移到扩散区，进行退火：,修复注入引入的晶格损伤； ； 高温使杂质向硅中扩散； 杂质原子与硅原子间的共价键被激活，使杂质原子成为晶格中的一部分电学激活； 在裸露的硅片表面生长一层新的阻挡氧化层；,p阱的形成,形成P阱有3个主要步骤：,1） 第二层掩膜 2） P井注入(高能) 3） 退火,2019/10/14,13,1. 双阱工艺 /2,2019/10/14,掩膜二：P阱光刻,

5、14,用来规定P阱的形状、大小及位置,P阱形成,2019/10/14,15,第二层掩膜，P阱的掩膜是第一层掩膜的直接反相。二者往往是在同一次光刻中完成。,2019/10/14,P阱倒掺杂注入离子的能量明显低于N阱。,第二层掩膜，P阱注入； P阱注入(高能)：B 退火；,P阱主要步骤,退火与第一步退火基本上一样。,主要是取决于注入成分的质量显著不同，硼只有磷原子量的三分之一，故注入所需能量也只相当于磷的三分之一，就能得到相同的结深。,Mask #3 blocks a implant to form the wells for the NMOS devices . Typically 150 20

6、0KeV.,Self-aligned Twin Well,Wafer clean Grow pad oxide Deposit nitride (a) N-well mask Etch nitride Strip photoresist N-well implantation (b) Anneal/drive-in and oxidation (c) Strip nitride P-well implantation (d) Anneal and drive Strip pad oxide (e),2.浅槽隔离工艺,槽刻蚀,1） 隔离氧化层(垫氧) 2） 氮化物淀积 3） 第三层掩膜 4） S

7、TI 槽刻蚀,2019/10/14,18,槽刻蚀有4个主要步骤：,2019/10/14,有源区,deposited nitride layer,有源区光刻板 N型p型MOS制作区域 (漏-栅-源),19,2019/10/14,掩膜三：光刻有源区,有源区：nMOS、PMOS晶体管形成的区域,N-well,淀积氮化硅 光刻有源区 场区氧化 去除有源区氮化硅及二氧化硅,SiO2隔离岛,用于确定薄氧化层。,20,2019/10/14,1. 淀积氮化硅：,氧化膜生长（湿法氧化）,氮化膜生长,涂胶,对版曝光,有源区光刻板,2. 光刻有源区：,P-well,N-well,2019/10/14,氮化硅刻蚀去胶

8、,3. 场区氧化：,场区氧化（湿法氧化）,去除氮化硅薄膜及有源区SiO2,22,P-well,N-well,P-well,N-well,P-well,N-well,浅槽隔离工艺的主要步骤,槽刻蚀；,氧化层作为缓冲层，用于减缓硅衬底与随后淀积的氮化硅层之间的应力；同时保护有源区在去掉氮化物时免受沾污；,氮化层在淀积STI氧化物时保护有源区及在CMP时充当抛光的阻挡层；,第三层掩膜（浅槽隔离区）； STI槽刻蚀；,STI氧化物填充； STI氧化层抛光及去除氮化硅；,淀积氧化层(垫氧)和氮化硅；,STI槽刻蚀,没有光刻胶保护的区域被离子或强腐蚀性的化学物质刻蚀掉氮化硅/氧化硅及硅； 沟槽倾斜的侧壁及

9、圆滑的底面有助于提高填充的质量和隔离结构的电学特性；,2.浅槽隔离工艺,氧化物填充,氧化物填充有2个主要步骤：,1）沟槽衬垫氧化硅 2）沟槽 CVD 氧化物填充,2019/10/14,25,STI 氧化物填充,生长沟槽衬垫氧化硅 生长衬垫氧化层是为了改善硅与沟槽填充氧化物间的界面特性； 沟槽CVD氧化物填充性； 实现高速淀积和高产出率；,2.浅槽隔离工艺,氧化物平坦化,氧化物平坦化 有2个主要步骤：,1）沟槽氧化物抛光 ( 化学机械抛光 ) 2）氮化物去除,2019/10/14,27,STI氧化层抛光及氮化硅去除,2019/10/14,28,CMP沟槽氧化物抛光 在化学机械抛光区，采用CMP使

10、硅片表面平坦化；,去除氮化硅； 在扩散区，用热磷酸槽从硅片上去除氮化物；经清洗、烘干后，最后检查隔离氧化层的厚度；,多晶硅栅结构工艺 有4个主要步骤：,1）栅氧化层的生长 2）多晶硅淀积 3）第四层掩膜 4）多晶硅栅刻蚀,2019/10/14,29,3.多晶硅栅结构工艺,2019/10/14,去除氮化硅薄膜及有源区SiO2,P-well,栅极氧化膜,多晶硅栅极,生长栅极氧化膜 淀积多晶硅 光刻多晶硅,掩膜四：光刻多晶硅,用来刻蚀多晶硅， 形成多晶硅栅极及多晶硅互连线。,30,P-well,N-well,2019/10/14,生长栅极氧化膜,淀积多晶硅,涂胶光刻,多晶硅光刻板,P-well,多晶

11、硅刻蚀,31,4. 轻掺杂漏注入LDD工艺/1,n- 轻掺杂漏注入 有2个主要步骤：,1）第五层掩膜 2）n-LDD 注入 ( 低能量 , 浅结 ),n- 轻掺杂漏注入,2019/10/14,32,p- 轻掺杂漏注入 有2个主要步骤：,1）第六层掩膜 2）P-轻掺杂漏注入( 低能量,浅结 ),p- 轻掺杂漏注入,2019/10/14,33,4. 轻掺杂漏注入工艺 /2,2019/10/14,34,轻掺杂漏区的作用,结构：在沟道的漏端及源端增加低掺杂区。,作用：降低沟道中漏附近的电场（在整个沟道区最大），减少源漏间的沟道漏电流效应，提高FET的可靠性。,LDD 使用的较大质量的掺杂材料使硅片的上

12、表面成为非晶态，可降低沟道端口处的掺杂浓度及掺杂浓度的分布梯度，有助于维持浅结。,5. 侧墙的形成/1,2019/10/14,35,侧墙用来环绕多晶硅栅，在源漏注入时能够保护沟道，防止更大剂量的源漏注入过于接近沟道以致可能发生源漏穿通。,5. 侧墙的形成/2,侧墙的形成有 2个主要步骤：,1）淀积二氧化硅 2）二氧化硅反刻,2019/10/14,36,6. 源/漏注入工艺 /1,n+ 源 / 漏注入有 2个主要步骤：,1）第七层掩膜 2）n+ 源 / 漏注入 ( 中等能量 ),（1）n+ 源 / 漏注入,2019/10/14,37,p+ 源 / 漏注入有 3个主要步骤：,1）第八层掩膜 2）p

13、+ 源 / 漏注入 ( 中等能量 ) 3）退火,（2）p+ 源 / 漏注入,2019/10/14,38,6. 源/漏注入工艺 /2,2019/10/14,P-well,P+,N+,N+,P+,N-Si,P-well,掩膜五：P+区光刻,P+区光刻 离子注入B+，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。 去胶,确定需要进行离子注入形成P+的区域。,39,2019/10/14,P+,硼离子注入,去胶,40,2019/10/14,P-well,P+,N+,N+,P+,N-Si,P-well,N+区光刻 离子注入P+，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。 去胶,掩膜六：N+区光刻,用来确定需要进行

14、掺杂的N+区域， 它实际上是P+掩膜版的负版。,41,2019/10/14,42,金属化与多层互连,金属及金属性材料在集成电路技术中的应用被称为金属化。,金属化系统的功能： MOSFET栅电极材料：作为MOSFET器件中的一个组成部分，对器件性能起着主要作用(多晶硅) 互连材料：将同一芯片内的各个独立的元器件连接成为具有一定功能的电路模块；(铝) 接触材料：直接与半导体材料接触的材料，以及提供与外部相连的连接点。(硅化物),对IC金属化系统的主要要求,(1) 金属和半导体形成低阻接触 (2) 低阻互连 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 台阶覆盖好 (5) 结构稳定，抗电迁移

15、性及耐腐蚀性好 (6) 易淀积和刻蚀 (7) 制备工艺简单,电学、机械、热学、热力学及化学,可能形成互连的导电材料,金属 （metal）：low resistivity 多晶硅（polySi）：Medium resistivity) 硅化物（metal silicides）：介于以上二者之间,7. 接触(孔)的形成,接触(孔)的形成有 3个主要步骤：,1）淀积钛 2）退火，生成TiSi2 3）接触孔光刻，刻蚀掉没反应的钛,2019/10/14,47,接触孔及通孔/1,孔W塞 (W-stud),电阻率介于铝和硅化物之间 1mm后，充填能力强，台阶覆盖能力强 热稳定性好 低应力 抗电迁移能力和抗腐蚀能力强,LPCVD,钨与SiO2等各种常用介质粘附不好，需要粘附层TiN；为了降低接触电阻，Si和TiN需加入Ti作为接触层,W/TiN/Ti/Si,钨塞两步法填充：硅烷法较低气压下成核生长 氢气法快速完全填充,接触孔及通孔/2,2019/10/14,P-well,P+,N+,N+,P+,N-Si,P-well,磷硅玻璃（PSG),掩膜七：光刻接触孔,淀积PSG 光刻接触孔 刻蚀接触孔,确定接触孔， 将这些位置处的SiO2刻蚀掉。,50,2019/10/14,淀积PSG,光刻接触孔,去胶,光刻接触孔步骤,51,8. 局部互连工艺 /1,局部互连工艺的 2个