半导体工艺制造

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1、第9章 集 戊电路制造工艺概况典型的集成电路硅片制造工艺可能要花费六到八周的时间,包括篼0或者更多步骤来完成所有 冫 制造工艺。这种工艺的复杂性是无以复加的。众所周知,大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几微米以内。 这一有源区对应于工艺流程的 j 瑞工艺。 所有硅上方的材料都是互连芯片上各个器件所需的分层结构的一部分。 为了增加多层金 茧殳 绝缘层,工 艺流程要求硅片在不同工艺步骤中循环。一旦了解了工艺流程,你 就会认识到要制三一块高性能的微芯片,只 需要多次运用有限的几种工艺。目标通过本章的学习,你 将能够:1,画出典型的亚微米 CMOs 集成电路制造流程图c 2.对 6种 主要工艺和硅片制

2、造中的拣选/测试在概念上有一个大概的了解。3.描述 CMOS制造工艺14个步骤的主要目的。 4,讨论每一步CMOs 制造流程的关键工艺和设各。9,1 引言本章简单介绍了0.18u m 的CMOS集成电路硅工艺的主要步骤。这有助于读者对半导体制造:f 一个更好的了解。每一步工艺的具体细节将在本书专门的章节中详细介绍。 首先给出了整个硅片制造工艺的简介,通过一个模型描述了硅片是怎样在有限工艺流程中重 踅循环的。 这种描述简化了概念,将 芯片的制造流程控制在一个可管理的水平。 必须认识到工艺 :的各种变化,例 如参数和工具的变化,这 种变化的结果只能在几星期后的最终测试中了解。 正 为这种制造的复杂

3、性,使 得每一步都必须通过精确测量以便绝对正确地完成任务,这 是至关重丢妁。9.2 CMOS工艺流程集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。 简而言之,这些操作可以分 t j 四大基本类:薄 膜制作 (1a y e r )、刻印 (p a t t e m )、 刻蚀和掺杂。图9,1展示了工艺的复杂性,即乏 制造单个MOS管也不例外。由于CMOs 技术在工艺家族中最有代表性,我 们就以它为例介绍硅 =制造流程。 最典型的例子是0,18u m 的CMOs 集成电路制造工艺。 由于这是集成电路制造的概述, 以会接触到大量的术语和概念,这些将在随后各章中得到详细阐述。 在学习本章的过

4、程中必须时: 牢记,在制造过程当中要进行一系列有着特定目的的操作。 注意每一步操作的目的、 所采用设各t 时料的种类以及随后的质量测量手段,这 些决定了每一步工艺的集成。188半导体制造技术氧化 (场氧 )光刻胶 涂胶掩膜版-硅片 对准与曝光氧化 多晶硅 (栅氧化硅 ) 淀积多晶硅 光刻与刻蚀翻貔曩 鲟 曝过光的 光刻胶 光刻胶 显影 % 噙1弓亡EF跏娥有源区 氮化硅 淀积图91 CMOs 工艺流程中的主要制造步骤(承蒙Ad v a n c e d Mi c r o Dc 访c e s 公司允许使用)9,2.1 硅片 制造厂 的分 区概 述集成电路是在硅片制造厂中制造完成的。 如图9.2所示

5、的硅片制造厂可以分成6个独立的生产 区:扩 散 (包括氧化、膜淀积和掺杂工艺 )、 光刻、刻蚀、薄膜 (t h n m m )、离子注入和抛光。这 6个主要的生产区和相关步骤以及测量工具都在硅片厂的超净间中。 其中抛光区是高性能半导体集成电路制造业的新成员,并且在工业中的应用越来越普遍。 虽然对硅片上的独立管芯进行测试的测试 拣选区就在硅片厂的附近,但 是测试区并不与硅片制造厂的其他部分在同一超净环境当中。 装配和封装则在其他工厂进行,甚 至在别的国家完成。离子注人金属淀积与 刻蚀图9,2 在 亚微米CMOs IC制造厂典型的硅片流程模型(承蒙Ad v a n c e d M忆r O De v

6、 i c e s 公司允许使用 )第9章 集 成电路制造工艺概况 扩散 扩 散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。 扩散区的主要设各是高温扩散炉和湿法清洗设各。 高温扩散炉 (见 图9.3)可 以在近 12O0 C的高温下工作,并 能完成多种工艺流程,包 括氧化、 扩散、 淀积、 退火以及合金。 这些工艺将在后续章节中具体描述。湿法清洗设各是扩散区中的辅助工具。 硅片在放人高温炉之前必须进行彻底地清洗,以除去硅片表面的沾污以及自然氧化层。温度设定电压尾气 图9,3 高温炉示意图 光刻 使 用黄色荧光管照明使得光刻区与芯片厂中的其他各个区明显不同。光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面

7、的光刻胶上。 光刻胶是一种光敏的化学物质,它 通过深紫外线曝 光来印制掩膜版的图像。 光刻胶只对特定波长的光线敏感,例如深紫外线和白光,而对黄光不敏感。在亚微米制造厂的光刻区(承蒙A山m d Mi c r o D“i c e s 公司 允 许 使 用)涂胶/显影设各 (c o a t e d e v e l o p e r 订a c k )是 用来完成光刻的一系列工具的组合。 这一工具首先 讨硅片进行预处理、 涂胶、 甩胶、 烘千,然 后用机械臂将涂胶的硅片送人对准及曝光设备。 步进光189190半导体制造技术刻机 (s p p e r )用来将硅片与管芯图形阵列对准9这一阵列由镀铬石英版刻蚀

8、而成。 在恰当地对准 和聚焦后,步进光刻机先曝光硅片上的一小片面积,随后步进到硅片的下一块区域并重复上述过程,直到硅片表面全部曝光了管芯图形为止 (见图9.4)。完成后,硅 片回到涂胶/显影设备对光刻胶进行显影,随 后清洗硅片并再次烘干。如图9,2所示,光 刻区位于硅片厂的中心。 之所以这样是基于如下事实:硅 片从硅片制造厂的所有其他区流人光刻区。 由于在光刻过程中缺陷和颗粒可能植人光刻胶层,沾污的控制显得格外重要。光刻掩膜版上的缺陷以及步进光刻机上的颗粒能够复印到所有用这些设各处理的硅片上。为了减少沾污,敞口盛放的化学试剂在光刻区中是禁止使用的。 因此,清洗装置以及光刻胶剥离 机通常安排在硅

9、片厂的其他区域,而不是光刻区。 参看图9.2,经过光刻处理的硅片只流人两个区:刻蚀区和离子注人区。因此只有三个区会处理涂胶的硅片,它 们是光刻区、刻蚀区和离子注人区。曰掬围冷板 冷板 坚膜图9.4 光 刻工艺模块示意图 刻蚀 刻 蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。 刻蚀区最常见的工具是等离子体刻蚀机、 等离子体去胶机和湿法清洗设各。目前,虽 然仍采用一些湿法刻蚀工艺,但 大多数步骤采用的是干法等离子体刻蚀 (见图9.5)。等离子体刻蚀机是一种采用射频 (RF)能量在真空腔中离化气体分子的一种工具。 等离子体是一种由电激励气体发光的物质形态。 等离子体与硅片顶层的物质发生化学反

10、应。 刻蚀结束后利用另一种称为去胶机的等离子体装置,用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。紧接着用一种化学溶剂彻底清洗硅片。气体分布隔板刻蚀气体进人迸气口阳极电磁场自由电子离子鞘腔壁装 片 台晨 簇成蔡 犁胶屠 髭 去边传 送 台 塑旦 苎 型 旦 型 堕 堡 苎 丕统)| 一姒/一鹩光子辉光放电 (等离子体 )真空规硅片阴极副产物和工艺气体气流真空管线图9.5 干 法等离子体刻蚀机示意图抽空至真空泵第9章 集 成电路制造工艺概况 离子注入 离 子注人机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体带着要掺的杂质,例 如砷 (As )、磷l P)、硼l B)在注人机中离化 (见 图9.6)。采用高电压和磁

11、场来控制并加速离子。高能杂质离子穿透了涂胶硅片的表面。离子注人完成后,要 进行去胶和彻底清洗硅片。图9.6 离子注人机示意图 菏膜生长 薄 膜区主要负责生产各个步骤当中的介质层与金属层的淀积。 薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。 薄膜生长区中有很多不同的设各。 所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作(见图9,7),包括化学气相淀积(CVD)和金属溅射工具(物理气相淀积,PVD)。该区中用到的其他设备可能会有So s p 血o n g 1a s 系统、 快速退火装置(r P)系统和湿法清洗设 各。 s OG用来填充硅片上的低凹区域以实现硅片表面的平坦化 (使平滑 )。 快速退火装

12、置用于修复 离子注入引人的衬底损伤,也 用于金属的合金化步骤。0多 腔集成设备图9.7 CVD多腔集成设备和工艺腔的示意图191质量分辨狭缝电容耦合卩 卩 甲 甲 叩 叫 只 只 只 I192半导体制造技术 抛光 CMP(化学机械平坦化 )工 艺的目的是使硅片表面平坦化,这 是通过将硅片表面突出的部分减薄到下凹部分的高度实现的。硅片表面凹凸不平给后续加工带来了困难,而 CMP使这种硅片表面的不平整度降到最小。 抛光机是CMP区的主要设备,而这一步工艺也可以叫抛光。 CMP用化学腐蚀与机械研磨相结合,以 除去硅片顶部希望的厚度。其他辅助CMP的设各包括刷片机 (w a f e r s c m b

13、 b e r )、 清洗装置和测量工具。 瘭口在亚微米制造厂的抛光区(承蒙Ad v a n c e d Mi c r o De 呐c c s 公司允 许使用)薄膜金属化工作区(承蒙Ad v a n c c d Mr o De v i c e s 公司允许使用)9.3 CMOS制作步骤本章以下部分将集中讨论一个硅片在典型CMOs 流程当中的主要制作步骤。虽然流程中的有些步骤可以一次处理一批硅片,下面只描述单片的制作步骤。 为了进一步简化描述,下面只介绍一个CMOs 反相器,由 两个晶体管构成个n MOs 和一个p MOs ,它仅占微小的面积。 在每一个 主要步骤中将会给出产品的剖面图。 CMOs

14、 制作步骤如下所示:1,双阱工艺 2.浅槽隔离工艺疒盯沪蔗气第9章 集 成电路制造工艺概况3多晶硅栅结构工艺4,轻掺杂漏 (LDD)注人工艺5.侧墙的形成6源 /漏 (S/D)注 人工艺7.接触孔的形成8.局部互连工艺9,通孔 1和金属塞 1的形成 10金属 1互连的形成l 1通孔 2和 金属塞 2的形成12金 属2互 连的形成 13,制作金属3直到制作压点及合金14,参数测试1,双阱工艺住一般的CMOs 流程中,第一步往往是定义MOs FET的有源区。 现在的亚0。 乃u m 的工艺通常辶工硐双阱工艺 (也称双管 )来定义n MOs 和p MOS晶体管的有源区。双阱包括一个n 阱 和一个p

15、=每个阱都至少包括三到五步主要步骤来完成制作。 通常采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特 。这一技术采用高能量、 大剂量的注人,深 人外延层大概一微米左右。 随后的阱注人在相同区域 i ,只是注人能量、结深以及掺杂剂量 (杂质为磷、硼,度 量单位为原子数/平方厘米 )都 有大 咱麦的减小。阱注人决定了晶体管的阈值工作电压同时避免CMOS电路常见的一些问题,如 闩锁 和其他一些可靠性方面的问题。图9,8和 9.9分别介绍了形成n 阱 和p 阱所要求的主要步骤。 n 阱的形成 形 成n 阱 的5个 主要步骤在下表以及图9.8中描述。形成n 阱的5个 主要步骤:193步骤 l 外 延生长2 原氧化生长

16、3 第一层掩膜,n 阱 注人硅片在到达扩散区之前已经有了一个薄的外延层。 外延层与衬底有完全相同的晶格结 构,只 是纯度更高,晶 格缺陷更少而已。外延层已经进行了轻的p 型杂质 (硼 )掺 杂 在扩散区,硅 片在一系列化学溶液中清洗以除去颗粒、 有机物和无机物沾污以及自然 氧化层。硅片漂洗、甩干之后放人高温 (10C)炉中。工艺腔中通人氧气使之与硅 发生反应,得 到大约150A的氧化层。这一氧化层主要有以下作用:1)保护表面的外 延层免受沾污,2)阻止了在注入过程中对硅片过度损伤,3)作为氧化物屏蔽层,有 助于控制注人过程中杂质的注人深度 光刻中,硅 片在涂胶/显影机中经历了一系列的工艺步骤。涂胶/显影机,预 处理硅片 的上表面涂胶、 甩胶、 烘焙。 设备内部的自动传送装置将硅片在各操作位之间转移。 另 一套传送装置将经过涂胶处理的硅片每次一片地送人对准与曝光系统 (一个极端复杂又精确的照相机 )。 光刻机将