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1、 电信学院 微电子学系 1 微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术第第第第 9 9 章章章章 IC IC 制造工艺概况制造工艺概况制造工艺概况制造工艺概况 电信学院 微电子学系 2 微电子制造技术引引 言言 典型的半导体IC制造可能要花费68周时间，包括450甚至更多的步骤来完成所有的制造工艺，其复查程度是可想而知的。 本章简要介绍0.18m的CMOS集成电路硅工艺的主要步骤，使大家对芯片制造过程有一个较全面的了解。每个工艺的细节将在后面有关章节介绍。 芯片制造就是在硅片上执行一系列复查的化学或者物理操作。这些操作归纳为四大基本类型：薄膜制备（layer）、图形
2、转移、刻蚀和掺杂。 由于是集成电路制造的概述，所以会接触到大量的术语和概念，这些将在随后的章节中得到详细阐述。 电信学院 微电子学系 3 微电子制造技术学学 习习 目目 标标1. 熟悉典型的亚微米 CMOS IC 制造流程；2. 对6种主要工艺(扩散、离子注入、光刻、刻蚀、薄膜生长、抛光)在概念上有一个大体了解；3. 熟悉CMOS制造工艺的14个基本步骤。 电信学院 微电子学系 4 微电子制造技术MOS晶体管工艺流程中的主要制造步骤晶体管工艺流程中的主要制造步骤Figure 9.1 Oxidation(Field oxide)Silicon substrateSilicon dioxideSi
3、licon dioxideoxygenPhotoresistDevelopoxideoxidePhotoresistCoatingphotoresistphotoresistMask-WaferAlignment and ExposureMaskUV lightExposed PhotoresistexposedexposedphotoresistphotoresistGGSDActive Regionstop nitridetop nitrideSDGGsilicon nitridesilicon nitrideNitrideDepositionContact holesSDGGContac
4、tEtchIon ImplantationresistresistresistoxoxDGScanning ion beamSMetal Deposition and EtchdrainSDGGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysiliconpolysiliconSilane gasDopant gasOxidation(Gate oxide)gate oxidegate oxideoxygenPhotoresistStripoxideoxideRF PowerRF PowerIonized oxygen gasOxideEtchphotoresi
5、stphotoresistoxideoxideRF PowerRF Power Ionized CF4 gasPolysiliconMask and EtchRF PowerRF PoweroxideoxideoxideIonized CCl4 gaspoly gatepoly gateRF PowerRF Power 电信学院 微电子学系 5 微电子制造技术CMOS 工艺流程工艺流程硅片制造厂的分区概况扩散光刻刻蚀离子注入薄膜生长抛光CMOS 制作步骤参数测试 电信学院 微电子学系 6 微电子制造技术在亚微米在亚微米CMOS制造厂制造厂典型的硅片流程模型典型的硅片流程模型完成的硅片测试/拣选
6、离子注入扩散(氧化)刻蚀抛光光刻无图形的硅片硅片起始薄膜生长硅片制造(前端 ) Figure 9.2 电信学院 微电子学系 7 微电子制造技术扩扩 散散扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散区的主要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。高温扩散炉（见图9.3）可以在1200的高温下工作，并能完成多种工艺流程，包括氧化、扩散、淀积、退火及合金。湿法清洗设备是扩散区中的辅助设施。硅片放入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。 电信学院 微电子学系 8 微电子制造技术气流控制器温度控制器压力控制器加热器1加热器2加热器3尾气工艺气体石英管三区加热部件温度设定电压热电
7、偶测量Figure 9.3 高温炉示意图 电信学院 微电子学系 9 微电子制造技术光光 刻刻光刻的目的是将掩膜版图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。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。涂胶/显影设备是用来完成光刻的一系列工具的组合。这一工具首先对硅片进行预处理、涂胶、甩胶、烘干，然后用机械臂将涂胶的硅片送入对准及曝光设备。步进光刻机用来将硅片与管芯图形阵列（掩膜版）对准。在恰当地对准和聚焦后，步进光刻机进行逐个曝光。光刻工艺的污染控制格外重要，所以清洗装置以及光刻胶剥离机安排在制造厂的它区域。经过光刻处理的硅片只流入两个区：刻蚀区和离子注入区。 电信学院 微电子学
8、系 10 微电子制造技术Photo 9.1 亚微米制造厂的光刻区 电信学院 微电子学系 11 微电子制造技术刻刻 蚀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备。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应。刻蚀结束后利用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。 电信学院 微电子学系 12 微电子制造技术
9、Figure 9.5 干法离子刻蚀机示意图e-e-R+辉光放电气体分析隔板高频能量副产物和工艺气体气流阳极电磁场自由电子离子鞘腔臂正离子刻蚀气体进入口RF 同轴电缆光子硅片阴极基本化学药品真空管线抽空至真空泵真空规e- 电信学院 微电子学系 13 微电子制造技术离子注入离子注入 离子注入的目的是掺杂。离子注入机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体含有要掺入的杂质，例如砷(As)、磷(P)、硼(B)等在注入机中离化。采用高电压和磁场来控制并加速离子。高能杂质离子穿透光刻胶进入硅片表面薄层。离子注入完成后，进行去胶合彻底清洗硅片。 电信学院 微电子学系 14 微电子制造技术薄膜生长薄膜生长 薄膜生
10、长工艺是在薄膜区完成的。是实现器件中所需的介质层和金属层的淀积。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备。所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作，包括化学气相淀积（CVD）和金属溅射工具（物理气相淀积PVD）。 电信学院 微电子学系 15 微电子制造技术薄膜金属化工作区薄膜金属化工作区Photo courtesy of Advanced Micro DevicesPhoto 9.2 电信学院 微电子学系 16 微电子制造技术抛抛 光光抛光也称化学机械平坦化（CMP），工艺的目的是使硅片表面平坦化，这是通过将硅片表面凸出的部分减薄到下凹部分的高度实现的。硅
11、片经过光刻工艺后表面变得凹凸不平，给后续加工带来了困难，而CMP使这种表面的不平整度降到最小。抛光机是CMP区的主要设备，CMP用化学腐蚀与机械研磨相结合，以去除硅片顶部是其达到希望的厚度。 电信学院 微电子学系 17 微电子制造技术亚微米制造厂的抛光区亚微米制造厂的抛光区Photo courtesy of Advanced Micro DevicesPhoto 9.3 电信学院 微电子学系 18 微电子制造技术CMOS CMOS 制作步骤制作步骤 COMS技术技术COMS是在同一衬底上制作nMOS和pMOS晶体管的混合，简单的COMS反相器电路图如图所示。SGInputD+ VDDDSGOu
12、tputpMOSFETnMOSFET- VSS 电信学院 微电子学系 19 微电子制造技术Passivation layerBonding pad metalp+ Silicon substrateLI oxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4Poly gatep- Epitaxial layerpp+ILD-6LI metalViapp+pp+n+n+n+2314567891011121314 1.双井工艺2.浅槽隔离工艺3.多晶硅栅结构工艺4.轻掺杂(LDD)漏注入工艺5.侧墙的形成6.源/漏(S/D)注入工艺7.
13、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11.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 电信学院 微电子学系 20 微电子制造技术一、双井工艺一、双井工艺 n-well Formation 1）外延生长）外延生长2）厚氧化生长）厚氧化生长 保护外延层免受污染；阻止了在注入保护外延层免受污染；阻止了在注入过程中对硅片的过渡损伤；作为氧化物屏蔽层，有助于过程中对硅片的过渡损伤；作为氧化物屏蔽层，有助于控制注入过程中杂质的注入深度。控制注入过程中杂质的注入深度。3）第一层掩膜）第一层掩膜4）n井注入（高能）井注
14、入（高能）5）退火）退火Figure 9.8 5 umPhotoresistPhosphorus implant312p+ Silicon substratep- Epitaxial layerOxide5n-well4 电信学院 微电子学系 21 微电子制造技术p-well Formation1）第二层掩膜）第二层掩膜2） P井注入井注入(高能高能)3）退火）退火Figure 9.9 p+ Silicon substrateBoron implantPhotoresist1p- Epitaxial layerOxide3n-well2p-well 电信学院 微电子学系 22 微电子制造技术二
15、、浅曹隔离工艺二、浅曹隔离工艺A STI 槽刻蚀槽刻蚀1）隔离氧化2）氮化物淀积3）第三层掩膜4）STI槽刻蚀（氮化硅的作用：坚固的掩膜材料，有助于在STI氧化物淀积过程中保护有源区；在CMP中充当抛光的阻挡材料。）Figure 9.10 +IonsSelective etching opens isolation regions in the epi layer.p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-well3Photoresist2Nitride41OxideSTI trench 电信学院 微电子学系 23 微电子制造技术B STI O
16、xide Fill1）沟槽衬垫氧化硅2）沟槽CVD氧化物填充Figure 9.11 p-wellTrench fill by chemical vapor deposition1Liner oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layern-well2NitrideTrench CVD oxideOxide 电信学院 微电子学系 24 微电子制造技术C STI Formation1）浅曹氧化物抛光（化学机械抛光）2）氮化物去除Figure 9.12 p-well12Planarization by chemical-mechanical polishing
17、STI oxide after polishLiner oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellNitride strip 电信学院 微电子学系 25 微电子制造技术三、三、Poly Gate Structure Process 晶体管中栅结构的制作是流程当中最关键的一步，因为它包含了最薄的栅氧化层的热生长以及多晶硅栅的形成，而后者是整个集成电路工艺中物理尺度最小的结构。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Figure 9.13 p+ Silicon substrateGate oxide12p- Epitax
18、ial layern-wellp-wellPolysilicon depositionPoly gate etch43Photoresist ARC 电信学院 微电子学系 26 微电子制造技术四、轻掺杂源漏注入工艺四、轻掺杂源漏注入工艺 随着栅的宽度不断减小，栅下的沟道长度也不断减小。这就增加源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希望的沟道漏电流。LDD工艺就是为了减少这些沟道漏电流的发生。 A n- - LDD Implant1）第五层研磨）第五层研磨2） n-LDD注入（低能量，浅结）注入（低能量，浅结）Figure 9.14 p+ Silicon substratep- Epitaxial l
19、ayern-wellp-welln-n-n-1Photoresist maskArsenic n- LDD implant2 电信学院 微电子学系 27 微电子制造技术B p- - LDD Implant1）第六层掩膜）第六层掩膜2）P- 轻掺杂漏注入（低能量，浅结）轻掺杂漏注入（低能量，浅结）Figure 9.15 p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellPhotoresist Mask1p-p-Photoresist mask1n-n-2BF p- LDD implant2p-n- 电信学院 微电子学系 28 微电子制造技术五、侧
20、墙的形成五、侧墙的形成 侧墙用来环绕多晶硅栅，防止更大剂量的源漏（S/D）注入过于接近沟道以致可能发生的源漏穿通。1）淀积二氧化硅2）二氧化硅反刻Figure 9.16 +Ionsp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellp-p-1Spacer oxideSide wall spacer2Spacer etchback by anisotropic plasma etcherp-n-n-n- 电信学院 微电子学系 29 微电子制造技术六、源六、源/漏注入工艺漏注入工艺A n+ Source/Drain Implant1）第七层掩膜2）n
21、+源/漏注入Figure 9.17 p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-welln+Arsenic n+ S/D implant2Photoresist mask1n+n+ 电信学院 微电子学系 30 微电子制造技术B p+ Source/Drain Implant1)第八层掩膜2）P源漏注入（中等能量）3）退火Figure 9.18 Boron p+ S/D implant2p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellPhotoresist Mask11Photoresist ma
22、skn+p+p+n+n+p+ 电信学院 微电子学系 31 微电子制造技术七、七、Contact Formation钛金属接触的主要步骤钛金属接触的主要步骤1）钛的淀积）钛的淀积2）退火）退火3）刻蚀金属钛）刻蚀金属钛Figure 9.19 2Tisilicide contact formation (anneal)Titanium etch3Titanium depostion1n+p+n-wellp+n+p-welln+p+p- Epitaxial layerp+ Silicon substrate 电信学院 微电子学系 32 微电子制造技术Figure 9.20 作为嵌入LI金属的介质的L
23、I氧化硅 电信学院 微电子学系 33 微电子制造技术八、局部互连工艺八、局部互连工艺A LI Oxide Dielectric Formation1）氮化硅化学气相淀积2）掺杂氧化物的化学气相淀积3）氧化层抛光（CMP）4）第九层掩膜，局部互连刻蚀Figure 9.21 1 Nitride CVDp-wellp-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrateLI oxide2 Doped oxide CVD4 LI oxide etchOxide polish3 电信学院 微电子学系 34 微电子制造技术B LI Metal Formation1)金属钛淀
24、积（PVD工艺）2）氮化钛淀积3）钨淀积(化学机械气相淀积工艺平坦化)4）磨抛钨Figure 9.22 n-wellLI tungsten polishTungsten depositionTi/TiN deposition234LI oxideTi deposition1p-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrate 电信学院 微电子学系 35 微电子制造技术九、通孔九、通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成A Via-1 Formation1）第一层层间介质氧化物淀积）第一层层间介质氧化物淀积2）氧化物磨抛）氧化物磨抛3）第十层掩膜，第一层层间介质刻蚀）
25、第十层掩膜，第一层层间介质刻蚀Figure 9.23 Oxide polishILD-1 oxide etch(Via-1 formation)23LI oxideILD-1 oxide deposition1ILD-1p-welln-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrate 电信学院 微电子学系 36 微电子制造技术B Plug-1 Formation1）金属淀积钛阻挡层（）金属淀积钛阻挡层（PVD）2）淀积氮化钛（）淀积氮化钛（CVD）3）淀积钨（）淀积钨（CVD）4）磨抛钨）磨抛钨Figure 9.24 Tungsten polish (Plu
26、g-1)TungstendepositionTi/TiN deposition234LI oxideTi dep.1ILD-1p-welln-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrate 电信学院 微电子学系 37 微电子制造技术多晶硅钨 LI钨塞Mag. 17,000 XPhoto 9.4 多晶硅、钨 LI 和钨塞的SEM显微照片 电信学院 微电子学系 38 微电子制造技术十、十、Metal-1 Interconnect Formation1）金属钛阻挡层淀积（）金属钛阻挡层淀积（PVD）2）淀积铝铜合金（）淀积铝铜合金（PVD）3）淀积氮化钛（）淀积
27、氮化钛（PVD）4）第十一层掩膜，金属刻蚀）第十一层掩膜，金属刻蚀Figure 9.25 2341TiN depositionAl + Cu (1%)depositionTi DepositionLI oxideILD-1Metal-1 etchp-welln-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrate 电信学院 微电子学系 39 微电子制造技术TiN metal capMag. 17,000 XTungsten plugMetal 1, AlPhoto 9.5 第一套钨通孔上第一层金属的SEM显微照片 电信学院 微电子学系 40 微电子制造技术十一、
28、十一、Via-2 FormationA 制作通孔制作通孔2的主要步骤的主要步骤1）ILD-2间隙填充间隙填充2）ILD-2氧化物淀积氧化物淀积3）ILD-2氧化物平坦化氧化物平坦化4）第十二层掩膜，）第十二层掩膜，ILD-2刻蚀刻蚀Figure 9.26 4p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellLI oxideILD-1Oxide polishILD-2 gap fill132ILD-2 oxide depositionILD-2 oxide etch(Via-2 formation) 电信学院 微电子学系 41 微电子制造技术B
29、Plug-2 Formation1）金属淀积钛阻挡层）金属淀积钛阻挡层(PVD)2）淀积氮化钛）淀积氮化钛(CVD)3）淀积钨（）淀积钨（CVD）4）磨抛钨）磨抛钨Figure 9.27 LI oxideTungsten deposition (Plug-2)Ti/TiN deposition23Ti deposition1ILD-1ILD-2p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellTungstenpolish4 电信学院 微电子学系 42 微电子制造技术十二、十二、Metal-2 Interconnect Formation1）淀积
30、、刻蚀金属）淀积、刻蚀金属22）填充第三层层间介质间隙）填充第三层层间介质间隙3）淀积、平坦化）淀积、平坦化ILD-3氧化物氧化物4）刻蚀通孔）刻蚀通孔3，淀积钛，淀积钛/氮化钛、钨，平坦化氮化钛、钨，平坦化Figure 9.28 电信学院 微电子学系 43 微电子制造技术 十三、制作第三层金属直到制作压点和合金十三、制作第三层金属直到制作压点和合金 重复工艺制作第三层和第四层金属后，完成第四层金属的刻蚀，紧接着利用薄膜工艺淀积第五层层间介质氧化物（ILD-5）(见下图)。由于所刻印的结构比先前工艺中形成的0.25m尺寸要大很多，所以这一层介质不需要化学机械抛光。 工艺的最后一步包括再次生长二
31、氧化硅层（第六层层间介质）以及随后生长顶层氮化硅。这一层氮化硅称为钝化层。其目的是保护产品免受潮气、划伤以及沾污的影响。 电信学院 微电子学系 44 微电子制造技术Figure 9.29 整个 0.18 mm的CMOS 局部剖面 Passivation layerBonding pad metalp+ Silicon substrateLI oxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4Poly gatep- Epitaxial layerpp+n+ILD-6LI metalViapp+pp+n+n+ 电信学院 微电子学系
32、45 微电子制造技术微处理器剖面的微处理器剖面的SEM 显微照片显微照片Micrograph courtesy of Integrated Circuit EngineeringMag. 18,250 XPhoto 9.6 电信学院 微电子学系 46 微电子制造技术十四、参数测试十四、参数测试 硅片要进行两次测试以确定产品的功能可靠性：第一次测试在首层金属刻蚀完成后进行，第二次是在完成芯片制造的最后一步工艺后进行。 电信学院 微电子学系 47 微电子制造技术使用微探针仪进行芯片电学测试使用微探针仪进行芯片电学测试Photo 9.7 电信学院 微电子学系 48 微电子制造技术小小 结结芯片加工厂
33、大概可以分6个主要的生产区域：扩散区、光刻区、刻蚀区、离子注入区、薄膜区和抛光区，加上工艺最后的片上测试和拣选。扩散属于高温工艺(目的是掺杂)；光刻利用光刻胶的感感光光性性将掩膜版上的图形转移到光刻胶薄膜上；刻蚀将光刻胶上的图形复制在硅片上；离子注入是对硅片进行掺杂；薄膜区是淀积介质和金属层；抛光是将硅片上表面凹凸不平的区域平坦化。简化的CMOS工艺由14个生产步骤组成。 电信学院 微电子学系 49 微电子制造技术Oxidation(Field oxide)Silicon substrateSilicon dioxideSilicon dioxidePhotoresistDevelopPhot
34、oresistCoatingphotoresistphotoresistMask-WaferAlignment and ExposureExposed PhotoresistGGSDActive Regionstop nitridetop nitrideSDGGNitrideDepositionContact holesSDGGContactEtchIon ImplantationresistresistresistoxoxDGSMetal Deposition and EtchdrainSDGGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysiliconpo
35、lysiliconOxidation(Gate oxide)gate oxidegate oxidePhotoresistStripoxideoxideOxideEtchPolysiliconMask and Etchoxideoxideoxidepoly gatepoly gateMOSFET工艺流程剖面图 电信学院 微电子学系 50 微电子制造技术氧化P-SUBSiO2N 阱光刻及注入P-SUBNP 阱光刻及注入P-SUBNPSTI浅槽刻蚀P-SUBNPSTI淀积及CMPP-SUBNP 栅氧化、多晶硅生长及刻蚀P-SUBNPP型源漏注入P-SUBNPPPN 型源漏注入P-SUBNPPPNP-SUBNPPPN双井CMOS工艺流程剖面图 电信学院 微电子学系 51 微电子制造技术氧化P-SUBSiO2N 阱光刻及注入P-SUBN隔离氧化及光刻P-SUBN 栅氧化、多晶硅生长及刻蚀P-SUBNP型源漏注入P-SUBNPPNN 型源漏注入P-SUBNPPP-SUBNP引线孔刻蚀P-SUBNP金属淀积及刻蚀单井CMOS工艺流程剖面图
