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1、第四章第四章 集成电路制造工艺概况集成电路制造工艺概况 4.1 基本工基本工艺艺介介绍绍 4.2 CMOS技技术发术发展展历历程程简简介介 4.3 CMOS制作流程制作流程MOS工艺流程中的主要制造步骤工艺流程中的主要制造步骤氧化氧化(场氧场氧)Silicon substrateSilicon dioxideSilicon dioxideoxygen显影显影oxideoxide涂光刻胶涂光刻胶photoresistphotoresist对准与曝光对准与曝光MaskUV light曝光过的曝光过的光刻胶光刻胶exposedexposedphotoresistphotoresistGGSD有源区有
2、源区top nitridetop nitrideSDGGsilicon nitridesilicon nitride氮化硅氮化硅淀积淀积Contact holesSDGG接触接触刻蚀刻蚀离子注入离子注入resistresistresistoxoxDGScanning ion beamS金属淀积金属淀积与刻蚀与刻蚀drainSDGGMetal contacts 多晶硅多晶硅淀积淀积polysiliconpolysiliconSilane gasDopant gas氧化氧化（栅氧化硅）（栅氧化硅）gate oxidegate oxideoxygen去除去除光刻胶光刻胶oxideoxideRF Po
3、werRF PowerIonized oxygen gas氧化硅氧化硅刻蚀刻蚀photoresistphotoresistoxideoxideRF PowerRF Power Ionized CF4 gas多晶硅多晶硅刻蚀刻蚀RF PowerRF PoweroxideoxideoxideIonized CCl4 gaspoly gatepoly gateRF PowerRF Power 4.1 基本工基本工艺艺介介绍绍基本大类：基本大类：u 图形制备：图形制备： 光刻光刻 刻蚀刻蚀u 薄膜制备薄膜制备 u 掺杂掺杂各个工艺的作用各个工艺的作用光刻：光刻： 将电路图形转移到光刻胶上，形成将电路图
4、形转移到光刻胶上，形成临时临时图形图形。刻蚀：刻蚀： 用化学或物理方法有选择性的从硅片表用化学或物理方法有选择性的从硅片表面去除不需要的材料的过程，在硅片上没有面去除不需要的材料的过程，在硅片上没有光刻胶保护的地方光刻胶保护的地方形成永久的图形形成永久的图形；各个工艺的作用各个工艺的作用 薄膜制备：薄膜制备： 用化学或物理方法在硅片衬底上淀积一层膜的工用化学或物理方法在硅片衬底上淀积一层膜的工艺，主要完成介质层与金属层的淀积。艺，主要完成介质层与金属层的淀积。 主要包括主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积。外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积。 掺杂：掺杂： 向特定区域掺入杂质，以
5、改变其电学性能。向特定区域掺入杂质，以改变其电学性能。 主要包括主要包括扩散、离子注入。扩散、离子注入。硅片制造厂的硅片流程硅片制造厂的硅片流程薄膜薄膜抛光抛光刻蚀刻蚀光刻光刻扩散扩散注入注入测试测试/拣选拣选硅片起始硅片起始CMOS 反相器反相器 4.2 CMOS技技术发术发展展历程历程简简介介20世纪世纪60年代年代 -PMOS -扩散工艺扩散工艺作掺杂作掺杂 -金属栅金属栅20世纪世纪70年代年代 -NMOS -离子注入工艺离子注入工艺作掺杂作掺杂 -多晶硅栅多晶硅栅 -CMOS -Minimum feature size: from 3 mm to 0.8 mm -Wafer size
6、: 100 mm (4 in) to 150 mm (6 in) -局部硅氧化局部硅氧化 LOCOS（ LOCal Oxidation of Silicon ） -磷硅玻璃磷硅玻璃PSG和回流和回流 -蒸发镀膜蒸发镀膜 -正胶光刻正胶光刻 -投影光刻机投影光刻机 -干法刻蚀和湿法刻蚀并存干法刻蚀和湿法刻蚀并存20世纪世纪80年代年代20世纪世纪80年代年代CMOS结构结构 -Feature size: from 0.8 mm to 0.18 mm -Wafer size: from 150 mm to 300 mm -外延外延 -浅槽隔离浅槽隔离STI -侧墙环绕侧墙环绕 -多晶硅栅多晶硅栅
7、-正胶正胶 -步进光刻机步进光刻机 -干法刻蚀形成图形干法刻蚀形成图形 -湿法刻蚀用于薄膜的剥离湿法刻蚀用于薄膜的剥离20世纪世纪90年代的年代的CMOS技术技术-立式炉立式炉-快速热处理快速热处理-直流溅射直流溅射-多层金属化多层金属化-CVD钨形成钨塞钨形成钨塞-化学机械抛光化学机械抛光CMP-多腔集系统多腔集系统-单片处理单片处理21世纪的世纪的CMOS技术技术Feature size 0.13 mm or smallerWafer size 200 mm or 300 mm绝缘层上硅绝缘层上硅SOI（Silicon on isolator）STI铜、低铜、低k介质互连介质互连双大马士革
8、结构双大马士革结构4.3 CMOS制作流程制作流程 本节目标：本节目标：1、理解每一步操作的目的，所采用的、理解每一步操作的目的，所采用的工艺手段。工艺手段。2、能够自己设计工艺流程。、能够自己设计工艺流程。CMOS反相器的原理图反相器的原理图CMOS制作流程制作流程双阱制作双阱制作隔离制作隔离制作晶体管制作晶体管制作互连互连钝化钝化 CMOS制作流程制作流程双阱制作双阱制作隔离制作隔离制作晶体管制作晶体管制作互连互连钝化钝化 1.双阱工艺双阱工艺2.2.浅槽隔离工艺浅槽隔离工艺3.阈值电压调整阈值电压调整4.多晶硅栅结构工艺多晶硅栅结构工艺5.轻掺杂漏（轻掺杂漏（LDD）注入工艺）注入工艺6
9、.侧墙的形成侧墙的形成7.源源/漏注入工艺漏注入工艺8.接触的形成接触的形成9.多层金属互连的形成多层金属互连的形成10.钝化工艺钝化工艺一一.双阱工艺双阱工艺CMOS集成电路要把集成电路要把NMOS和和PMOS两两种器件做在一个芯片上，种器件做在一个芯片上，采用做阱的方法解决了需要两种类型衬底采用做阱的方法解决了需要两种类型衬底的问题。的问题。单阱和双阱单阱和双阱双阱工艺步骤双阱工艺步骤1.n阱的形成阱的形成1）外延成长）外延成长2）清洗、氧化层生长）清洗、氧化层生长3）第一层掩模：）第一层掩模：N阱阱4）N阱注入阱注入2.p阱的形成阱的形成1）第二层掩模：）第二层掩模： P阱阱2） P阱注
10、入阱注入3）去除光刻胶、氧化硅）去除光刻胶、氧化硅4）退火）退火n阱的形成阱的形成外延成长外延成长清洗、原氧化层生长清洗、原氧化层生长n阱的形成阱的形成第一层掩模：第一层掩模：N阱阱n阱的形成阱的形成N阱注入阱注入n阱的形成阱的形成P阱的形成阱的形成第二层掩模：第二层掩模： P阱阱P阱注入阱注入P阱的形成阱的形成去除光刻胶、氧化硅，退火去除光刻胶、氧化硅，退火退火作用：退火作用： 阱区推进；激活杂质；阱区推进；激活杂质； 修复损伤。修复损伤。P阱的形成阱的形成二二.浅槽隔离工艺（浅槽隔离工艺（STI）1.STI1.STI槽刻蚀槽刻蚀2.STI2.STI氧化物填充氧化物填充3.3.氧化层氧化层C
11、MP-CMP-氮化物去除氮化物去除1.STI槽刻蚀槽刻蚀（1）隔离氧化层淀积隔离氧化层淀积（2）氮化物淀积）氮化物淀积（3）第三层掩模：浅槽隔离）第三层掩模：浅槽隔离（4）槽刻蚀）槽刻蚀 2.STI氧化物填充氧化物填充（1）沟槽衬垫氧化硅沟槽衬垫氧化硅（2）沟槽氧化硅填充）沟槽氧化硅填充3.氧化层氧化层CMP-氮化物去除氮化物去除（1）氧化层）氧化层CMP（2）氮化物、氧化物去除氮化物、氧化物去除浅槽隔离工艺（浅槽隔离工艺（STI）第三层掩模第三层掩模STI槽刻蚀槽刻蚀刻蚀氮化硅、氧化硅、硅刻蚀氮化硅、氧化硅、硅STI槽刻蚀槽刻蚀（1）沟槽衬垫氧化硅（）沟槽衬垫氧化硅（2）沟槽氧化硅填充）沟槽
12、氧化硅填充氧化物填充氧化物填充氧化层氧化层CMP氧化层氧化层CMP-氮化物去除氮化物去除氮化物、氧化物去除氮化物、氧化物去除氧化层氧化层CMP-氮化物去除氮化物去除三三.阈值电压调整阈值电压调整1.P阱阈值电压调整阱阈值电压调整（1）第四层掩模：）第四层掩模：N阱阈值电压调整阱阈值电压调整（2）离子注入）离子注入2.N阱阈值电压调整阱阈值电压调整（1）第五层掩模：）第五层掩模：P阱阈值电压调整阱阈值电压调整（2）离子注入）离子注入第四层掩模：第四层掩模：P阱阈值电压调整阱阈值电压调整P阱阈值电压调整阱阈值电压调整磷原子注入磷原子注入P阱阈值电压调整阱阈值电压调整第五层掩模：第五层掩模：N阱阈值
13、电压调整阱阈值电压调整N阱阈值电压调整阱阈值电压调整硼原子注入硼原子注入N阱阈值电压调整阱阈值电压调整四四.多晶栅结构工艺多晶栅结构工艺1.清洗清洗2.栅氧化层生长栅氧化层生长3.多晶硅淀积多晶硅淀积4.第六层掩模：多晶硅栅刻蚀第六层掩模：多晶硅栅刻蚀5.多晶硅栅刻蚀多晶硅栅刻蚀多晶硅栅制备多晶硅栅制备栅氧化层生长、多晶硅淀积栅氧化层生长、多晶硅淀积第六层掩模：多晶硅栅刻蚀第六层掩模：多晶硅栅刻蚀多晶硅栅制备多晶硅栅制备多晶硅栅刻蚀多晶硅栅刻蚀多晶硅栅制备多晶硅栅制备五五.轻掺杂漏工艺（轻掺杂漏工艺（LDD）1.N阱轻掺杂漏注入阱轻掺杂漏注入（1）第七层掩模：）第七层掩模：N阱轻掺杂漏阱轻掺杂
14、漏LDD（2）N阱阱LDD注入注入2.P阱轻掺杂漏注入阱轻掺杂漏注入（1）第八层掩模：）第八层掩模： P阱轻掺杂漏阱轻掺杂漏LDD（2）P阱阱LDD注入注入N阱轻掺杂漏注入阱轻掺杂漏注入第七层掩模：第七层掩模：N阱轻掺杂漏阱轻掺杂漏LDDN阱阱LDD注入注入N阱轻掺杂漏注入阱轻掺杂漏注入P阱轻掺杂漏注入阱轻掺杂漏注入第八层掩模：第八层掩模： P阱轻掺杂漏阱轻掺杂漏LDDP阱阱LDD注入注入P阱轻掺杂漏注入阱轻掺杂漏注入六六.侧墙的形成侧墙的形成作用：环绕多晶硅，防止源漏注入过于接作用：环绕多晶硅，防止源漏注入过于接近沟可能发生源漏穿通。近沟可能发生源漏穿通。 1.淀积氧化硅淀积氧化硅 2.氧化
15、硅反刻氧化硅反刻侧墙的形成侧墙的形成淀积氧化硅淀积氧化硅氧化硅反刻氧化硅反刻侧墙的形成侧墙的形成七七.源源/漏注入工艺漏注入工艺1.n+源源/漏注入漏注入（1）第九层掩模：）第九层掩模：n+源漏注入源漏注入（2）n+源漏注入源漏注入2.p+源源/漏注入漏注入（1）第十层掩模：）第十层掩模： p+源漏注入源漏注入（2）p+源漏注入源漏注入（3）退火）退火源区和漏区的形成源区和漏区的形成第九层掩模：第九层掩模：n+源漏注入源漏注入n+源漏注入源漏注入源区和漏区的形成源区和漏区的形成第十层掩模：第十层掩模： p+源漏注入源漏注入源区和漏区的形成源区和漏区的形成p+源漏注入源漏注入源区和漏区的形成源区
16、和漏区的形成八八.接触与局部互连的形成接触与局部互连的形成 接触的形成接触的形成 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接触的形成接触的形成钛的淀积钛的淀积退火退火接触的形成接触的形成刻蚀金属钛刻蚀金属钛接触的形成接触的形成接触的形成接触的形成局部互连的形成局部互连的形成大马士革结构大马士革结构1.形成局部互连氧化硅介质形成局部互连氧化硅介质2.制作局部互连金属制作局部互连金属1.形成局部互连氧化硅介质形成局部互连氧化硅介质1）氮化硅淀积）氮化硅淀积2）氧化硅淀积）氧化硅淀积3）氧化硅）氧化硅CMP4）第十一层掩膜，接触孔刻蚀）第十一层掩膜，接触孔刻蚀5）接触孔刻蚀）接触
17、孔刻蚀局部互连的形成局部互连的形成氮化硅、氧化硅淀积氮化硅、氧化硅淀积局部互连的形成局部互连的形成氧化硅氧化硅CMP局部互连的形成局部互连的形成第十一层掩模：接触孔刻蚀第十一层掩模：接触孔刻蚀局部互连的形成局部互连的形成接触孔刻蚀接触孔刻蚀局部互连的形成局部互连的形成2.制作局部互连金属制作局部互连金属1）金属钛淀积）金属钛淀积2）氮化钛淀积）氮化钛淀积3）钨淀积）钨淀积4）磨抛钨）磨抛钨局部互连的形成局部互连的形成钛、氮化钛、钨淀积钛、氮化钛、钨淀积局部互连的形成局部互连的形成磨抛钨磨抛钨局部互连的形成局部互连的形成九九.多层金属互连的形成多层金属互连的形成四层金属层四层金属层三明治结构三明
18、治结构三层金属薄膜三层金属薄膜 金属层形成金属层形成 通孔和钨塞的形成通孔和钨塞的形成1）金属钛阻挡层）金属钛阻挡层2）淀积铝铜合金）淀积铝铜合金3）淀积氮化钛）淀积氮化钛4）第十二层掩模：第一层金属刻蚀）第十二层掩模：第一层金属刻蚀5）第一层金属刻蚀）第一层金属刻蚀第一层金属互连形成第一层金属互连形成第一层金属互连的形成第一层金属互连的形成淀积钛、铝铜合金、氮化钛淀积钛、铝铜合金、氮化钛第十二层掩模：第一层金属刻蚀第十二层掩模：第一层金属刻蚀第一层金属互连的形成第一层金属互连的形成第一层金属刻蚀第一层金属刻蚀第一层金属互连的形成第一层金属互连的形成第一层层间介质和通孔的形成：第一层层间介质和
19、通孔的形成：1）氧化层淀积）氧化层淀积2）氧化层）氧化层CMP3）第十三层掩模：通孔刻蚀）第十三层掩模：通孔刻蚀4）通孔刻蚀）通孔刻蚀5）钨塞制作）钨塞制作通孔通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成氧化层淀积、氧化层氧化层淀积、氧化层CMP通孔通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成第十三层掩模：通孔刻蚀第十三层掩模：通孔刻蚀通孔通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成通孔刻蚀通孔刻蚀通孔通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成钨塞制作钨塞制作通孔通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成1）金属钛阻挡层）金属钛阻挡层2）淀积铝铜合金）淀积铝铜合金3）淀积氮化钛）淀积氮化钛4）第十四层掩模：第二层金属刻蚀）第十四层掩模：第二层金属刻
20、蚀5）第一层金属刻蚀）第一层金属刻蚀第二层金属互连形成第二层金属互连形成第二层金属淀积第二层金属淀积第二层金属互连形成第二层金属互连形成第十四层掩模：第二层金属刻蚀第十四层掩模：第二层金属刻蚀第二层金属互连形成第二层金属互连形成第二层金属刻蚀第二层金属刻蚀第二层金属互连形成第二层金属互连形成1）氧化层淀积）氧化层淀积2）氧化层）氧化层CMP3）第十五层掩模：通孔刻蚀）第十五层掩模：通孔刻蚀4）通孔刻蚀）通孔刻蚀通孔通孔2和钨塞和钨塞2的形成的形成第二层层间介质淀积第二层层间介质淀积通孔通孔2和钨塞和钨塞2的形成的形成第十五层掩模：通孔刻蚀第十五层掩模：通孔刻蚀通孔通孔2和钨塞和钨塞2的形成的形
21、成通孔刻蚀通孔刻蚀通孔通孔2和钨塞和钨塞2的形成的形成通孔通孔2和钨塞和钨塞2的形成的形成钨塞制作钨塞制作1）金属钛阻挡层）金属钛阻挡层2）淀积铝铜合金）淀积铝铜合金3）淀积氮化钛）淀积氮化钛4）第十六层掩模：第三层金属刻蚀）第十六层掩模：第三层金属刻蚀5）第一层金属刻蚀）第一层金属刻蚀第三层金属互连形成第三层金属互连形成第三层金属淀积第三层金属淀积第三层金属互连形成第三层金属互连形成第十六层掩模：第三层金属刻蚀第十六层掩模：第三层金属刻蚀第三层金属互连形成第三层金属互连形成第三层金属刻蚀第三层金属刻蚀第三层金属互连形成第三层金属互连形成1）氧化层淀积）氧化层淀积2）氧化层）氧化层CMP3）第
22、十七层掩模：通孔刻蚀）第十七层掩模：通孔刻蚀4）通孔刻蚀）通孔刻蚀通孔通孔3和钨塞和钨塞3的形成的形成第三层层间介质淀积第三层层间介质淀积通孔通孔3和钨塞和钨塞3的形成的形成第十七层掩模：通孔刻蚀第十七层掩模：通孔刻蚀通孔通孔3和钨塞和钨塞3的形成的形成通孔刻蚀通孔刻蚀通孔通孔3和钨塞和钨塞3的形成的形成1）金属钛阻挡层）金属钛阻挡层2）淀积铝铜合金）淀积铝铜合金3）淀积氮化钛）淀积氮化钛4）第十八层掩模：第四层金属刻蚀）第十八层掩模：第四层金属刻蚀5）第四层金属刻蚀）第四层金属刻蚀第四层金属互连形成第四层金属互连形成第四层金属淀积第四层金属淀积第四层金属互连形成第四层金属互连形成第十八层掩模：第四层金属刻蚀第十八层掩模：第四层金属刻蚀第四层金属互连形成第四层金属互连形成第四层金属刻蚀第四层金属刻蚀第四层金属互连形成第四层金属互连形成十十.钝化淀积钝化淀积第十八层掩模：压点刻蚀第十八层掩模：压点刻蚀压点刻蚀压点刻蚀
