西安交通大學(xué)微電子制造技術(shù)第九章集成電路制造概況課件

微電子制造技術(shù)

第9章

IC制造工藝概況

引言

典型的半導(dǎo)體IC制造可能要花費(fèi)6～8周時(shí)間，包括450甚至更多的步驟來(lái)完成所有的制造工藝，其復(fù)查程度是可想而知的。本章簡(jiǎn)要介紹0.18μm的CMOS集成電路硅工藝的主要步驟，使大家對(duì)芯片制造過(guò)程有一個(gè)較全面的了解。每個(gè)工藝的細(xì)節(jié)將在后面有關(guān)章節(jié)介紹。芯片制造就是在硅片上執(zhí)行一系列復(fù)查的化學(xué)或者物理操作。這些操作歸納為四大基本類型：薄膜制備（layer）、圖形轉(zhuǎn)移、刻蝕和摻雜。由于是集成電路制造的概述，所以會(huì)接觸到大量的術(shù)語(yǔ)和概念，這些將在隨后的章節(jié)中得到詳細(xì)闡述。

學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 熟悉典型的亞微米CMOSIC制造流程；2. 對(duì)6種主要工藝(擴(kuò)散、離子注入、光刻、刻蝕、薄膜生長(zhǎng)、拋光)在概念上有一個(gè)大體了解；3. 熟悉CMOS制造工藝的14個(gè)基本步驟。

CMOS工藝流程硅片制造廠的分區(qū)概況擴(kuò)散光刻刻蝕離子注入薄膜生長(zhǎng)拋光CMOS制作步驟參數(shù)測(cè)試

在亞微米CMOS制造廠

典型的硅片流程模型完成的硅片測(cè)試/揀選離子注入擴(kuò)散(氧化)刻蝕拋光光刻無(wú)圖形的硅片硅片起始薄膜生長(zhǎng)硅片制造(前端

)Figure9.2

擴(kuò)散擴(kuò)散區(qū)一般認(rèn)為是進(jìn)行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域。擴(kuò)散區(qū)的主要設(shè)備是高溫?cái)U(kuò)散爐和濕法清洗設(shè)備。高溫?cái)U(kuò)散爐（見(jiàn)圖9.3）可以在1200℃的高溫下工作，并能完成多種工藝流程，包括氧化、擴(kuò)散、淀積、退火及合金。濕法清洗設(shè)備是擴(kuò)散區(qū)中的輔助設(shè)施。硅片放入高溫爐之前必須進(jìn)行徹底地清洗，以除去硅片表面的沾污以及自然氧化層。光刻光刻的目的是將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋于硅片表面的光刻膠上。光刻膠是一種光敏的化學(xué)物質(zhì)，它通過(guò)深紫外線曝光來(lái)印制掩膜版的圖像。涂膠/顯影設(shè)備是用來(lái)完成光刻的一系列工具的組合。這一工具首先對(duì)硅片進(jìn)行預(yù)處理、涂膠、甩膠、烘干，然后用機(jī)械臂將涂膠的硅片送入對(duì)準(zhǔn)及曝光設(shè)備。步進(jìn)光刻機(jī)用來(lái)將硅片與管芯圖形陣列（掩膜版）對(duì)準(zhǔn)。在恰當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)和聚焦后，步進(jìn)光刻機(jī)進(jìn)行逐個(gè)曝光。光刻工藝的污染控制格外重要，所以清洗裝置以及光刻膠剝離機(jī)安排在制造廠的它區(qū)域。經(jīng)過(guò)光刻處理的硅片只流入兩個(gè)區(qū)：刻蝕區(qū)和離子注入?yún)^(qū)。Photo9.1亞微米制造廠的光刻區(qū)刻蝕刻蝕工藝是在硅片上沒(méi)有光刻膠保護(hù)的地方留下永久的圖形?？涛g區(qū)最常見(jiàn)的工具是等離子體刻蝕機(jī)、等離子體去膠機(jī)和濕法清洗設(shè)備。目前雖然仍采用一些濕法刻蝕工藝，但大多數(shù)步驟采用的是干法等離子體刻蝕（見(jiàn)圖9.5）。等離子體刻蝕機(jī)是一種采用射頻（RF）能量在真空腔中離化氣體分子的一種工具。等離子體是一種由電激勵(lì)氣體發(fā)光的物質(zhì)形態(tài)。等離子體與硅片頂層的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?？涛g結(jié)束后利用一種稱為去膠機(jī)的等離子體裝置，用離化的氧氣將硅片表面的光刻膠去掉。離子注入

離子注入的目的是摻雜。離子注入機(jī)是亞微米工藝中最常見(jiàn)的摻雜工具。氣體含有要摻入的雜質(zhì)，例如砷(As)、磷(P)、硼(B)等在注入機(jī)中離化。采用高電壓和磁場(chǎng)來(lái)控制并加速離子。高能雜質(zhì)離子穿透光刻膠進(jìn)入硅片表面薄層。離子注入完成后，進(jìn)行去膠合徹底清洗硅片。薄膜生長(zhǎng)薄膜生長(zhǎng)工藝是在薄膜區(qū)完成的。是實(shí)現(xiàn)器件中所需的介質(zhì)層和金屬層的淀積。薄膜生長(zhǎng)中所采用的溫度低于擴(kuò)散區(qū)中設(shè)備的工作溫度。薄膜生長(zhǎng)區(qū)中有很多不同的設(shè)備。所有薄膜淀積設(shè)備都在中低真空環(huán)境下工作，包括化學(xué)氣相淀積（CVD）和金屬濺射工具（物理氣相淀積PVD）。薄膜金屬化工作區(qū)PhotocourtesyofAdvancedMicroDevicesPhoto9.2

亞微米制造廠的拋光區(qū)PhotocourtesyofAdvancedMicroDevicesPhoto9.3

CMOS制作步驟

COMS技術(shù)COMS是在同一襯底上制作nMOS和pMOS晶體管的混合，簡(jiǎn)單的COMS反相器電路圖如圖所示。SGInputD+VDDDSGOutputpMOSFETnMOSFET-VSSPassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3

M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314

1.雙井工藝2.淺槽隔離工藝3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝4.輕摻雜(LDD)漏注入工藝5.側(cè)墻的形成6.源/漏(S/D)注入工藝7.接觸孔的形成8.局部互連工藝9.通孔1和金屬塞1的形成10.金屬1互連的形成11.通孔2和金屬塞2的形成12.金屬2互連的形成13.制作金屬3直到制作壓點(diǎn)及合金14.參數(shù)測(cè)試p-wellFormation

1）第二層掩膜

2）P井注入(高能)

3）退火Figure9.9

p+SiliconsubstrateBoronimplantPhotoresist1p-EpitaxiallayerOxide3n-well2p-well二、淺曹隔離工藝

ASTI槽刻蝕

1）隔離氧化

2）氮化物淀積

3）第三層掩膜

4）STI槽刻蝕

（氮化硅的作用：堅(jiān)固的掩膜材料，有助于在STI氧化物淀積過(guò)程中保護(hù)有源區(qū)；在CMP中充當(dāng)拋光的阻擋材料。）Figure9.10

+IonsSelectiveetchingopensisolationregionsintheepilayer.p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-well3Photoresist2Nitride41OxideSTItrenchBSTIOxideFill

1）溝槽襯墊氧化硅

2）溝槽CVD氧化物填充Figure9.11

p-wellTrenchfillbychemicalvapordeposition1Lineroxidep+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-well2NitrideTrenchCVDoxideOxide三、PolyGateStructureProcess

晶體管中柵結(jié)構(gòu)的制作是流程當(dāng)中最關(guān)鍵的一步，因?yàn)樗俗畋〉臇叛趸瘜拥臒嵘L(zhǎng)以及多晶硅柵的形成，而后者是整個(gè)集成電路工藝中物理尺度最小的結(jié)構(gòu)。

1）柵氧化層的生長(zhǎng)

2）多晶硅淀積

3）第四層掩膜

4）多晶硅柵刻蝕Figure9.13

p+SiliconsubstrateGateoxide12p-Epitaxiallayern-wellp-wellPolysilicondepositionPolygateetch43PhotoresistARC四、輕摻雜源漏注入工藝

隨著柵的寬度不斷減小，柵下的溝道長(zhǎng)度也不斷減小。這就增加源漏間電荷穿通的可能性，并引起不希望的溝道漏電流。LDD工藝就是為了減少這些溝道漏電流的發(fā)生。

An-LDDImplant

1）第五層研磨

2）n-LDD注入（低能量，淺結(jié)）Figure9.14

p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-welln-n-n-1PhotoresistmaskArsenicn-LDDimplant2Bp-LDDImplant

1）第六層掩膜

2）P-

輕摻雜漏注入（低能量，淺結(jié)）Figure9.15

p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellPhotoresistMask1p-p-Photoresistmask1n-n-2BFp-LDDimplant2p-n-六、源/漏注入工藝

An+Source/DrainImplant

1）第七層掩膜

2）n+源/漏注入Figure9.17

p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-welln+Arsenicn+S/Dimplant2Photoresistmask1n+n+Bp+Source/DrainImplant

1)第八層掩膜

2）P＋源漏注入（中等能量）

3）退火Figure9.18

Boronp+S/Dimplant2p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellPhotoresistMask11Photoresistmaskn+p+p+n+n+p+七、ContactFormation

鈦金屬接觸的主要步驟

1）鈦的淀積

2）退火

3）刻蝕金屬鈦Figure9.19

2Tisilicidecontactformation(anneal)Titaniumetch3Titaniumdepostion1n+p+n-wellp+n+p-welln+p+p-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateFigure9.20作為嵌入LI金屬的介質(zhì)的LI氧化硅八、局部互連工藝

A

LIOxideDielectricFormation

1）氮化硅化學(xué)氣相淀積

2）摻雜氧化物的化學(xué)氣相淀積

3）氧化層拋光（CMP）

4）第九層掩膜，局部互連刻蝕Figure9.21

1NitrideCVDp-wellp-wellp-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateLIoxide2DopedoxideCVD4LIoxideetchOxidepolish3BLIMetalFormation

1)金屬鈦淀積（PVD工藝）

2）氮化鈦淀積

3）鎢淀積(化學(xué)機(jī)械氣相淀積工藝平坦化)

4）磨拋鎢Figure9.22

n-wellLItungstenpolishTungstendepositionTi/TiNdeposition234LIoxideTideposition1p-wellp-Epitaxiallayerp+Siliconsubstrate九、通孔1和鎢塞1的形成

AVia-1Formation

1）第一層層間介質(zhì)氧化物淀積

2）氧化物磨拋

3）第十層掩膜，第一層層間介質(zhì)刻蝕Figure9.23

OxidepolishILD-1oxideetch(Via-1formation)23LIoxideILD-1oxidedeposition1ILD-1p-welln-wellp-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateBPlug-1Formation

1）金屬淀積鈦?zhàn)钃鯇樱≒VD）

2）淀積氮化鈦（CVD）

3）淀積鎢（CVD）

4）磨拋鎢Figure9.24

Tungstenpolish(Plug-1)TungstendepositionTi/TiNdeposition234LIoxideTidep.1ILD-1p-welln-wellp-Epitaxiallayerp+Siliconsubstrate多晶硅鎢LI鎢塞Mag.17,000XPhoto9.4多晶硅、鎢LI和鎢塞的SEM顯微照片十、Metal-1InterconnectFormation

1）金屬鈦?zhàn)钃鯇拥矸e（PVD）

2）淀積鋁銅合金（PVD）

3）淀積氮化鈦（PVD）

4）第十一層掩膜，金屬刻蝕Figure9.25

2341TiNdepositionAl+Cu(1%)depositionTiDepositionLIoxideILD-1Metal-1etchp-welln-wellp-Epitaxiallayerp+SiliconsubstrateTiNmetalcapMag.17,000XTungstenplugMetal1,AlPhoto9.5第一套鎢通孔上第一層金屬的SEM顯微照片

十一、Via-2Formation

A

制作通孔2的主要步驟

1）ILD-2間隙填充

2）ILD-2氧化物淀積

3）ILD-2氧化物平坦化

4）第十二層掩膜，ILD-2刻蝕Figure9.26

4p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellLIoxideILD-1OxidepolishILD-2gapfill132ILD-2oxidedepositionILD-2oxideetch(Via-2formation)BPlug-2Formation

1）金屬淀積鈦?zhàn)钃鯇?PVD)

2）淀積氮化鈦(CVD)

3）淀積鎢（CVD）

4）磨拋鎢Figure9.27

LIoxideTungstendeposition(Plug-2)Ti/TiNdeposition23Tideposition1ILD-1ILD-2p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellTungstenpolish4十二、Metal-2InterconnectFormation

1）淀積、刻蝕金屬2

2）填充第三層層間介質(zhì)間隙

3）淀積、平坦化ILD-3氧化物

4）刻蝕通孔3，淀積鈦/氮化鈦、鎢，平坦化Figure9.28

十三、制作第三層金屬直到制作壓點(diǎn)和合金

重復(fù)工藝制作第三層和第四層金屬后，完成第四層金屬的刻蝕，緊接著利用薄膜工藝淀積第五層層間介質(zhì)氧化物（ILD-5）(見(jiàn)下圖)。由于所刻印的結(jié)構(gòu)比先前工藝中形成的0.25μm尺寸要大很多，所以這一層介質(zhì)不需要化學(xué)機(jī)械拋光。工藝的最后一步包括再次生長(zhǎng)二氧化硅層（第六層層間介質(zhì)）以及隨后生長(zhǎng)頂層氮化硅。這一層氮化硅稱為鈍化層。其目的是保護(hù)產(chǎn)品免受潮氣、劃傷以及沾污的影響。Figure9.29整個(gè)0.18mm的CMOS局部剖面

PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3

M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+n+ILD-6LImetalViap+p+n+n+微處理器剖面的SEM顯微照片MicrographcourtesyofIntegratedCircuitEngineeringMag.18,250XPhoto9.6

十四、參數(shù)測(cè)試

硅片要進(jìn)行兩次測(cè)試以確定產(chǎn)品的功能可靠性：第一次測(cè)試在首層金屬刻蝕完成后進(jìn)行，第二次是在完成芯片制造的最后一步工藝后進(jìn)行。使用微探針儀進(jìn)行芯片電學(xué)測(cè)試Photo9.7

小結(jié)芯片加工廠大概可以分6個(gè)主要的生產(chǎn)區(qū)域：擴(kuò)散區(qū)、光刻區(qū)、刻蝕區(qū)、離子注入?yún)^(qū)、薄膜區(qū)和拋光區(qū)，加上工藝最后的片上測(cè)試和揀選。擴(kuò)散屬于高溫工藝(目的是摻雜)；光刻利用光刻膠的感光性將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠薄膜上；刻蝕將光刻膠上的圖形復(fù)制在硅片上；離子注入是對(duì)硅片進(jìn)行摻雜；薄膜區(qū)是淀積介質(zhì)和金屬層；拋光是將硅片上表面凹凸不平的區(qū)域平坦化。簡(jiǎn)化的CMOS工藝由14個(gè)生產(chǎn)步驟組成。Oxidation(Fieldoxide)SiliconsubstrateSilicondioxid