第十章：工藝集成

第十章：工藝集成§10.1引言單項工藝單項工藝是指氧化、擴散、離子注入、光刻、刻蝕、沉積、蒸發(fā)與濺射或CMP工藝集成工藝集成就是多個單項工藝的組合。不同的單項工藝組合可形成各種IC制造技術(shù)（如0.5um

CMOS技術(shù)、

0.5um

Bipolar技術(shù)、0.5um

BICMOS技術(shù)、0.5um

BCD技術(shù)等）。本章介紹兩種集成電路制造技術(shù)1.早期基本的3.0μmCMOS集成電路工藝技術(shù)2.現(xiàn)代先進的0.18μmCMOS集成電路工藝技術(shù)硅片制造廠的分區(qū)

硅片制造廠分成6個獨立的生產(chǎn)區(qū)：擴散（包括氧化、LPCVD、熱摻雜等高溫工藝）

光刻刻蝕

薄膜（包括APCVD、PECVD、濺射等）離子注入拋光（CMP）硅片制造廠的分區(qū)

亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型

7大工藝步驟：

1.雙阱工藝

2.LOCOS（

LOCalOxidationofSilicon）隔離工藝

3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝

4.源/漏（S/D）注入工藝

5.金屬互連的形成

6.制作壓點及合金

7.參數(shù)測試§10.2早期基本的3.0μmCMOS集成電路工藝技術(shù)

■工藝流程：1.雙阱工藝備片→初氧氧化→光刻N阱區(qū)→N阱磷注入→刻蝕初氧層→光刻P阱區(qū)→P阱硼注入→阱推進2.LOCOS隔離工藝墊氧氧化→氮化硅沉積→光刻有源區(qū)→光刻NMOS管場區(qū)→NMOS管場區(qū)硼注入→場區(qū)選擇氧化3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝去除氮化硅→柵氧化→多晶硅沉積→多晶摻磷→光刻多晶硅工藝流程（續(xù)）：4.源/漏（S/D）注入工藝光刻NMOS管源漏區(qū)→NMOS管源漏區(qū)磷注入→光刻PMOS管源漏區(qū)→PMOS管源漏硼注入5.金屬互連的形成BPSG沉積→回流/增密→光刻接觸孔→濺射Si-Al-Cu→光刻金屬互連6.制作壓點及合金鈍化→光刻壓焊窗口→合金7.參數(shù)測試備片：P型硅單晶、單面拋光片、晶向＜100＞、電阻率~20Ω.cm、φ100mm、片厚525μm初氧氧化：工藝目的：制作阱注入的緩沖層工藝方法：干氧氧化工藝要求：厚度100nm左右1.雙阱工藝光刻N阱區(qū)工藝目的：定義PMOS管的N阱區(qū)域工藝方法：光刻7步驟（HMDS氣相成底膜、涂膠、軟烘、對準曝光、顯影、堅膜、檢查）工藝要求：邊緣整齊、無針孔、無小島N阱磷注入：注入能量120KEV、注入劑量2.0E131.雙阱工藝刻蝕初氧層：濕法腐蝕、濕法去膠光刻P阱區(qū)：同N阱光刻P阱區(qū)硼注入：能量100KEV、劑量3.0E131.雙阱工藝阱推進：工藝目的：形成符合要求的阱雜質(zhì)濃度分布工藝方法：高溫（N2＋O2）氣氛工藝要求：N阱R□＝1000Ω/□左右

P阱R□＝2500Ω/□左右

Xj＝4.0μm左右1.雙阱工藝阱的作用：①使PMOS和NMOS管的閾值電壓滿足要求；②減小寄生的閉鎖效應(yīng)；③PMOS管做在N阱里，NMOS管做在P阱里，用N阱-襯底PN結(jié)的反偏實現(xiàn)PMOS管和NMOS管之間的電氣隔離。

1.雙阱工藝阱的作用：減小寄生的閉鎖效應(yīng)

1.雙阱工藝CMOS器件截面圖寄生BJT等效電路圖N阱光刻版圖及N阱剖面圖1.雙阱工藝P阱光刻版圖及P阱剖面圖1.雙阱工藝墊氧氧化工藝目的：減小氮化硅與硅之間的應(yīng)力。工藝方法：去除硅片上的所有氧化層、清洗、干氧氧化工藝要求：厚度tox＝50nm左右氮化硅沉積工藝目的：做后續(xù)選擇氧化的掩蔽層工藝方法：LPCVD工藝要求：厚度170nm左右2.LOCOS隔離工藝光刻有源區(qū)工藝目的：定義NMOS管和PMOS管的有源區(qū)工藝方法：光刻7步、RIE刻蝕氮化硅、濕法去膠工藝要求：同N阱光刻2.LOCOS隔離工藝有源區(qū)光刻版圖及器件剖面圖2.LOCOS隔離工藝光刻N管場區(qū)（用P阱版）工藝目的：定義NMOS管場區(qū)，并為場區(qū)注入提供光刻膠阻擋層工藝方法：光刻7步、不刻蝕、不去膠工藝要求：同N阱光刻2.LOCOS隔離工藝NMOS管場區(qū)光刻版圖及剖面圖2.LOCOS隔離工藝NMOS管場區(qū)硼注入：能量40KEV、劑量5E13

工藝目的：提高NMOS管場開啟電壓，增強NMOS管之間的場隔離能力。

注意：氮化硅阻擋硼注入防止有源區(qū)被摻雜。2.LOCOS隔離工藝場區(qū)選擇氧化（LOCOS）工藝目的：實現(xiàn)同種MOS管之間的電氣隔離。工藝方法：去膠、清洗，（干＋濕＋干）高溫氧化工藝要求：場氧厚度800nm左右2.LOCOS隔離工藝實際的LOCOS剖面圖2.LOCOS隔離工藝LOCOS隔離原理：通過場區(qū)注入（僅NMOS場區(qū)）及場區(qū)選擇氧化，增加場區(qū)的表面摻雜濃度及場區(qū)氧化層厚度，提高場區(qū)寄生MOS管的閾值電壓至大于電源電壓，使其不開啟，從而消除寄生MOS管效應(yīng)，實現(xiàn)了NMOS管之間和PMOS管之間的電氣隔離。LOCOS隔離原理：場區(qū)寄生NMOS剖面圖去除氮化硅工藝方法：①去除氮化硅上的氧化層②180℃的熱磷酸去氮化硅③去除墊氧層3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝柵氧化工藝目的：形成MOS器件的柵電介質(zhì)層工藝方法：干氧摻氯氧化工藝要求：厚度~50nm、Qss小多晶硅沉積

工藝目的：做MOS管的柵電極工藝方法：LPCVD

工藝要求：厚度：~400nm3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝多晶摻磷工藝目的：形成導(dǎo)電的多晶硅柵電極工藝方法：POCl3源磷擴散工藝要求：摻磷后多晶R□≤30Ω/□光刻多晶硅工藝目的：定義柵電極圖形，產(chǎn)生特征尺寸。該工藝是硅片制造中的關(guān)鍵工藝！3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝光刻多晶硅（續(xù)）工藝方法：光刻7步，Cl基氣體RIE刻蝕、濕法去膠工藝要求：特征尺寸CD檢查（小于設(shè)計值的10％）多晶硅柵側(cè)壁陡直3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝多晶硅光刻版圖及柵結(jié)構(gòu)剖面圖3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝光刻NMOS管源漏區(qū)工藝目的：定義NMOS源漏注入?yún)^(qū)及PMOS的襯底接觸區(qū)，并提供光刻膠阻擋層。工藝方法：光刻7步、不刻蝕、不去膠NMOS源漏區(qū)磷注入：能量100KEV、劑量2E15

4.源/漏（S/D）注入工藝NMOS管源漏注入?yún)^(qū)光刻版圖及剖面圖4.源/漏（S/D）注入工藝光刻PMOS管源漏注入?yún)^(qū)工藝目的：定義PMOS源漏注入?yún)^(qū)及NMOS管的

襯底接觸區(qū)，并提供光刻膠阻擋層。工藝方法：同NMOS管源漏光刻。PMOS源漏區(qū)硼注入：能量60KEV、劑量：1E154.源/漏（S/D）注入工藝PMOS管源漏注入?yún)^(qū)光刻版圖及器件剖面圖4.源/漏（S/D）注入工藝BPSG沉積工藝目的：器件有源區(qū)與金屬互連之間的電氣隔離，

并保護器件表面免受沾污。工藝方法：LPCVD工藝要求：厚度~1000nm5.金屬互連的形成回流/增密工藝目的：①源漏注入雜質(zhì)的電激活②減小注入損傷③BPSG致密化④BPSG回流，芯片平坦化。工藝方法：950℃30分氮氣5.金屬互連的形成光刻接觸孔工藝目的：形成連接器件有源區(qū)和金屬布線之間的

通道孔工藝方法：光刻7步工藝要求：同第一次光刻

5.金屬互連的形成光刻接觸孔（續(xù)）工藝目的：形成連接器件有源區(qū)和金屬布線之間的

通道孔工藝方法：RIE刻蝕、濕法去膠

5.金屬互連的形成接觸孔光刻版圖及器件剖面圖5.金屬互連的形成

濺射Si-Al-Cu工藝目的：制作電路元器件的金屬電極工藝方法：濺射材料Si（1％）－Al－Cu（0.5％），

磁控濺射。工藝要求：厚度1.2μm5.金屬互連的形成光刻金屬電極

工藝目的：形成電路的金屬互連線。工藝方法：光刻7步，Cl基氣體RIE刻蝕，干法氧等離子體去膠5.金屬互連的形成金屬電極光刻版圖及剖面圖5.金屬互連的形成鈍化工藝目的：保護器件表面，防止金屬線劃傷、表面

吸潮、表面沾污。工藝方法：PECVD生長氧化硅和氮化硅介質(zhì)層工藝要求：tox＝300nm左右、tSiN＝700nm左右6.制作壓點及合金光刻壓焊窗口工藝目的：開出金屬電極窗口以便壓焊鍵合工藝方法：光刻7步6.制作壓點及合金光刻壓焊窗口（續(xù)）工藝目的：開出金屬電極窗口以便壓焊鍵合工藝方法：RIE刻蝕，干法去膠

6.制作壓點及合金合金工藝目的：金屬與器件有源區(qū)之間形成良好的歐

姆接觸。工藝方法：合金爐，420℃30分（N2＋H2）6.制作壓點及合金CMOS器件結(jié)構(gòu)剖面圖及電路圖CMOS反相器電路圖CMOS器件結(jié)構(gòu)剖面圖7.參數(shù)測試一種1.0μm雙阱CMOS電路實際版圖一種0.5μm雙阱CMOS電路芯片照片-有源及多晶一種0.5μm雙阱CMOS電路芯片照片-N阱及P阱一種0.5μm雙阱CMOS電路芯片照片-第一層金屬一種0.5μm雙阱CMOS電路芯片照片-第二層金屬§10.3現(xiàn)代先進的0.18μmCMOS集成電路工藝技術(shù)

14大工藝步驟：

1.雙阱工藝

2.淺槽隔離工藝

3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝

4.輕摻雜漏（LDD）工藝

5.側(cè)墻形成工藝

6.源/漏（S/D）注入工藝

7.接觸形成工藝

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直到制作壓點及合金

14.參數(shù)測試

1.雙阱工藝N阱的形成步驟1.外延生長：φ8英寸、P－/P＋、外延層厚度約5.0μm、片厚1.5mm左右2.薄氧氧化：厚度150?

作用①表面保護以免沾污②減小注入損傷③有助于減輕注入溝道效應(yīng)

3.第一次光刻：光刻N阱注入?yún)^(qū)，不去膠，光刻膠阻擋注入。4.N阱磷注入（連續(xù)三次）：①倒摻雜注入以減小CMOS器件的閉鎖效應(yīng)，能量高200KEV、結(jié)深1.0μm左右②中等能量注入以保證源漏穿通電壓③小劑量注入以調(diào)整閾值電壓。5.退火：作用①雜質(zhì)再分布②修復(fù)注入損傷③注入雜質(zhì)電激活P阱的形成步驟1.第二次光刻（用N阱的反版）：光刻P阱注入?yún)^(qū)2.P阱硼注入（連續(xù)三次）：同N阱磷注入3.退火：作用同“N阱的形成”倒摻雜阱技術(shù)：連續(xù)三次離子注入①第一次高能量（＞200KEV）、深結(jié)（~1.0μm）倒摻雜注入，以減小CMOS器件的閉鎖效應(yīng)②第二次中能量注入，以保證源漏穿通電壓③第三次小劑量注入，以調(diào)整閾值電壓阱的作用：①PMOS與NMOS之間的電氣隔離②減小寄生的閉鎖效應(yīng)

CMOS器件截面圖寄生BJT等效電路圖2.淺槽隔離工藝淺槽隔離STI（ShallowTrenchIsolation）：淺槽隔離是在襯底上通過刻蝕槽、氧化物填充及氧化物平坦化等步驟，制作晶體管有源區(qū)之間的隔離區(qū)的一種工藝。它取代了LOCOS隔離工藝。

2.淺槽隔離工藝STI隔離的優(yōu)點：①提高電路的集成度

②改善電路的抗閂鎖性能LOCOS隔離的缺點：①鳥嘴浪費有源區(qū)面積影響集成度②橫向尺寸不能精確控制

2.淺槽隔離工藝STI槽刻蝕步驟1.薄氧生長：厚度150?作用：在去掉上面氮化硅時保護有源區(qū)以防被腐蝕。2.氮化硅沉積：LPCVD沉積，作用：做CMP的阻擋層，保護有源區(qū)免受CMP的過度拋光3.第三次光刻：光刻淺槽隔離區(qū)4.STI槽刻蝕：RIE刻蝕，槽深1.0μm左右STI氧化物填充步驟1.溝槽襯墊氧化硅生長：厚度150?作用：改善硅與溝槽填充氧化物之間的界面特性。2.溝槽CVD氧化物填充：LPCVD方法STI氧化層拋光－氮化物去除步驟1.溝槽氧化物拋光CMP2.氮化硅去除：熱磷酸煮3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝關(guān)鍵工藝?、偎ㄗ畋?、質(zhì)量最好的柵氧化層的熱生長②多晶硅柵的線寬是整個芯片上的特征尺寸1.柵氧化：厚度20～50?

，形成MOS管的柵電介質(zhì)2.多晶硅沉積：LPCVD法，厚度5000?多晶硅摻雜：形成導(dǎo)電的柵電極3.第四次光刻：光刻多晶硅柵，DUV深紫外步進式光刻機曝光，多晶硅上涂抗反射層（ARC），隨后進行特征尺寸、套刻精度、缺陷等質(zhì)量檢查。4.多晶硅柵刻蝕：用最好的RIE刻蝕機，保證垂直的側(cè)壁

4.輕摻雜漏（LDD）工藝輕摻雜漏（LDD）（

LDD，LightlyDopedDrain）LDD工藝目的：

減小源漏間的穿通和溝道漏電，提高源漏工作電壓

4.輕摻雜漏（LDD）工藝N－輕摻雜漏注入步驟1.第五次光刻：光刻N－LDD注入?yún)^(qū)，不去膠。2.N－LDD注入：低能量注入As，其作用①分子量大，有利于表面非晶化②慢擴散雜質(zhì)在后續(xù)的熱處理中，有利于維持淺結(jié)P－輕摻雜漏注入步驟1.第六次光刻：光刻P－LDD注入?yún)^(qū)，不去膠2.P－LDD注入：低能量注入BF2，其作用①比硼的分子量大，有利于表面非晶化②比硼的擴散系數(shù)低，在后續(xù)的熱處理中，有利于維持淺結(jié)

5.側(cè)墻形成工藝側(cè)墻形成工藝目的：側(cè)墻用來環(huán)繞多晶硅柵側(cè)壁阻擋大劑量的S/D注入以免其接近溝道導(dǎo)致源漏穿通。1.沉積二氧化硅：LPCVD法，厚度1000?

2.二氧化硅反刻

6.源/漏（S/D）注入工藝N＋源漏注入步驟1.第七次光刻：光刻N＋源/漏注入?yún)^(qū)，不去膠2.N＋源/漏注入:中等劑量注AsP＋源漏注入步驟1.第八次光刻：光刻P＋源/漏注入?yún)^(qū)，不去膠2.P＋源/漏注入:中等劑量注硼3.退火：快速熱退火RTP，溫度1000℃，時間幾秒，RTP的作用：①減小注入深度的推進②其它同普通的熱退火

7.接觸形成工藝接觸形成工藝目的：在硅片所有的有源區(qū)上形成金屬接觸使硅和隨后沉積的導(dǎo)電材料更緊密的結(jié)合，降低歐姆接觸電阻。自對準金屬硅化物的形成（鈦接觸工藝步驟）：1.金屬鈦Ti沉積：用濺射方法2.退火：700℃以上形成硅化鈦TiSi23.濕法刻蝕金屬鈦：刻蝕未反應(yīng)的Ti，所有有源區(qū)上都保留TiSi2，而氧化層上沒有TiSi2鈦Ti的優(yōu)點：①使硅和隨后沉積的金屬緊密地結(jié)合②Ti與硅反應(yīng)生成的TiSi2，其電阻率比Ti更低自對準金屬硅化物的形成8.局部互連工藝局部互連LI（LocalInterconnect）工藝目的：形成金屬布線與器件之間的連接?！篑R士革工藝形成局部互連氧化硅介質(zhì)的步驟1.沉積氮化硅：PECVD法，作用：保護有源區(qū)以防后續(xù)摻雜二氧化硅中的雜質(zhì)向有源區(qū)擴散。2.摻雜二氧化硅BPSG的沉積：PECVD或HDCVD法，快速熱退火：使BPSG回流3.二氧化硅拋光CMP：拋光后氧化層的厚度約8000?4.第九次光刻：光刻局部互連區(qū)（引線孔），局部互連區(qū)刻蝕制作局部互連金屬的步驟1.金屬鈦Ti的沉積：濺射Ti，作用：充當(dāng)鎢與二氧化硅的粘合劑2.TiN沉積：濺射TiN，與步驟1連續(xù)進行，不出工藝腔。阻擋層金屬TiN形成的工藝目的：阻擋后續(xù)沉積的金屬鎢的擴散，提高器件的可靠性3.鎢沉積：CVD法，鎢的作用①比濺射鋁有更好的孔填充，形成鎢塞②具有良好的磨拋特性4.鎢磨拋局部互連LI工藝－大馬士革

9.通孔1和金屬塞1的形成層間介質(zhì)ILD（InterLayerDielectric）的作用：做為各層金屬之間以及第一層金屬與硅之間的絕緣介質(zhì)材料以隔離各層金屬、多晶硅或硅導(dǎo)電層。制作通孔1的主要步驟1.第一層層間介質(zhì)ILD-1的沉積：PECVD等方法2.ILD-1的CMP：拋光后氧化層的厚度約8000?3.第十次光刻：光刻通孔1，通孔1的刻蝕制作金屬塞1的主要步驟金屬塞的作用：完成金屬線之間的電連接。1.Ti沉積：濺射Ti2.TiN沉積：在濺射Ti后不出工藝腔直接濺射TiN3.鎢沉積：CVD法4.鎢磨拋鎢互連LI和鎢塞的SEM照片

10.金屬1互連的形成制作金屬1互連的步驟1.金屬鈦阻擋層沉積：濺射Ti，此步Ti的作用①在鎢塞與后續(xù)鋁金屬之間有良好的粘合②提高金屬疊加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性2.沉積鋁銅合金Al－Cu（1％）：濺射法3.沉積氮化鈦TiN：濺射法此步TiN作用：充當(dāng)光刻中的抗反射層4.第十一次光刻：光刻金屬1，刻蝕金屬1金屬1的SEM照片11.通孔2和金屬塞2的形成制作通孔2的主要步驟1.ILD－2氧化硅的間隙填充：HDCVD法2.ILD－2氧化硅沉積：PECVD法3.ILD－2氧化硅拋光CMP4.第十二次光刻：光刻通孔2，通孔2的刻蝕制作金屬塞2的主要步驟1.Ti的沉積：濺射法2.TiN沉積：在濺射Ti后不出工藝腔直接濺射TiN3.鎢沉積：CVD法4.鎢磨拋：CM