電子工藝研究集成電路制造工藝集成

1、電子工藝研究 集成電路制造工藝集成9.1 引 言 工藝集成 前面第二八章分別介紹了氧化、擴散/離子注入、淀積、光刻、刻蝕、金屬化以及化學機械拋光，這些都是單項工藝，這些單項工藝的組合稱為工藝集成。 不同的工藝集成形成了不同的集成電路制造技術。雙極型MOS型BiMOS 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、熱摻雜等高溫工藝）、光刻、刻蝕、薄膜（包括APCVD、 LPCVD、 PECVD、濺射 等）、離子注入和拋光（CMP）。CMOS簡要工藝流程CMOS簡要工藝流程（續(xù)）CMOS簡要工藝流程（續(xù)） 本章介紹兩種不同的集成電路制造技術 1. 基本的46m 雙極集成電路工

2、藝技術 2. 先進的0.18m CMOS集成電路工藝技術9.2 基本的46m雙極集成電路工藝技術工藝流程 備片埋層氧化光刻埋層區(qū)薄氧氧化埋層注砷埋層推進外延隔離氧化光刻隔離區(qū)隔離擴散基區(qū)氧化光刻基區(qū)基區(qū)注硼基區(qū)推進光刻發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)磷擴散光刻引線孔濺射鋁光刻鋁電極鈍化光刻壓焊窗合金 中測器件剖面圖及電路圖 簡單的放大器 電路 電路器件剖面圖1. 備片：P型硅單晶、單面拋光片、晶向111、 電阻率82. 埋層氧化 工藝目的： 制作注入掩蔽層 工藝方法：（干濕干）氧化 工藝要求： tox1000nm左右3. 光刻埋層區(qū) 工藝目的：定義隱埋層注入?yún)^(qū) 工藝方法：光刻8步驟（HMDS氣相成底膜、涂膠、軟烘

3、、對準曝光、曝光后烘焙、顯影、堅膜、檢查）、濕法刻蝕、濕法去膠 工藝要求：邊緣整齊、無針孔、無小島4. 薄氧氧化 工藝目的：制作注入屏蔽氧化層，用于減小注入 損傷及溝道效應 。 工藝方法：干氧氧化 工藝要求： tox25nm左右5. 隱埋層As注入： 注入能量：100KEV 注入劑量：（4.01015 ions/cm2） 6. 隱埋層推進、退火： 工藝目的：獲得合適的摻雜濃度分布和薄層電阻 以及雜質(zhì)的電激活 工藝方法：N2/O2氣氛高溫退火 工藝要求：R20/ 左右 埋層區(qū)版圖及剖面圖 隱埋層的作用： a. 減小集電極串聯(lián)電阻 b. 減小寄生PNP管的影響 對隱埋層雜質(zhì)的要求： a. 雜質(zhì)固溶

4、度大 b. 高溫時在Si中的擴散系數(shù)小，以減小上推 c. 與襯底晶格匹配好，以減小應力7. 外延淀積 工藝目的：形成電阻率和厚度符合要求的NPN晶體 管集電區(qū)；方便PN隔離。 工藝方法：硅氣相外延生長VPE 8. 隔離氧化：tox600nm左右，做隔離擴散的掩蔽層。9. 光刻隔離區(qū)：定義隔離區(qū)域?？涛g、濕法去膠。隔離區(qū)版圖及剖面圖10. 隔離擴散 工藝目的：制作獨立的硅島以形成電路元件間 的電氣隔離。 工藝方法：B2O3乳膠源擴散 工藝要求：檢測隔離島對襯底的擊穿電壓 11. 基區(qū)氧化 工藝目的：獲得高質(zhì)量的器件表面保護層 工藝方法：去除硅片上的隔離氧化層、硅片清洗 （干濕干）高溫氧化 工藝要

5、求：tox450nm左右12. 光刻基區(qū) 工藝目的：定義晶體管的基極注入?yún)^(qū)及電阻注入 區(qū)。 工藝方法：濕法腐蝕、不去膠 工藝要求：同埋層光刻13. 基區(qū)硼注入 工藝目的：形成NPN晶體管的基區(qū)及擴散電阻 注入能量：60KEV 注入劑量：基區(qū) 版圖及 剖面圖14. 基區(qū)推進 工藝目的：獲得合適的基區(qū)摻雜濃度分布、方塊 電阻和結(jié)深，注入雜質(zhì)的電激活。 推進的作用：注入雜質(zhì)電激活 符合要求的摻雜分布 生長一定厚度的二氧化硅以掩蔽 后續(xù)的磷擴散。 工藝方法： （干濕干）高溫推進 工藝要求： R200/左右 ，Xj = 3m左右 基區(qū)剖面圖15. 光刻發(fā)射區(qū)：定義晶體管的發(fā)射極擴散區(qū)、集電 極接觸區(qū)以及

6、隔離島N接觸區(qū)。16. 發(fā)射區(qū)擴散： 工藝目的：形成NPN晶體管的發(fā)射區(qū)、集電極接 觸區(qū)以及隔離島N接觸區(qū)。 擴散方法：預擴散：POCl3源擴散 再分布及氧化：（干濕干）高溫 工藝要求：HFE100200倍 BVCEO= 10 30V光刻發(fā)射區(qū)和發(fā)射區(qū)擴散剖面圖發(fā)射區(qū)版圖及發(fā)射區(qū)擴散剖面圖17. 光刻引線孔 工藝目的：在晶體管的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)、 電阻區(qū)以及隔離區(qū)等開出窗口以便引出金屬布線。 工藝方法：濕法腐蝕、濕法去膠引線孔版圖及剖面圖18. 濺射鋁 工藝目的：制作電路元器件的金屬電極 工藝方法：濺射材料AlCu（1），磁控濺射 工藝要求：厚度左右19. 光刻鋁電極 工藝目的：形成電路的

7、金屬互連線 工藝方法：涂厚膠，用Cl基氣體干法RIE刻蝕， 干法氧等離子體去膠。鋁電極版圖及器件剖面圖20. 鈍化 工藝目的：保護電路器件表面 鈍化層的作用：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復合介質(zhì) 工藝要求：tox400nm左右、tSiN600nm左右。21. 光刻壓焊窗 工藝目的：開出金屬電極窗口以便壓焊鍵合 工藝方法：涂厚膠，干法刻蝕，干法去膠光刻壓焊窗版圖22. 合金 工藝目的：金屬與器件有源區(qū)形成良好的歐姆 接觸 。 工藝方法：在合金爐中進行， 溫度450 480 ，時間30min（N2H2）23. 中測 工藝目的：電路參數(shù)測試，合格電

8、路芯片揀選 工藝方法：Probe探針臺測試。電路器件剖面圖及電路圖 簡單的放大器 電路 電路器件剖面圖9.3 先進的0.18m CMOS集成電路工藝技術 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：8英寸、P外延/P襯底、外延層厚 度約、片厚約2.

9、 薄氧氧化：厚度150 作用 表面保護以免沾污減小注入損傷有助于減輕注入溝道效應 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）：倒摻雜注入以減小CMOS器件的閉鎖效應，能量高200KEV、結(jié)深左右中等能量注入以保證源漏擊穿電壓小劑量注入以調(diào)整閾值電壓。5. 退火 作用雜質(zhì)再分布修復注入損傷注入雜質(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)，不去膠。2. P阱硼注入（連續(xù)三次） ：倒摻雜注入以減小CMOS器件的閉鎖效應，結(jié)深左右中等能量注入以保證源漏擊穿電壓小劑量注入以調(diào)整閾值電壓。3. 退火 作用同“N阱的形成”。形成N阱和P

10、阱的工藝目的：確定PMOS和NMOS管的有源區(qū)（即源區(qū)、柵區(qū)和漏區(qū)）。2. 淺槽隔離工藝局域氧化LOCOS隔離的缺點 LOCOS隔離技術存在鳥嘴，浪費有源區(qū)面積影響集成度 橫向尺寸不能精確控制。 2. 淺槽隔離工藝淺槽隔離STI（Shallow Trench Isolation）工藝目的：把硅片上的各個晶體管進行電隔離。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. 氮化硅淀積：LPCVD淀積，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，槽深左右STI氧化物填充步驟1. 溝

11、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)工藝該工藝是工藝流程中的最關鍵工藝！因為它包括最薄、質(zhì)量最好的柵氧化層的熱生長！多晶硅柵的線寬是整個硅片上的特征尺寸！1. 柵氧化層的生長：厚度2050 ，形成MOS管的柵電極介質(zhì)2. 多晶硅淀積：LPCVD法，厚度5000 多晶硅摻雜：也可以原位摻雜，作用：形成導電的柵電極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

12、、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)壁注意：從柵氧生長到多晶硅要連續(xù)進行以免硅片沾污等其它問題 4. 輕摻雜漏（LDD）工藝輕摻雜漏（LDD）工藝目的：減小源漏間的穿通和溝道漏電，提高源漏擊穿電壓。1. 第五次光刻：光刻NLDD注入?yún)^(qū)，不去膠。2. NLDD注入：低能量注入As，As的作用分子量大利于表面非晶化，慢擴散雜質(zhì)在后續(xù)的熱處理中利于維持淺結(jié)P輕摻雜漏注入步驟1. 第六次光刻：光刻PLDD注入?yún)^(qū)，不去膠2. PLDD注入：低能量注入BF2， BF2的作用比硼的分子量大利于表面非晶化，比硼的擴散系數(shù)低在后續(xù)的熱處理中利于維持淺結(jié) 5. 側(cè)墻形

13、成工藝側(cè)墻工藝目的：側(cè)墻用來環(huán)繞多晶硅柵側(cè)壁掩蔽大劑量的S/D注入以免其接近溝道導致源漏穿通。1. 淀積二氧化硅：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：減小注入深度的推進，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淀積的導電材料更緊密的結(jié)合，降低歐

14、姆接觸電阻。鈦金屬接觸的主要步驟1. 鈦淀積：濺射鈦2. 退火：700以上形成硅化鈦TiSi2，硅化鈦的電阻率比鈦低很多3. 刻蝕金屬鈦：濕法腐蝕未反應的Ti，所有有源區(qū)上都保留TiSi2鈦Ti的優(yōu)點：使硅和隨后淀積的金屬緊密地結(jié)合Ti的電阻率低，且與硅反應生成TiSi2的電阻率更低。8. 局部互連工藝局部互連LI（Local Interconnect）工藝目的：形成金屬布線與器件之間的連接。該工藝稱為大馬士革。形成局部互連氧化硅介質(zhì)的步驟1. 淀積氮化硅：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的淀積：PECVD或HDCVD法，快速熱

15、退火：使BPSG回流3. 二氧化硅拋光CMP：拋光后氧化層的厚度約80004. 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的淀積：濺射Ti，作用：充當鎢與二氧化硅的粘合劑2. 氮化鈦TiN淀積：與Ti濺射使用一臺設備，在濺射Ti后不出工藝腔直接濺射TiN，氮化鈦就是阻擋層金屬 阻擋層金屬形成的工藝目的：阻擋后續(xù)淀積的金屬鎢的擴散，提高器件的可靠性3. 鎢淀積：CVD法，鎢的作用比濺射鋁有更好的孔填充，形成鎢塞；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（InterLayer Dielect

16、ric）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、多晶硅或硅導電層。制作通孔1的主要步驟1. 第一層層間介質(zhì)氧化物的淀積：APCVD或PECVD法2. 第一層層間介質(zhì)CMP：拋光后氧化層的厚度約80003. 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. 金屬鈦Ti的淀積：濺射Ti2. 氮化鈦TiN淀積：在濺射Ti后不出工藝腔直接濺射TiN3. 鎢淀積：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. 金屬鈦阻擋層淀積：濺射Ti，此步Ti的作用在鎢塞與后續(xù)鋁金屬之間有良好的粘合；提高金屬疊加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性2. 淀積鋁銅合金AlCu（1）3. 淀積氮化鈦TiN：濺射法，作用：充當光刻中的抗反射層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. ILD2氧化硅的間隙填充：HDCVD法2. ILD2氧化硅淀積：PECVD法3. ILD2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. 金屬鈦Ti的淀積：濺射Ti2. 氮化鈦