1、,半导体制造技术第 9 章 IC 制造工艺概况,引 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，其复杂程度是可想而知的。 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。,学 习 目 标,1.熟悉典型的亚微米 CMOS IC 制造流程；2.对6
2、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。,MOS晶体管工艺流程中的主要制造步骤,Figure 9.1,CMOS 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,在亚微米CMOS制造厂典型的硅片流程模型,完成的硅片,Figure 9.2,扩 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。
3、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。,Figure 9.3 高温炉示意图,光 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
4、注入区。,Photo 9.1 亚微米制造厂的光刻区,刻 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。,Figure 9.5 干法离子刻蚀机示意图,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
5、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。,薄膜生长,薄膜生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）。,薄膜金属化工作区,Photo courtesy of Advanced Micro Devices,Photo 9.2,抛
6、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。,亚微米制造厂的抛光区,Photo courtesy of Advanced Micro Devices,Photo 9.3,CMOS 制作步骤,COMS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。,1.双井工艺2.浅槽隔离工艺3
7、.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.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,一、双井工艺 n-well Formation 1）外延生长2）厚氧化生长 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，有助于控制注入过程中杂质的注入深度。3）第一层掩膜4）n井注入（高能）5）退火,Figure 9.8,p-well Formation1）第二层掩膜2） P井注入(高能)3）退火
8、,Figure 9.9,二、浅曹隔离工艺A STI 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,B STI Oxide Fill1）沟槽衬垫氧化硅2）沟槽CVD氧化物填充,Figure 9.11,C STI Formation1）浅曹氧化物抛光（化学机械抛光）2）氮化物去除,Figure 9.12,三、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
9、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 9.13,四、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2） n-LDD注入（低能量，浅结）,Figure 9.14,B p- LDD Implant1）第六层掩膜2）P- 轻掺杂漏注入（低能量，浅结）,Figure 9.15,五、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
10、）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 9.16,六、源/漏注入工艺A n+ Source/Drain Implant1）第七层掩膜2）n+源/漏注入,Figure 9.17,B p+ Source/Drain Implant1)第八层掩膜2）P源漏注入（中等能量）3）退火,Figure 9.18,七、Contact Formation钛金属接触的主要步骤1）钛的淀积2）退火3）刻蚀金属钛,Figure 9.19,Figure 9.20 作为嵌入LI金属的介质的LI氧化硅,八、局部互连工艺A LI Oxide Dielectric Format
11、ion1）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,B LI Metal Formation1)金属钛淀积（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 9.22,九、通孔1和钨塞1的形成A Via-1 Formation1）第一层层间介质氧化物淀积2）氧化物磨抛3）第十层掩膜，第一层层间介质刻蚀,Figure 9.23,B Plug-1 Formation1）金属淀积钛阻挡层（PVD）2）淀积氮化钛（CVD）3）淀积钨（CVD）4）磨抛钨,Figure 9.24,P
12、hoto 9.4 多晶硅、钨 LI 和钨塞的SEM显微照片,十、Metal-1 Interconnect Formation1）金属钛阻挡层淀积（PVD）2）淀积铝铜合金（PVD）3）淀积氮化钛（PVD）4）第十一层掩膜，金属刻蚀,Figure 9.25,Photo 9.5 第一套钨通孔上第一层金属的SEM显微照片,十一、Via-2 FormationA 制作通孔2的主要步骤1）ILD-2间隙填充2）ILD-2氧化物淀积3）ILD-2氧化物平坦化4）第十二层掩膜，ILD-2刻蚀,Figure 9.26,B Plug-2 Formation1）金属淀积钛阻挡层(PVD)2）淀积氮化钛(CVD)3
13、）淀积钨（CVD）4）磨抛钨,Figure 9.27,十二、Metal-2 Interconnect Formation1）淀积、刻蚀金属22）填充第三层层间介质间隙3）淀积、平坦化ILD-3氧化物4）刻蚀通孔3，淀积钛/氮化钛、钨，平坦化,Figure 9.28,十三、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氧化硅层（第六层层间介质）以及随后生长顶层氮化硅
14、。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。,Figure 9.29 整个 0.18 mm的CMOS 局部剖面,微处理器剖面的SEM 显微照片,Photo 9.6,十四、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。,使用微探针仪进行芯片电学测试,Photo 9.7,小 结,芯片加工厂大概可以分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光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。,小结,本章学习了：芯片厂的6个主要生产区CMOS工艺的14个生产步骤,
