CMOS工艺

集成电路版图设计与验证第三章CMOS工艺基本工艺CMOS器件的剖视图和俯视图CMOS器件可以看成是一组形成图形的材料层的集合。剖视图显示材料层叠放的次序，而俯视图显示每层的图形。这些材料层具有各自的导电特性，它们可以是金属，也可以是绝缘体，或者是半导体，称为工艺层。(1)生产所需类型衬底的晶片工艺；(2)准确定域区间的光刻工艺；(3)向芯片中增加材料的氧化、淀积和离子注入工艺；(4)去除材料的刻蚀工艺。第3章CMOS工艺3.1基本工艺3.1.1CMOS工艺层3.1.2晶片工艺3.1.3光刻工艺3.1.4氧化工艺3.1.5离子注入3.1.6淀积与刻蚀3.1基本工艺3.1.1CMOS工艺层CMOS器件的剖视图和俯视图结论：CMOS器件可以看成是一组形成图形的材料层的集合。剖视图显示材料层叠放的次序，而俯视图显示每层的图形。这些材料层具有各自的导电特性，它们可以是金属，也可以是绝缘体，或者是半导体，称为工艺层。基本工艺(1)生产所需类型衬底的晶片工艺；(2)准确定域区间的光刻工艺；(3)向芯片中增加材料的氧化、淀积和离子注入工艺；(4)去除材料的刻蚀工艺。改变材料层：掺杂原理与工艺掺杂目的：掺杂的目的是以形成特定导电能力的材料区域,包括N型或P型半导体层和绝缘层。是制作各种半导体器件和IC的基本工艺。经过掺杂，原材料的部分原子被杂质原子代替。材料的导电类型决定于杂质的化合价。改变材料层：掺杂工艺•掺杂工艺方法分为：----热扩散法掺杂----离子注入法掺杂。掺杂工艺1、离子注入类似弹枪发射，杂质被注入到晶圆的表面（2）离子注入法掺杂离子注入掺杂也分为两个步骤：---离子注入---退火再分布。退火处理通常，离子注入的深度较浅且浓度较大，必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理。在退火的同时，掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布。离子注入机包含离子源，分离单元，加速器，偏向系统，注入室等。离子注入机离子注入图3.5(a)离子注入(b)杂质分布离子注入的重要应用(a)场氧反型引起的寄生MOS管(b)沟道终止注入热扩散法掺杂热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺，主要用于Si工艺。利用原子在高温下的扩散运动，使杂质原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。扩散前扩散后热扩散步骤热扩散通常分两个步骤进行：------预淀积（predeposition）也称预扩散----推进（drivein）也称主扩散预淀积（预扩散）预淀积是在高温下利用诸如硼、磷等杂质源对硅片上的掺杂窗口进行扩散，在窗口处形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层。这是一种恒定表面源的扩散过程。推进（主扩散）推进是利用预淀积所形成的表面杂质层做杂质源，在高温下将这层杂质向硅体内扩散的过程。通常推进的时间较长，推进是限定表面源扩散过程。增加半导体层：外延生长(Epitaxy)外延生长的目的尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上,但大多数器件和IC都做在经过外延生长的衬底上。原因是未外延过的基片性能常常不能满足要求。外延的目的是用同质材料形成具有不同的掺杂种类及浓度,因而具有不同性能的晶体层。化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition)通过混合气体生长新的材料层的方法叫做化学气相淀积。采用不同的气体混合，就能生长不同类型的硅。硅层可以是N型的，也可以是P型的，甚至可以在一个淀积的过程中通过改变气体混合得到N型、P型交替叠加的材料层。在原始的硅晶圆的表面淀积更多的硅，晶圆变厚。化学气相淀积化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition)同样可以淀积硅到二氧化硅的表面。栅极是位于薄的二氧化硅绝缘层上的。外延层是硅上的硅，生长缓慢以保持晶向，如果快速生长，就没有一致的晶格结构。许多不同的晶体连接组成，而不是一块大的晶体。----多晶硅（ploysilicon).同硅一样，多晶硅也需要掺杂。FOXtox除了作为栅的绝缘材料外，二氧化硅在很多制造工序中可以作为保护层。在器件之间的区域，也可以生成一层称为“场氧”（FOX）的厚SiO2层，使后面的工序可以在其上制作互连线。增加绝缘层绝缘层形成工艺•绝缘层形成工艺包括：----干法氧化-------湿法氧化干法氧化利用热氧化制作SiO2时，硅片置于通有氧气的高温环境内，通过到达硅表面的氧原子与硅的作用，发生Si（固体）+O2→SiO2（固体）反应，形成SiO2。干法氧化干法氧化生成的SiO2，具有结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶粘附好等优点，是一种很理想的钝化膜。目前制备高质量的SiO2薄膜基本上都采用这种方法，例如MOS晶体管的栅氧化层。干法氧化的生长速率慢，所以经常同湿法氧化相结合来生长SiO2。湿法氧化湿法氧化指的是在高温下，硅与高纯水产生的蒸汽发生如下反应：Si（固体）+2H2O→SiO2（固体）+2H2，生成SiO2。在表面已有了SiO2后，由于这层已生成的SiO2对氧的阻碍作用，氧化的速度是逐渐降低的。由于Si和SiO2晶格尺寸的差异，每生长1μm的SiO2，约需消耗0.44μm的Si。硅氧化示意图doxSiO2dox0.44Si(b)氧化后的硅片(a)氧化前的硅片Si氧化绝缘层隔离工艺对MOS电路来说，场氧化物区的阈值电压必须足够高以隔离每个器件，现在已经提出了许多隔离方法。最常用的适于超大规模集成电路的结构：----局部氧化隔离法隔离(LOCOS)局部氧化隔离法(LOCOS)局部氧化隔离法在集成电路技术中当然是最占统治地位的隔离工艺。它利用了氧在Si3N4中扩散非常缓慢的性质。当硅表面有一层氮化硅时，无法生成氧化物。此外，氮本身氧化过程也非常缓慢。这样在整个氧化步骤中，氮化硅将作为氧化物阻挡层保持不变。局部氧化隔离工艺步骤金属层形成工艺金属层有三个功能：（1）形成器件本身的接触线；（2）形成器件间的互连线；（3）形成焊盘。金属层形成金属层的形成主要采用物理汽相沉积(PysicalVaporDeposition，简称PVD)技术。在半导体工艺发展过程中，主要的PVD技术有两种：蒸镀法溅镀法蒸镀法和溅射法蒸镀法是通过把被蒸镀物体加热，利用被蒸镀物在高温(接近其熔点)时的饱和蒸汽压，来进行薄膜沉积的；溅射法是利用等离子体中的离子，对被溅射物体电极(也就是离子的靶)进行轰击，使汽相等离子体内具有被溅镀物的粒子(如原子)，这些粒子沉积到晶片上就形成了薄膜。溅射法是大规模集成电路生产中用来沉积不同金属，包括铝、铝合金、钛、钨钛合金和钨的应用最为广泛的技术。虽然经常用化学汽相沉积或蒸发法来沉积铝，Si，SiO2(硅玻璃)及高熔点的金属硅化物，在某些场合，也用溅射法来沉积这些薄膜。刻蚀刻蚀工艺：是将没有被光刻胶膜保护的材料去除的过程。刻蚀的作用:制作不同的器件结构，如线条、接触孔、凸纹、栅等。被刻蚀的材料:半导体，绝缘体，金属等。刻蚀的两种方法：湿法和干法湿法刻蚀首先要用适当(包含有可以分解表面薄层的反应物)的溶液浸润刻蚀面，然后清除被分解的材料。如SiO2在室温下可被HF酸刻蚀。湿法刻蚀在VLSI制造中的问题:接触孔的面积变得越来越小,抗蚀材料层中的小窗口会由于毛细作用而使得接触孔不能被有效的浸润。是被分解的材料不能被有效的从反应区的小窗口内清除出来。干法刻蚀：反应离子刻蚀RIE等RIE发生在反应炉中，基片(晶圆)被放在一个已被用氮气清洗过的托盘上，然后，托盘被送进刻蚀室中，在那里托盘被接在下方的电极上。刻蚀气体通过左方的喷口进入刻蚀室。RIE的基板是带负电的。正离子受带负电的基板吸引，最终以近乎垂直的方向射入晶体，从而使刻蚀具有良好的方向性。反应离子刻蚀RIE刻蚀种类的选择根据刻蚀过程中要求的速度、精度、选择性和刻蚀材料的种类，可以选择下列方法中的一种进行刻蚀：①“湿法”刻蚀，即将硅片置于化学溶液中腐蚀（精确度低）；②“等离子体”刻蚀，即用等离子体轰击晶片（精确度高）；③反应离子刻蚀(RIE)，用反应气体中产生的离子轰击硅片。掩模组成图3.1结构的层什么是掩膜？掩膜是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层600800nm厚的Cr层，使其表面光洁度更高。称之为铬板，Crmask。IC、Mask&WaferWafer图案发生器方法(PG:PatternGenerator)在PG法中,规定layout的基本图形为矩形.任何版图都将分解成一系列各种大小、不同位置和方向的矩形条的组合.每个矩形条用5个参数进行描述:(X,Y,A,W,H)图3.3图案发生器方法(续)利用这些数据控制下图所示的一套制版装置。光刻原理与流程在IC的制造过程中，光刻是多次应用的重要工序。其作用是把掩膜上的图型转换成晶圆上的器件结构。3.3.1光刻步骤一、晶圆涂光刻胶：清洗晶圆，在200C温度下烘干1小时。目的是防止水汽引起光刻胶薄膜出现缺陷。待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。光刻胶有两种：正性(positive)与负性(negative)。正性胶显影后去除的是经曝光的区域的光刻胶，负性胶显影后去除的是未经曝光的区域的光刻胶。正性胶适合作窗口结构,如接触孔,焊盘等，而负性胶适用于做长条形状如多晶硅和金属布线等。光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可在黄光下操作。晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝光正性胶与负性胶光刻图形的形成涂光刻胶的方法(见下图)：光刻胶通过过滤器滴入晶圆中央，被真空吸盘吸牢的晶圆以20008000转/分钟的高速旋转，从而使光刻胶均匀地涂在晶圆表面。光刻步骤二、三、四二、曝光:光源可以是可见光,紫外线,X射线和电子束。光量,时间取决于光刻胶的型号，厚度和成像深度。三、显影:晶圆用真空吸盘吸牢，高速旋转，将显影液喷射到晶圆上。显影后，用清洁液喷洗。四、烘干:将显影液和清洁液全部蒸发掉。曝光方式1.接触式曝光方式中，把掩膜以0.050.3ATM的压力压在涂光刻胶的晶圆上，曝光光源的波长在0.4m左右。图3.7曝光系统(下图):点光源产生的光经凹面镜反射得发散光束，再经透镜变成平行光束，经45折射后投射到工作台上。光刻过程a)玻璃掩模版；（b)涂光刻胶；（c)曝光；（d)显影芯片制造下凹图形的加工凸起图形的加工平坦化下凹图形的加工氧化层上制造一个凹槽主要步骤：将掩模版覆盖在芯片上，然后曝光；光线仅能通过铬版上我们开窗口的地方；在光刻胶上被曝光的区域发生化学反应；显影，曝光区域被显出。平坦化在进行了凹下和凸起的图形后，晶圆的表面变得非常不平整。使晶圆表面变平的技术成为平坦化。如果不采用平坦化技术，新材料可能会上下起伏，越过一些陡峭的凸起和凹槽。这些凸起和凹槽的拐角会引起应力，使材料在拐角处拉伸变薄，因此必须增加额外的材料厚度以避免断裂。只要使原先的平面变平坦了，就可以采用较薄的材料层，就能制作更小的图形，加工更小的尺寸，尺寸越小性能越好，速度越快，也越便宜。所以，平坦化改善了芯片的性能。集成电路工艺光刻：刻蚀：掺杂：离子注入退火扩散--氧化：干氧氧化、湿氧氧化等CVD作业集成电路工艺主要分为哪几大类，每一类中包括哪些主要工艺，并简述各工艺的主要作用简述光刻的工艺过程。集成电路工艺掩模光刻刻蚀掺杂离子注入扩散氧化CVD3.2CMOS工艺流程CMOS工艺分类P阱CMOS工艺N阱CMOS工艺双阱CMOS工艺P阱CMOS工艺P阱CMOS工艺以N型单晶硅为衬底，在其上制作P阱。NMOS管做在P阱内，PMOS管做在N型衬底上。P阱工艺包括用离子注入或扩散的方法在N型衬底中掺进浓度足以中和N型衬底并使其呈P型特性的P型杂质，以保证P沟道器件的正常特性。P阱CMOS工艺P阱CMOS芯片剖面示意图GSDGDSN+N+P+P+P+NMOSPMOSN-SUBP阱N+电连接时，P阱接最负电位，N衬底接最正电位，通过反向偏置的PN结实现PMOS器件和NMOS器件之间的相互隔离。N阱CMOS工艺N阱