1_第一章_CMOS集成电路制造工艺基础

第一章CMOS集成电路制造工艺基础内容提纲一、集成电路材料二、基本的半导体制造工艺三、CMOS工艺基础一、集成电路材料制造集成电路所用到的材料很多，基本有三类：★导体★半导体★绝缘体导体在制造工艺中的功能导体如铝、金、钨、铜以及镍镉合金等，在集成电路中主要完成的功能有：1.构成低阻值电阻，电容的极板，电感的绕线，传输线，与轻掺杂半导体构成肖特基接触；与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触。2.构成元器件间和层间的互连线。3.构成与外界电路连接的焊盘。绝缘体在制造工艺中的功能绝缘体如二氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiON、Si3N4）等氧化物和氮化物在集成电路制造工艺中要完成的功能：1.构成电容的介质；构成MOS管的栅极与沟道间的绝缘层（栅氧）。2.构成元件之间，互连线之间的横向隔离（场氧）。3.构成不同工艺层面之间的纵向隔离，防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。半导体在制造工艺中的功能半导体是集成电路制造工艺中的核心材料，集成电路就是制作在半导体衬底材料上的，半导体材料的特征决定了集成电路基本元器件的特性。除了半导体、导体、绝缘体外，在集成电路制造工艺中还需要陶瓷、玻璃、塑料、金属等作为封装材料。在制造过程中需要超净环境，高纯水，高纯气的制备等等。二.基本的半导体制造工艺1.单晶硅和多晶硅★单晶硅和晶圆集成电路所有工艺都是以单晶硅为起点。通过一定的工艺过程生长纯度极高的单晶硅，生长成的晶体直径约为75~300mm，长度约会1m的圆柱体，然后将圆柱状单晶体切成0.5~0.7mm厚，100~300mm（4~12in）大小的晶圆片。晶体生长过程中，掺入N型或P型杂质，可形成N型或P型衬底。衬底掺杂浓度近似为1015/cm3，大致对应于N型衬底电阻率为3~5Ω.cm，P型衬底电阻率约为14~12Ω.cm★多晶硅硅除了以单晶形式存在，还以多晶的形式存在。多晶硅在MOS工艺中可作为连接电阻，特别是作为栅极的工艺成为“硅栅工艺”，硅栅工艺突出的优点是具有“自对准”功能，即以多晶硅栅极作为制作源区、漏区的“掩膜”，使源-栅、漏-栅之间的交叠达到最小，从而改善器件的性能。杂质可以控制多晶硅的电阻率变化。在多晶硅沉淀过程中加入定量的氧氮化合物可使其部分氧化，形成半绝缘层，可用于表面“钝化”，以保护芯片表面不受“污染”。2.氧化工艺★SiO2薄膜在集成电路中的作用氧化工艺在集成电路制作过程中需要反复进行多次，以形成表面的SiO2薄膜，其作用有：（1）作为杂质选择扩散区域的掩膜，对不需要掺杂的区域表面用SiO2薄膜覆盖起来，阻挡杂质对这些区域的扩散和注入。（2）作为MOS器件绝缘栅的绝缘材料成为“栅氧”，“栅氧”厚度一般低于150A（1A=10-4m）（3）作为器件与器件，层与层之间的隔离材料，成为“场氧”，“场氧”的厚度要远远大于“栅氧”的厚度，一般超过10000A。（4）作为器件表面的保护膜，成为“钝化”。在硅的表面覆盖一层SiO2薄膜，可以使硅表面免受后续工艺可能带来的污染及划伤，也消除了环境对硅表面的直接影响，起到钝化表面，提高集成电路可靠性、稳定性和减小噪声的作用。（5）作为制作集成电路的“介质”等。2.氧化工艺★氧化工艺的方法氧化工艺主要有热氧化法和化学气相淀积法。（1）热氧化法：分为“干氧法”和“湿氧法”干氧法：将硅片放入高温（700~1200℃）的氧化炉中通入氧气，在氧化炉中硅表面发生氧化，生产SiO2。干氧法形成的SiO2结构致密，缺陷密度小，排列均匀重复性好。但生长速度很慢，效率低。湿氧法：氧化炉中不仅通入氧气，还有水汽存在，在湿氧环境中生成的SiO2薄层速度很快，但质地不好，在光刻时与光刻胶接触不良，容易产生浮胶。因此，现代氧化工艺将两者结合起来，采用“干-湿-干”交替使用。（2）化学气相淀积：将一种或几种化学气体，以某种方式激活后在衬底表面发生化学反应，从而在衬底表面生成SiO2，主要有用“硅烷”和“氧”反应。3.掺杂工艺掺杂工艺就是半导体基底的一定区域掺入一定浓度的杂质，形成不同类型的半导体层，来制作各种元器件。掺杂工艺是集成电路制造中最主要的基础工艺之一。掺杂工艺主要有“扩散工艺”和“离子注入工艺”两种。（1）扩散工艺利用物质微粒总是从浓度高处向浓度低处作扩散运动的特性，实现掺杂目的的工艺为扩散工艺。在800~1200℃的高温扩散炉中，杂质原子从硅材料表面向材料内部扩散，一般施主杂质元素有磷P、砷As等，受主杂质元素有硼B、铟C等。为减小少数载流子的寿命，也可掺入少量的金。3.掺杂工艺（1）离子注入随着VLSI超细加工技术的发展，离子注入工艺已经成为半导体掺杂和隔离注入的主流工艺技术。离子注入首先将杂质元素的原子离子化，使其成为带电的杂质离子，然后用电场加速使其有很高的能量，并用这些杂质离子直接轰击半导体基片，从而达到掺杂的目的。优点有：☆掺杂可精确控制，横向扩散小，重复性好，可以制作精确的电阻，调节MOS管阈值电压。☆离子注入为室温工艺，只在修复硅晶格缺陷的“退火”过程才要求高温。☆可以通过SiO2薄层注入，因此在注入时和注入后，被掺杂的材料都不会暴露在污染物中而免受污染。而扩散工艺则必须将表面的二氧化硅或氮化硅薄层去掉。离子注入工艺可以实现大面积薄而均匀的掺杂；当要求高浓度掺杂或结深很深掺杂时，一般采用扩散技术。4.掩模（mask）的制版工艺集成电路是在硅片上制作各种管子，电阻、电容，并将它们连成一个电路整体。将各种元器件的版图转换到硅片上，这就相当于印刷技术或照相技术，首先需要制造许多掩膜版（相当于照相底版）。制版的精度直接影响着芯片的质量。一个光学掩模通常是一层涂着特定图形的石英玻璃，一层掩模对应集成电路的一层材料的加工。工艺流程中需要的掩模版必须在工艺流程开始前制作完成。掩模板制版的方法有：图形发生器法、X射线法和电子束扫描法。对掩膜版的基本要求是：极板平整坚固，热膨胀系数小，缺陷少，图形尺寸准确，各层板间互相嵌套准确。5.光刻工艺光刻工艺类似于“洗照片”，实现将掩模图形转换到硅片上的关键工艺步骤。光刻工艺：是指借助于掩膜版，并利用光敏的抗蚀涂层发生的光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜（如SiO2薄膜、多晶硅薄膜、各种金属膜）上刻蚀出各种所需要的图形，实现掩模版图到硅片表面各种薄膜图形的转移。生产过程中，光刻需要反复进行多次，光刻质量的好坏对集成电路的性能影响很大，所能刻出的最细线条已成为影响集成电路所能达到的规模的关键工艺之一。如某一条生产线能刻出的最细线条为0.18um，该生产线就被称为0.18um工艺线。5.光刻工艺光刻胶分为：正胶、负胶。正胶：光刻胶膜本来不能被溶剂所溶解，当受到适当波长的光（如紫外光）照射后发生光分解反应，变成可溶性物质。负胶：光刻胶膜本来被溶剂所溶解，当受到适当波长的光照射后发生光聚合反应而樱花，变成不可溶的物质。掩膜版分为正版和负版。以光刻SiO2薄膜为例，如果采用正胶，版子上某个位置如果是窗口，刻出来的SiO2薄膜相应位置也是窗口。采用负胶则相反。光刻工艺步骤（负胶）举例（a）涂胶：在硅片表面SiO2均匀地涂上一层厚度适当的光刻负胶。（b）前烘：使胶膜里的溶剂充分发挥，使胶膜干燥，增加胶膜与SiO2的粘附性。（c）曝光：将光刻版覆盖在涂好光刻胶的硅片上，用紫外线进行选择性照射，使受光部分的光刻胶发生化学反应。（d）显影：经过紫外线照射后的光刻胶部分，由于发生了化学反应而改变了它在显影液里的溶解度。对于负胶来说，未受紫外线照射的部分将显影液洗掉。（e）坚膜：显影后，光刻胶膜可能会因为有残留的容易而泡软、膨胀，对其进行坚膜。（f）腐蚀：用适当的腐蚀剂将没有被光刻胶覆盖而暴露在外面的SiO2薄膜腐蚀掉，光刻胶及其覆盖的SiO2薄膜部分被完整的保存下来。（g）去胶：腐蚀后，将留在SiO2薄膜上的胶去掉。6.金属化工艺金属化工艺主要是完成电极、焊盘及互连线的制备。用于金属化工艺的材料有金属铝、铝-硅合金、铝-铜合金，重掺杂多晶硅和难熔金属硅化物等。金属化工艺是一种物理气相淀积，需要在高真空系统中进行，常用的方法有：真空蒸发法，溅射法。作为金属化互连系统有单层金属化，多层金属化和多层布线。多层布线可增加设计的灵活性，提高集成度，减小面积。其难点是层间绝缘及其互连线平坦化问题。小结：集成电路基本制备工艺单晶硅和多晶硅氧化工艺掺杂工艺掩膜的制版工艺光刻工艺金属化工艺三、CMOS工艺基础不同的CMOS工艺包括：阱的种类：N阱、P阱、双阱；多晶硅（poly-Si）的层数：单层，双层；金属（mental）的层数：1~9层；特征尺寸等硅栅NMOS管的制造工序（a）对P型硅片进行氧化（场氧化），生成较薄的Si3N4，然后进行光刻，刻出有源区后进行源区氧化；（b）栅氧化，在暴露的硅表面形成一层严格控制的薄SiO2层；（c)淀积多晶硅，刻蚀多晶硅，以形成栅极及互连线；（d）离子注入，多晶硅成为离子注入的掩膜，形成源区和漏区；同时多晶硅也被掺杂，减小了多晶硅电阻率；（e）淀积SiO2，将整个结构的SiO2覆盖起来，刻出与源区和漏区相连的接触孔；（f）把铝或其他金属蒸上去，刻出电极及互连线可见，集成电路生产要经过氧化、光刻、掺杂的多次反复，每次反复都需要一张掩膜版。CMOS工艺流程反相器版图及剖面图P阱工艺、双阱工艺比较P阱工艺双阱工艺：在N+或P+衬底上外延生长一层厚度及掺杂浓度可精确控制的高纯度硅层（外延层），在外延层中做双阱。