CMOS轻掺杂漏(LDD)注入工艺

现在COMS工艺多采用的双阱工艺制作步骤主要表现为以下几个步骤：■N阱的形成1.外延生长*外延层已经进行了轻的P型掺杂2.原氧化生长这一氧化层主要是a)保护表面的外延层免受污染，b)阻止了在注入过程中对硅片过度损伤，c)作为氧化物层屏蔽层，有助于控制流放过程中杂质的注入深度3.第一层掩膜，n阱注入4.n阱注放（高能）5.退火退火后的四个结果：a)裸露的硅片表面生长了一层新的阴挡氧化层，b)高温使得杂质向硅中扩散c)注入引入的损伤得到修复，d)杂质原子与硅原子间的共价键被激活，使得杂质原子成为晶格结构中的一部分。■P阱的形成1.第二层掩膜，p阱注入*P阱注入的掩膜与N阱注入的掩膜相反2.P阱注入（高能）3.退火浅槽隔离工艺（STI）相信很多在现在看工艺厂的相关文档时，会看到有些图上面标有STI的注释，STI是英文shallowtrenchisolation的简称，翻译过来为浅槽隔离工艺。STI通常用于0.25um以下工艺，通过利用氮化硅掩膜经过淀积、图形化、刻蚀硅后形成槽，并在槽中填充淀积氧化物，用于与硅隔离。下面详细介绍一下浅槽隔离的步骤，主要包括：槽刻蚀、氧化物填充和氧化物平坦化。槽刻蚀1.隔离氧化层。硅表面生长一层厚度约150埃氧化层；可以做为隔离层保护有源区在去掉氮化物的过程中免受化学沾污。2.氮化物淀积。硅表面生长一薄层氮化硅：a)由于氮化硅是坚固的掩膜材料，有助于在STI氧化物淀积过程中保护有源区b)在CMP时充当抛光的阻挡材料。3.掩膜，浅槽隔离4.STI槽刻蚀。在经过上面的光刻之后把没有被光刻胶保护的区域用离子和强腐蚀性的化学物质刻蚀掉氮化硅、氧化硅和硅。需要注意的是会在沟槽倾斜的侧壁及圆滑的底面有助于提高填充的质量和隔离结构的电学特性氧化物填充1.沟槽衬垫氧化硅硅片再次清洗和去氧化物等清洗工艺后，高温下在曝露的隔离槽侧壁上生长150埃的氧化层，用以阻止氧分子向有源区扩散。同时垫氧层也改善硅与沟槽填充氧化物之间的界面特性2.沟槽CVD氧化物填充氧化物平坦化1.化学机械抛光2.氮化物去除多晶硅栅结构工艺晶体管中的多晶硅栅(polysilicongate)结构的制作是整个CMOS流程中最关键的一步，它的实现要经过栅氧层的形成和多晶硅栅刻蚀这两个基本过程，多晶硅栅的最小尺寸决定着一个工艺的特征尺寸，同进也为下面的源漏注入充当掩膜的作用，这也是做为IC版图工程师需要掌握的基础知识。多晶硅栅结构制作基本步骤一：栅氧化层的生长。清洗掉硅片曝露在空气中沾染的杂质和形成的氧化层。进入氧化炉生长一薄层二氧化硅。多晶硅栅结构制作基本步骤二：多晶硅淀积。硅片转入通有硅烷的低压化学气相淀积设备，硅烷分解从而在硅片表面淀积一层多晶硅，之后可以对poly进行掺杂。多晶硅栅结构制作基本步骤三：多晶硅光刻。在光刻区利用深紫外线光刻技术刻印多晶硅结构。多晶硅栅结构制作基本步骤四：多晶硅刻蚀。利用异向等离子体记刻蚀机对淀积的多晶硅进行刻蚀，得到垂直剖面的多晶硅栅。轻掺杂漏工艺（LDD）随着栅的宽度不断减小，栅结构下的沟道长度也不断的减小，为了有效的防止短沟道效应，在集成电路制造工艺中引入了轻掺杂漏工艺（LDD），当然这一步的作用不止于此，大质量材料和表面非晶态的结合形成的浅结有助于减少源漏间的沟道漏电流效应。同时LDD也是集成电路制造基本步骤的第四步。N-轻掺杂漏注入(nLDD)N-LDD光刻刻印硅片，得到N-区注入的光刻胶图形，其它所有的区域被光刻胶保护N-LDD注入，在未被光刻胶保护的区域进入砷离子注入，形成低能量浅结（砷的分子量大有利于硅表面非晶化，在注入中能够得到更均匀的掺杂深度）P-轻掺杂漏注入(pLDD)P-LDD光刻刻印硅片，得到P-区注入的光刻胶图形，其它所有的区域被光刻胶保护P-LDD注入采用更易于硅表面非晶化的氟化硼进入注入，形成的也是低能量的浅结侧墙的形成为了防止大剂量的源漏注入过于接近沟道从而导致沟道过短甚至源漏连通，在CMOS的LDD注入之后要在多晶硅栅的两侧形成侧墙。侧墙的形成主要有两步：1.在薄膜区利用化学气相淀积设备淀积一层二氧化硅。2.然后利用干法刻蚀工艺刻掉这层二氧化硅。由于所用的各向异性，刻蚀工具使用离子溅射掉了绝大部分的二氧化硅，当多晶硅露出来之后即可停止反刻，但这时并不是所有的二氧化硅都除去了，多晶硅的侧墙上保留了一部分二氧化硅。这一步是不需要掩膜的。源/漏注入工艺在侧墙形成后，需要进行的就是源/漏注入工艺。先要进行的是n+源/漏注入，光刻出n型晶体管区域后，进行中等剂量的注入，其深度大于LDD的结深，且二氧化硅构成的侧墙阻止了砷杂质进入狭窄的沟道区。接下来进行P+源/漏注入，在光刻出了要进行注入的P型晶体管区域后，同样进行中等剂量注入，形成的结深比LDD形成的结深略大，侧墙起了同样的阻挡作用。注入后的硅片在快速退火装置中退火，在高温状态下，对于阻止结构的扩展以及控制源/漏区杂质的扩散都非常重要。源/漏注入工艺的基本过程如下图所示：n+源/漏注入p+源/漏注入接触（孔）形成工艺接触孔形成工艺的目的是在所有硅的有源区形成金属接触。这层金属接触可以使硅和随后沉积的导电材料更加紧密地结合起来（如下图）。硅片表面的沾污和氧化物被清洗掉后，会利用物理气相沉积(PVD)在硅片表面沉积一层金属，即在一个等离子的腔体中带电的氩离子轰击金属靶，释放出金属原子，使其沉积在硅片表面。之后对硅片进行高温退火，金属和硅在高温下形成金属硅化物,最后用化学方法刻蚀掉没有发生反应的金属，将金属的硅化物留在了硅表面。接触（孔）形成工艺钛是做金属接触的理想材料，它的电阻很低，可以与硅发生反应形成TiSi2(钛化硅)，而钛和二氧化硅不发生反应，因此这两种物质不会发生化学的键合或者物于是聚集。因此钛能够轻易地从二氧化硅表面除去，而不需要额外的掩膜。钛的硅化物在所有有源硅的表面保留了下来（如源、漏和栅）。局部互连工艺CMOS制作步骤中接触孔形成后下一步便是在晶体管以及其它钛硅化物接触之间布金属连接线。在下面的工艺流程中用的方法称为局部互连（LI）。形成局部互连的步骤与形成浅槽隔离的步骤一样复杂。工艺首先要求淀积一层介质薄膜，接下来是化学机械抛光、刻印、刻蚀和钨金属淀积，最后以金属层抛光结束（图1和图2）。这种工艺称为大马士革（damascene），名字取自几千年前叙利亚大马士革的一位艺术家发明的一种技术。这步工艺的最后结果是在硅片表面得到了一种类似精制的镶嵌首饰或艺术品的图案。图3描绘了这些金属线是如何嵌入氧化物侧壁之间的。图1形成局部互连氧化硅介质的步骤图21.氮化硅化学气相淀积用化学气相淀积工艺先淀积一层氧化硅作为阻挡层。这层氮化硅将硅有源区保护起来，使之与随后的掺杂淀积层隔绝2.掺杂氧化物的化学气相淀积局部互连结构中的局部互连介质成分是由化学气相沉积的二氧化硅提供的。二层氧化硅要用磷或硼轻掺杂。二氧化硅中引入杂质能够提高下班的介电特性。随后的快速退火能够使下班流动，得到更加平坦的表面3.氧化层抛光利用化学机械抛光工艺平坦化局部互连的氧化层。4.第九层掩膜，局部互连刻蚀硅片在光刻区刻印然后在刻蚀区刻蚀。在局部互连的氧化层中制作出窄沟槽，这些沟槽定义了局部互连金属的路径形式制作局部互连金属的步骤图31.金属钛淀积（PVD工艺）一薄阻挡层金属钛衬垫于局部互连沟道的底部和侧壁上，这一层钛充当了钨与二氧化硅间的粘合剂。2.氮化钛沉积钨化钛立即淀积于钛金属层的表面充当金属钨的扩散阻挡层3.钨淀积钨填满局部互连的沟槽并覆盖硅片表面。之所以用钨而不是铝来做局部互连金属是因为钨能够无空洞地填充孔，形成钨塞。另一个原历是钨良好的磨抛特性4.磨抛钨钨被磨抛到局部互连介质层的上表面Via-1,Plug-1及Metal-1互连的形成层间介质（ILD）充当了各层金属间以及第一层金属与硅之间的介质材料。层间介质上有许多小的通孔，这些层间介质上的细小开口为相邻的金属层之间提供了电学通道。通孔中有导电金属（通常是钨，称为钨塞）填充，钨塞放置在适当的位置，以形成金属层间的电学通路（见图1，图2）。第一层层间介质是下面将要介绍的一系列互连工艺的第一步。Via-1形成的主要步骤Via-1形成的主要步骤1.第一层ILD氧化物在薄膜区利用CVD设备在硅片表面淀积一层氧化物。这层氧化物（第一层IDL）将充当介质材料，通孔就制作在这一层介质上2.氧化物磨抛用CMP的方法磨抛第一层ILD氧化物，清洗硅片除去抛光工艺中引入的颗粒3.第十层掩膜，第一层ILD刻蚀硅片先在光刻区刻印然后在刻蚀区刻蚀。直径不到0.25um的小孔刻蚀在第一层ILD氧化物上。这一步要进行严格的CD、OL以及缺陷检测Plug-1形成的主要步骤Plug-1形成的主要步骤1.金属淀积Ti阻挡层（PVD）在薄膜区利用PVD设备在整个硅片表面淀积一薄层Ti。Ti衬垫于能孔的底部及侧壁上。Ti充当了将钨限制在通孔当中的粘合剂2.淀积氮化钛（CVD)在Ti的上表面淀积一薄层氮化钛。在下一步沉积中，氮化钛充当了钨的扩散阻挡层3.淀积钨（CVD）用另一台CVD设备在硅片上淀积钨。钨填满小的开口形成plug4.磨抛钨磨抛被钨涂覆的硅片直到第一层ILD的上表面第一层金属互连的形成第一层金属互连的形成1.金属钛阻挡层淀积（PVD）与其它金属工艺一样，钛是淀积于整个硅片上的第一层金属。它提供了Plug和下一层Metal之间的良好键合。同样它与ILD材料的结合也非常紧密，提高了金属叠加结构的稳定性2.淀积铝铜合金（PVD）在薄膜区利用PVD设备将铝铜合金溅射在有钛覆盖的硅片上。铝中加入1%的铜提高了铝的稳定性3.淀积氮化钛（PVD）在铝铜合金层上淀积一薄层氮化钛充当下一次光刻中的抗反射层4.第十一层掩膜，金属刻蚀先用光刻胶刻印硅片，然后用等离子体刻蚀机刻蚀sandwich结构Via-2,Plug-2,Metal-2及TopMetal形成在Via-1,Plug-1及Metal-1互连形成后，接下来形成的是Via-2,Plug-2及Metal-2。除了要填充Metal-1上刻蚀出的大小不等的间隙，ILD-2的制作与ILD-1的制作非常相似。间隙的填充使用介电材料填充间隙，这些材料能够进入细小的空间从而避免了能够影响电学性能的空洞和其它缺陷的形成。两种常见的填充间隙的方法分别是SOG反刻和HDPCVD，后者更常用些。间隙填满以后，可利用CVD系统完成ILD-2的氧化物淀积，之后氧化物被平坦化、刻印，然后刻蚀形成Plug所需的viahole。Via-2形成的主要步骤Via-2形成的主要步骤1.ILD-2间隙填充最新的间隙填充方法是利用高浓度等离子体工艺交替地淀积和刻蚀ILD氧化物，刻蚀与淀积是同时进行的。最后在金属的间隙间形成了没有空洞或空洞极少的致密氧化物2.ILD-2氧化物淀积利用等离子体增强PVD系统淀积ILD-2氧化层剩余的部分3.ILD-2氧化物平坦化在下一步刻印步骤前磨抛硅片，平坦化其表面4.第十二层MASK，ILD-2刻蚀利用光刻胶刻印硅片，随后利用等离子体刻蚀机刻蚀ILD-2氧化物Plug-2形成的主要步骤Plug-2形成的主要步骤1.金属淀积钛阻挡层（PVD）与其它金属工艺一样，在硅片上淀积的第一层金属是钛。钛可以使Plug和下一层metal紧密地结合起来。同样，它与ILD材料的结合也非常紧密。所以它能够提高金属叠加结构的稳定性2.淀积氮化钛（CVD）一薄氮化钛淀积在钛层的上表面。氮化钛充当钨淀积过程中的阻挡层3.淀积钨（CVD）利用另一台CVD设备在硅片上淀积钨。钨填充幼小的通孔，形成plug4.磨抛钨磨抛有钨涂覆的硅片直到ILD-2氧化物的上表面，留下通孔中的plug