ic-fab-tech-chap3-IC-process-intro

第三章集成电路制造工艺概况集成电路制造工艺概况微固学院邓小川d@[e-mail]31引言3.1引言集成的晶集成的晶体管数量近20亿设计芯片工艺2计片31引言3.1引言本章主要内容：本章主要内容：CMOS工艺流程工艺流程CMOS制作步骤本章知识要点：掌握典型CMOS集成电路制造工艺流程；了解CMOS制造工艺14个步骤的主要目的；知道6种主要制作工艺3知道6种主要制作工艺。3.2CMOS工艺流程432CMOS工艺流程3.2CMOS工艺流程+VDDSGDDCMOS反相器的电路图GDpMOSFET见书本P53，图3.21。InputOutputDGnMOSFETSGOS5-VSS32CMOS工艺流程3.2CMOS工艺流程PassivationBondPadIMD1WViaPlugMetal2BPSGWContactPlugMetal1PolyGateSpacerN+SourceN+DrainP+SourceP+DraingGateOxidepSiliconEpiLayerP-P-WellN-Well6SiliconSubstrateP+32CMOS工艺流程3.2CMOS工艺流程+5VSupplyGroundVINTrenchOxideN+Source/DrainSpacerContactPolysiliconVia1VOUTN-Well7P+Source/DrainMetal1P-Well32CMOS工艺流程3.2CMOS工艺流程集成电路制造针对硅片有缘层（通常硅片集成电路制造：针对硅片有缘层（通常硅片顶层几微米内）的化学或者物理操作。成膜光刻硅片制造光刻刻蚀刻蚀掺杂芯片功能越复杂，金属和绝缘层数越多。但主要在不同工艺步骤中循环8主要在不同工艺步骤中循环。32CMOS工艺流程3.2CMOS工艺流程UVlightSiliconsubstrateSilicondioxideSilicondioxideoxygenoxideoxidephotoresistphotoresistMaskexposedphotoresistexposedphotoresistCMOS工艺流程Oxidation(Fieldoxide)PhotoresistDevelopPhotoresistCoatingMask-WaferAlignmentandExposureExposedPhotoresist流程中的主要polysiliconpolysiliconSilanegasDopantgasgateoxidegateoxideoxygenoxideoxideIonizedoxygengasphotoresistphotoresistoxideoxideIonizedCF4gasoxideoxideoxideoxideIonizedCCl4gas主要制造步骤ScanningionPolysiliconDepositionOxidation(Gateoxide)PhotoresistStripOxideEtchPolysiliconMaskandEtch步骤GGSDtopnitridetopnitrideSDGGsiliconnitridesiliconnitrideContactholesSDGGoxoxDGionbeamSdrainSDGGMetalcontacts9ActiveRegionsNitrideDepositionContactEtchIonImplantationMetalDepositionandEtch32CMOS工艺流程硅片制造厂的分区3.2CMOS工艺流程硅片制造厂的分区扩散光刻光刻刻蚀离子注入离子注入薄膜抛光CMOS制作步骤封装/测试10321硅片制造厂的分区概述亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型3.2.1硅片制造厂的分区概述亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型硅片制造前端抛光硅片起始薄膜硅片制造前端抛光无图形的硅片薄膜扩散刻蚀光刻完成的硅片测试/拣选注入11321硅片制造厂的分区概述扩散区：进行高温工艺和薄膜淀积的区域。3.2.1硅片制造厂的分区概述高温工艺包括：氧化、扩散、淀积、退火以及合金。高温温炉系统示意意图12321硅片制造厂的分区概述光刻：将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻3.2.1硅片制造厂的分区概述光刻：将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻刻区13321硅片制造厂的分区概述光刻（Photolithography）流程。3.2.1硅片制造厂的分区概述光刻（Photolithography）流程。步进光刻机(（对准）t/曝光系统)装片台气相成底膜传送台涂胶湿影清洗去边步进光刻机(（对准）t/曝光系统)光刻硅片传送系统片架刻区软烘冷板冷板坚膜14321硅片制造厂的分区概述刻蚀：在硅片上无光刻胶保护的地方留下永久的3.2.1硅片制造厂的分区概述图形，即将电路图形转移到硅片表面。等等离子子刻蚀系系统示示意图15321硅片制造厂的分区概述离子注入：是亚微米工艺中昀常见的掺杂方法。3.2.1硅片制造厂的分区概述离子注入：是亚微米工艺中昀常见的掺杂方法。等等离子IonsourcePlMassresolvingslitGascabinetFilament刻蚀系AnalyzingmagnetAccelerationcolumnBeamlinetubePlasmaExtractionassembly系统示IonbeamProcesschamberLighterions示意图Heavyions16GraphiteScanningdisk321硅片制造厂的分区概述薄膜生长：包括介质层和金属层的生长。3.2.1硅片制造厂的分区概述PECVD系系统示示意图17321硅片制造厂的分区概述薄膜生长区3.2.1硅片制造厂的分区概述成膜温度低于扩散区成膜温度。包括化学气相淀积温度包括化学气相淀积(CVD)和金属溅射(物理气相淀积，PVD)所有薄膜相淀积，PVD)所有薄膜设备均在真空环境下工作。其他设备可能有SOG其他设备可能有SOG(Spin-On-Glass)系统、快速退火装置(RTP)和湿法速退火装置(RTP)和湿法清洗设备。18321硅片制造厂的分区概述抛光：实现硅片表面平坦化。通过使硅片凸出的部3.2.1硅片制造厂的分区概述分减薄到凹陷部分的厚度。ChemicalMechanicalPlanarization（CMP，化学机械平坦化）。抛光区区1933CMOS制作步骤硅片制造厂的分区3.3CMOS制作步骤硅片制造厂的分区扩散光刻光刻刻蚀离子注入离子注入薄膜抛光CMOS制作步骤封装/测试2033CMOS制作步骤PassivationlayerBondingpadmetal143.3CMOS制作步骤1.双阱工艺layergILD-5M-4ILD-6131.双阱工艺2.浅槽隔离工艺(STI)3.多晶硅栅结构工艺ILD3ILD-4M-3M-4134.轻掺杂(LDD)注入工艺5.侧墙工艺6源漏(S/D)注入工艺ILD-2ILD-3M-21011126.源漏(S/D)注入工艺7.接触孔的形成8.局部互联工艺LIoxideILD-1M-1PolygateLImetalVia3589108.局部互联工艺9.通孔1和金属塞1的形成10.金属1互联的形成STIn-wellp-wellp+p+p+p+p+p+n+n+n+23146711.通孔2和金属塞2的形成12.金属2互联的形成13金属3压点及合金21p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayer13.金属3、压点及合金14.参数测试33CMOS制作步骤3.3CMOS制作步骤双阱工艺（双阱工艺（Twin-wellImplants）双阱工艺用以定义nMOS和pMOS的有源区(Activeregion)。采用倒掺杂技术形成双阱，阱注入决定了阈值电压，同时避免了CMOS电路中的闩锁效应。同时避免了电路中的闩锁效应倒掺杂技术：高能量、大剂量注入，注入深度约随后的注入均在相同区域进行只是注入的1μm，随后的注入均在相同区域进行，只是注入的能量、剂量和形成结深大幅度减小。22331Twin-wellImplants3.3.1Twin-wellImplantsn-wellFormationThinPhosphorusimplant312PhotoDiffusionPolishEtchThinFilms5Photoresist32Oxiden-well4Implant45~5μm(Dia=200mm,~2mmthick)1p+Siliconsubstratep-Epitaxiallayer5①外延层掺杂浓度低、缺陷少；②氧化层保护表面免污染免注入损伤控制注入深度；②氧化层保护表面免污染、免注入损伤、控制注入深度；③光刻，CD检查，不合格可以返工，唯光刻可轻易返工；④注入时胶作为掩膜，每次注入后去胶；23④注入时胶作为掩膜，每次注入后去胶；⑤退火作用：扩散，激活杂质，修复损伤。331Twin-wellImplants3.3.1Twin-wellImplantspwellFormationBoronimplantp-wellFormationThinFilms1PhotoDiffusionPolishEtchPhotoresist1Oxide32PhotoImplantDiffusionEtchp+Siliconsubstratep-EpitaxiallayerOxide3n-well2p-wellp+Siliconsubstrate①光刻，与n阱光刻版反向；②注入时胶作为掩膜，每次注入后去胶；③退火作用：推进，激活杂质，修复损伤。24332ShallowTrenchIsolation3.3.2ShallowTrenchIsolation浅槽隔离（STI）浅槽离）浅槽隔离工艺是硅片上制作的晶体管有源区之间进行隔离的一种工艺（025m工艺常用）进行隔离的一种工艺（0.25μm工艺常用）。局部氧化工艺(LOCOS)：LOCOS技术隔离存在鸟头和鸟嘴，影响平整度，且不能精确控制横向尺寸，这在亚微米工艺中不能容忍，所以亚微米工艺中采用STI。LOCOS隔离25LOCOS隔离332ShallowTrenchIsolation3.3.2ShallowTrenchIsolationSTITrenchEtchThinPlih+IonsSelectiveetchingopensisolationregionsintheepilayerThinFilms12PhotoPolishEtchDiffusion343Photoresist2Nitride41OxideImplantSilibp-Epitaxiallayern-wellp-wellSTItrench①隔离氧化层：保护有源区在后续去除氮化物的过程中免受化学污染；②氮化物淀积SiN膜为坚固的掩膜保护有源区在CMP中作阻挡层p+Siliconsubstrate②氮化物淀积：Si3N4膜为坚固的掩膜，保护有源区；在CMP中作阻挡层；③光刻；④深沟刻蚀：采用干法刻蚀，保证深宽比。沟槽倾斜的侧壁和圆滑的底部提26④深沟刻蚀：采用干法刻蚀，保证深宽比。沟槽倾斜的侧壁和圆滑的底部提高了填充氧化物的质量和隔离结构的电学性能。332ShallowTrenchIsolation3.3.2ShallowTrenchIsolationSTIOxideFillTrenchfillbychemicalvapordepositionOxide12PolishThinFilms2NitrideTrenchCVDoxideDiffusionEtchPhotoImplantp-well1Lineroxidep-Epitaxiallayern-well①沟槽衬垫氧化硅热氧化层改善沟槽填充的界面特p+Siliconsubstrate①沟槽衬垫氧化硅：热氧化层