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HongXiao,Ph.D.製程整合HongXiao,Ph.D.hxiao89@hotmail.com目標•列出三種絕緣形成的方法•描述側壁空間層製程和應用•解釋臨界電壓VT調整佈植的目的•列出三種用在MOSFET匣極的導體•列出用來作為局部連線製程的三種金屬•列出銅金屬化製成的基本步驟•辨識在一個積體電路晶片中最常被用來當做最後鈍化層的材料HongXiao,Ph.D.簡介•完成一個積體電路晶片的製造需要三十個光罩以及幾百個製程步驟.•每一個步驟都和其他的步驟有關.•CMOS製程–前段•井區形成、絕緣以及電晶體製造–後段•局部連線和鈍化製程HongXiao,Ph.D.晶圓準備•CMOSIC晶片通常使用100方向的單晶矽晶圓•雙載子和BiCMOS晶片通常使用111方向的晶圓.•1960到1970年代中期,PMOS積體電路晶片是使用n型晶圓•1970年代中期之後,NMOS是使用p型晶圓•由於歷史性的緣故，CMOS係從NMOS製程發展，使用p型晶圓HongXiao,Ph.D.和CMOS製程•最簡單的NMOSIC積體電路製程有五道光罩步驟：活化、匣極、接觸窗、金屬以及連接墊區•早期的CMOSIC製程多增加三道光罩步驟:n型井區(對p型基片),活化,匣極,n型源極/汲極,p型源極/汲極,接觸窗,金屬和連接墊區•兩種製程都使用p型晶圓HongXiao,Ph.D.型矽多晶矽匣極氧化層PSGPSGPSG場區氧化層氮化矽鋁矽合金場區氧化層HongXiao,Ph.D.年代早期的CMOSUSGAl·Cu·SiBPSG氮化矽P型基片p+p+N型井區n+n+p+p+SiO2多晶矽匣極LOCOS匣極氧化層絕緣佈植氮化矽HongXiao,Ph.D.矽磊晶層•雙載子電晶體和BiCMOS晶片需要矽磊晶層來形成一個深埋層–有一些功率元件甚至需要用懸浮帶區長晶法(floatingzonemethod)製造的晶圓•當CMOS晶片速度不是非常高時，就不需要磊晶層•高速CMOS晶片需要磊晶層HongXiao,Ph.D.矽磊晶層•使用查克洛斯基(CZ)法製造的晶圓由於使用石英坩鍋通常都會帶有一些氧•氧會減少載體的生命週期並且降低元件的速度•磊晶矽層可以製造出一個無氧的基片而達到很高的元件速度HongXiao,Ph.D.矽磊晶層•RCA清潔製程用來移除矽晶圓表面的污染物•無水的HCl乾式清潔可以幫助移除可移動的離子和原生氧化層•磊晶矽的成長:高溫CVD–矽源:矽烷或二氯矽烷或三氯矽烷–H2作為製程氣體、載氣和吹除淨化的氣體–AsH3或PH3作為n型摻雜物的氣體–B2H6作為p型摻雜物的氣體HongXiao,Ph.D.製造使用的晶圓•先進的CMOSIC晶片通常使用帶有p型磊晶層的p型100單晶矽晶圓•雙載子IC晶片通常使用111晶圓HongXiao,Ph.D.井區形成•單井區•自我對準式的雙井區•雙井區HongXiao,Ph.D.單井區•早期CMOSIC製程•p型晶圓上的N型井區•n型晶圓上的P型井區•高能量低電流的離子佈植•加熱退火/驅入HongXiao,Ph.D.型井區的形成步驟晶圓清洗屏蔽氧化層成長井區光罩離子佈植(a)光阻剝除退火及驅入(b)屏蔽氧化層(c)P型矽N型井區光阻磷離子佈植P型矽N型井區P型矽N型井區(a)(b)(c)HongXiao,Ph.D.帶有P型井區的CMOSN型矽P型井區n+n+場區氧化層多晶矽匣極氧化層p+p+HongXiao,Ph.D.型基片p+p+N型井區SiO2多晶矽匣極LOCOS匣極氧化層絕緣佈植n+n+p+p+帶有N型井區的CMOSHongXiao,Ph.D.自我對準式的雙井區•設計者有更多的彈性•自我對準製程可以節省一道光罩步驟•LPCVD氮化矽(Si3N4)是非常緻密的薄膜•阻絕離子佈植穿透p型井區•防止在p型井區產生氧化反應•在n型井區上的厚氧化層可以阻擋形成P型井區的離子佈植HongXiao,Ph.D.自我對準式的雙井區•晶圓清洗•成長襯墊氧層•沉積氮化矽(a)•N型井區光罩•蝕刻氮化矽•剝除光阻•N型井區佈植(b)•退火/驅入及氧化(c)•剝除氮化矽•P型井區佈植(d)•退火及驅入•剝除氧化層(e)矽氮化矽矽氮化矽磷離子矽氮化矽二氧化矽N型井區矽二氧化矽N型井區硼離子佈植矽N型井區P型井區(a)(b)(c)(d)(e)HongXiao,Ph.D.自我對準式的雙井區•優點:減少一個光罩步驟–降低成本–改善IC晶片良率.•缺點:晶圓表面不再平坦–N型井區總是比P型井區要低–影響微影製程的解析度–影響薄膜的沉積HongXiao,Ph.D.自我對準式的雙井區•先形成N型井區•磷在單晶矽擴散速率要比硼低•如果p型井區先佈植，在n型井區的退火及摻雜物驅入期間，硼的擴散會失去控制HongXiao,Ph.D.雙井區•兩個光罩步驟•平坦表面•常見在先進的CMOSIC晶片製造•高能量低電流的佈植機•高溫爐執行井區的退火和驅入製程HongXiao,Ph.D.型磊晶層P型晶圓硼離子P型井區N型井區光阻P型磊晶層P型晶圓光阻N型井區磷離子佈植雙井區HongXiao,Ph.D.絕緣技術•整面全區覆蓋式氧化層•矽的局部氧化(LOCOS)•淺溝槽絕緣(STI)HongXiao,Ph.D.整面全區覆蓋式氧化層•用在早期的積體電路工業•簡單又直接的製程•氧化和蝕刻•厚度由場區臨界電壓VFT決定•VFTV防止鄰近電晶體的交互影響HongXiao,Ph.D.矽局部氧化絕緣的形成晶圓清洗成長襯墊氧化層LPCVD氮化矽(a)光罩1,LOCOS蝕刻氮化矽剝除光阻絕緣佈植(硼)(b)濕式氧化,形成矽局部氧化LOCOS(c)剝除氮化矽及襯墊氧化層(d)氮化矽P型基片p+p+P型基片氮化矽p+p+SiO2P型基片p+p+SiO2襯墊氧化層P型基片氮化矽(a)(b)(c)(d)HongXiao,Ph.D.型基片晶圓清洗HongXiao,Ph.D.襯墊氧化層P型基片襯墊氧化層HongXiao,Ph.D.襯墊氧化層P型基片氮化矽LPCVD氮化矽HongXiao,Ph.D.襯墊氧化層P型基片光阻氮化矽光阻塗佈HongXiao,Ph.D.矽局部氧化光罩HongXiao,Ph.D.型基片光阻氮化矽矽局部氧化光罩HongXiao,Ph.D.型基片光阻氮化矽矽局部氧化光罩曝光HongXiao,Ph.D.氮化矽P型基片光阻顯影HongXiao,Ph.D.氮化矽P型基片光阻蝕刻氮化矽HongXiao,Ph.D.氮化矽P型基片剝除光阻HongXiao,Ph.D.氮化矽P型基片p+p+絕緣佈植HongXiao,Ph.D.型基片氮化矽p+p+SiO2加熱氧化HongXiao,Ph.D.型基片p+p+SiO2剝除氮化矽、多晶矽及襯墊氧化層HongXiao,Ph.D.矽局部氧化的問題•鳥嘴–二氧化矽內部的等向性擴散所引起–在氮化矽層下成長–浪費許多矽表面區域•不平坦的表面–氧化層在矽表面上成長–影響微影製程和薄膜沉積HongXiao,Ph.D.矽局部氧化的鳥嘴鳥嘴LOCOSLOCOS元件區元件區HongXiao,Ph.D.多晶矽緩衝層(PBL)LOCOS•降低“鳥嘴”•在LPCVD氮化矽之前沉積多晶矽•橫向擴散的氧會被多晶矽層所消耗•把鳥嘴降低到0.1~0.2mm.HongXiao,Ph.D.多晶矽緩衝層(PBL)LOCOSP型基片氮化矽多晶矽P型基片p+p+氮化矽多晶矽P型基片p+p+SiO2氮化矽P型基片p+SiO2p+成長襯墊氧化層、沉積多晶矽及氮化矽蝕刻氮化矽、多晶矽及氧化層、硼佈植氧化反應剝除襯墊氧化層、多晶矽及氮化矽HongXiao,Ph.D.淺溝槽絕緣(STI)•LOCOS和PBL當圖形尺寸縮小到0.5mm之前都運作的很好•當