第九章--ULSI工艺总汇

1第九章ULSI工艺总汇2集成电路制造工艺分类1.双极型工艺（bipolar）2.CMOS工艺3.BiCMOS工艺3§1双极型（NPN）集成电路工艺(典型的PN结隔离工艺)4思考题1.与分立器件工艺有什么不同？2.埋层的作用是什么？3.需要几块光刻掩膜版(mask)?4.每块掩膜版的作用是什么？5.器件之间是如何隔离的？6.器件的电极是如何引出的？5P-Sub衬底准备（P型）光刻n+埋层区氧化n+埋层区注入清洁表面1.衬底准备2.第一次光刻——N+隐埋层扩散孔光刻6P-Sub生长n-外延隔离氧化光刻p+隔离区p+隔离注入p+隔离推进N+N+N-N-3.外延层淀积4.第二次光刻——P+隔离扩散孔光刻7光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散5.第三次光刻——P型基区扩散孔光刻8光刻磷扩散区磷扩散P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP6.第四次光刻——N+发射区扩散孔光刻氧化9光刻引线孔清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP7.第五次光刻——引线接触孔光刻氧化10蒸镀金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP8.第六次光刻——金属化内连线光刻11NPN晶体管剖面图ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+Epitaxiallayer外延层BuriedLayer12埋层外延层作用•在晶体管的电学参数中，特征频率ft,饱和压降Uces，最大集电极电流ICM，击穿电压UBRCEO，结电容都与集电区的掺杂浓度有关。而且他们对集电区浓度的要求相互矛盾。•为了获得高的击穿电压、小的结电容，要求集电区电阻率高•为了获得小的饱和压降Uces（直接决定逻辑电路的输出低电平，越小越好）和集电区串联电阻,提高特征频率fT和ICM要求电阻率低13埋层的作用1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长），饱和压降Uces,提高特征频率fT和ICMBP-SubSiO2光刻胶N+埋层N–-epiP+P+P+SiO2N–-epiPPN+N+N+钝化层N+CECEBB2.减小寄生pnp晶体管的影响1415外延层的作用•为了获得高的击穿电压、小的结电容16隔离的实现1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将n型外延层分割成若干个“岛”。2.P+隔离接电路最低电位，使“岛”与“岛”之间形成两个背靠背的反偏二极管。BP-SubSiO2光刻胶N+埋层N–-epiSiO2P+P+P+SiO2N–-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层17光刻掩膜版汇总埋层区隔离墙硼扩区磷扩区引线孔金属连线18外延层电极的引出欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）。因此，外延层电极引出处应增加浓度。BP-SubSiO2光刻胶N+埋层N–-epiP+P+P+SiO2N–-epiPPN+N+N+钝化层N+CECEBB金属与半导体接触？形成欧姆接触的方法？低势垒，高复合，高掺杂19§2CMOS集成电路工艺20•CMOS集成电路是目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的95%以上。•CMOS工艺技术是当代VLSI工艺的主流工艺技术，它是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的。其特点是将NMOS器件与PMOS器件同时制作在同一硅衬底上。•CMOS工艺技术一般可分为三类，即P阱CMOS工艺N阱CMOS工艺双阱CMOS工艺211.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。22P阱CMOS工艺电连接时，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。P阱CMOS芯片剖面示意图见下图。23n沟MOS（NMOS）p沟MOS（PMOS）msiAFAoxoxssmsiAoxAoxssTnnNqkTNCCQnNqkTCdqNCQV-ln2]2[21-ln21/2)(s0maxΨεεmsiD1/2F)(Ds0oxoxssmaxφ-nNlnq2kT]2ΨNε[2εC1-CQ-ln2msiDoxDoxssTPnNqkTCdqNCQV24•由于氧化层中正电荷的作用以及负的金属(铝)栅与衬底的功函数差，使得在没有沟道离子注入技术的条件下，制备低阈值电压(绝对值)的PMOS器件和增强型NMOS器件相当困难。于是，采用轻掺杂的n型衬底制备PMOS器件，采用较高掺杂浓度扩散的p阱做NMOS器件（使阈值电压从负变正，因为高的表面态会使NMOS的阈值电压为负），在当时成为最佳的工艺组合。25N阱CMOS芯片剖面示意图2.N阱CMOS工艺26N阱CMOS正好和P阱CMOS工艺相反，它是在P型衬底上形成N阱。因为N沟道器件是在P型衬底上制成的，这种方法与标准的N沟道MOS(NMOS)的工艺是兼容的。在这种情况下，N阱中和了P型衬底，P沟道MOS管会受到过渡掺杂的影响。27N阱CMOS工艺早期的CMOS工艺的N阱工艺和P阱工艺两者并存发展。但由于N阱CMOS中NMOS管直接在P型硅衬底上制作，有利于发挥NMOS器件高速的特点，因此成为常用工艺。283.双阱CMOS工艺•随着工艺的不断进步，集成电路的线条尺寸不断缩小，传统的单阱工艺有时已不满足要求，双阱工艺应运而生。29双阱CMOS工艺•通常双阱CMOS工艺采用的原始材料是在N+或P+衬底上外延一层轻掺杂的外延层，然后用离子注入的方法同时制作N阱和P阱。30双阱CMOS工艺•使用双阱工艺不但可以提高器件密度，还可以有效的控制寄生晶体管的影响，抑制闩锁现象。31一、硅片制备二、前部工序Mask掩膜版CHIP1）P阱CMOS集成电路工艺过程简介32•掩膜1：P阱光刻具体步骤如下：1．生长二氧化硅：Si-衬底P-wellSi-衬底SiO2332．P阱光刻：涂胶、掩膜对准、曝光、显影、刻蚀3．去胶4．掺杂：掺入B元素涂胶显影刻蚀去胶掺杂34掩膜2：光刻有源区淀积氮化硅光刻有源区场区氧化去除有源区氮化硅及二氧化硅生长栅氧淀积多晶硅35淀积氮化硅光刻有源区场区氧化去除氮化硅及二氧化硅长栅氧淀积多晶硅36掩膜3：光刻多晶硅光刻多晶硅37掩膜4：P+区光刻1、P+区光刻2、离子注入B+，栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。3、去胶P+区光刻B+38掩膜5：N+区光刻1、N+区光刻2、离子注入P+3、去胶N+区光刻P+39掩膜6：光刻接触孔光刻接触孔40掩膜7：光刻铝引线1、淀积铝2、光刻铝光刻铝ALPSG场氧Poly栅氧P+N+P阱N硅衬底41三、后部封装（在另外厂房）（1）背面减薄（2）切片（3）粘片（4）压焊：金丝球焊（5）切筋（6）整形（7）塑封（8）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化（10）成品测量（11）打印、包装划片422)简化N阱CMOS工艺演示43N阱CMOS芯片剖面示意图N阱CMOS芯片剖面示意图见下图。44氧化层生长光刻1，刻N阱掩膜版氧化层P-SUB45曝光光刻1，刻N阱掩膜版光刻胶掩膜版46氧化层的刻蚀光刻1，刻N阱掩膜版47N阱注入光刻1，刻N阱掩膜版48形成N阱N阱P-SUB49氮化硅的刻蚀光刻2，刻有源区掩膜版二氧化硅掩膜版N阱氮化硅的作用？50场氧的生长光刻2，刻有源区掩膜版二氧化硅氮化硅掩膜版N阱51去除氮化硅光刻3，刻多晶硅掩膜版FOXN阱52重新生长二氧化硅（栅氧）光刻3，刻多晶硅掩膜版栅氧场氧N阱为什么要重新生长二氧化硅？53生长多晶硅光刻3，刻多晶硅掩膜版多晶硅N阱54刻蚀多晶硅光刻3，刻多晶硅掩膜版掩膜版N阱55刻蚀多晶硅光刻3，刻多晶硅掩膜版多晶硅N阱56P+离子注入光刻4，刻P+离子注入掩膜版掩膜版P+N阱57N+离子注入光刻5，刻N+离子注入掩膜版N+N阱58光刻接触孔光刻6，刻接触孔掩膜版P+N+N阱59刻铝光刻7，刻Al掩膜版AlN阱60刻铝VDDVoVSSN阱61光刻8，刻压焊孔掩膜版钝化层N阱62（图中展示的是刻铝后的图形）N阱VoVinVSSVDDP-SUB磷注入硼注入PMOS管硅栅NMOS管硅栅63一、双阱工艺*n阱的形成1.外延生长3）双阱CMOS工艺流程642.氧化生长653.第一层掩膜（光刻1）“n阱注入”664.n阱注入磷注入675.退火退火的作用是什么？68*p阱的形成1.第二层掩膜(光刻2)“p阱注入”692.p阱注入硼注入703.退火71二.浅槽隔离(STI)工艺Shallow-trenchisolation*A:槽刻蚀1．长隔离氧化层（作用：保护有源区在去掉氮化物的过程中免受化学沾污）722.氮化硅淀积Si3N4（做为坚固的掩膜材料，有助于STI氧化物淀积过程中保护有源区；CMP过程中充当抛光的阻挡材料）733.第三层掩膜(光刻3)“浅槽隔离”744.STI槽刻蚀在外延层上选择刻蚀开隔离区755.去光刻胶76*B:STI氧化物填充1.沟槽衬垫氧化硅（改善硅与沟槽填充氧化物之间的界面特性）772.沟槽CVD氧化物填充隔离槽CVD氧化硅78*C:STI氧化层抛光—氮化物去除1.沟槽氧化物抛光(CMP)Chemical-mechanicalpolishing792.氮化物去除80三．多晶硅栅结构工艺1．栅氧化层的生长为什么要重新生长栅氧化层？812．多晶硅淀积823．第四层掩膜(光刻4)“多晶硅栅”834．多晶硅栅刻蚀84四．轻掺杂漏（LDD）注入工艺*n-轻掺杂漏注入1．第五层掩膜(光刻5)“n-LDD注入”852．n-LDD注入砷注入LDD的作用是什么？大质量的掺杂材料使得硅片的上表面成为非晶态，有助于维持浅结和获得更均匀的掺杂浓度。86*p-轻掺杂漏注入1．第六层掩膜(光刻6)“p-轻掺杂注入”872．p-LDD注入BF2注入88五．侧墙的形成1．淀积二氧化硅892．二氧化硅反刻用各向异性等离子刻蚀机进行侧墙反刻90六．源/漏注入工艺*n+源/漏注入1．第七层掩膜(光刻7)“n+源/漏注入”912．n+源漏注入砷注入92*p+源/漏注入1．第八层掩膜(光刻8)“p+源/漏注入”932．p+源/漏注入硼注入943．退火侧墙的作用？保护沟道，在注入过程中阻止掺杂原子的进入95七．接触(孔)的形成*钛金属接触的制作1．钛的淀积钛淀积962．退火钛硅化物接触形成973．钛刻蚀接触形成工艺的目的：在所有硅的有源区形成金属接触。金属接触可以使硅和随后淀积的导电材料更加紧密的结合起来。钛是做金属接触的理想材料。钛的硅化物在有源区（源，漏，栅）保留下来。但是钛不与SiO2反应，从而容易的除去，而不需要额外的掩膜。98八．局部互连(LI：localinterconnect)工艺*LI氧化硅介质的形成1．氮化硅化学气相淀积氮化硅CVD(将硅的有源区保护起来，使之与随后的掺杂淀积层隔绝)992．掺杂氧化物的化学气相淀积二氧化硅要用磷或硼掺杂，可以提高玻璃的介电特性。另外退火时候玻璃能够流动，得到平坦的表面1003.氧化层抛光（CMP）1014．第九层掩膜(光刻9)“局部互连”102局部互连刻蚀103*LI金属的制作1.金属钛淀积(PVD工艺)钛衬垫于局部互联沟道的底部和侧壁上，充当钨和二氧化硅的粘合剂1042.氮化钛(TiN)淀积TiN淀积于钛金属层的表面，充当金属钨的阻挡层1053.钨淀积(CVD工艺)1064.磨抛钨(CMP工艺)107九．通孔1和钨塞1的形成*通孔1的制作1．第一层层间介质氧化物淀积（CVD）1082．氧化物磨抛（CMP）1093．第十层掩膜(光刻10)“ILD-1”110第一层层间介质刻蚀111*钨塞1的制作1.金属淀积钛阻挡层（PVD）钨充当将钨限制在通孔中的粘合剂2.淀积氮化钛（CVD）氮化钛充当钨的扩散阻挡层3．淀积钨（CVD）1124.磨抛钨（CMP）113十．第一层金属（金属1）互连的形成*金属1互连的制作1．金属钛阻挡层淀积（PVD）钛充当钨塞和下层