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1、第九章第九章 集成电路制造工艺概况集成电路制造工艺概况学习目标：学习目标：1、画出典型的亚微米、画出典型的亚微米CMOS集成电路制造流集成电路制造流 程图程图 2、掌握、掌握6种主要工艺种主要工艺 3、描述、描述CMOS制造工艺制造工艺14个步骤的主要目的个步骤的主要目的4、讨论每一步、讨论每一步CMOS制造流程的关键工艺和制造流程的关键工艺和 设备设备9.2 CMOS工艺流程工艺流程n n薄膜制作（薄膜制作（layer）n n刻印刻印 (pattern)(pattern)n n刻蚀刻蚀n n掺杂掺杂9.2 CMOS工艺流程工艺流程9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述Test/
2、SortImplantDiffusionEtchPolishPhotoCompleted WaferUnpatterned WaferWafer StartThin FilmsWafer Fabrication(front-end)9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述扩散扩散Gas flowcontrollerTemperaturecontrollerPressurecontrollerHeater 1Heater 2Heater 3ExhaustProcess gasQuartz tubeThree-zoneHeating ElementsTemperature-settin
3、g voltagesThermocouplemeasurements9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述光刻光刻9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述光刻光刻装片台气相成底膜软烘冷板冷板坚膜传送台涂胶湿影清洗去边硅片传送系统片架步进光刻机(（对准）t/曝光系统)9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述刻蚀刻蚀e-e-R+Glow discharge(plasma)Gas distribution baffleHigh-frequency energyFlow of byproducts and process gasesAnode electrodeE
4、lectromagnetic fieldFree electronIon sheathChamber wallPositive ionEtchant gas entering gas inletRF coax cablePhotonWaferCathode electrodeRadical chemicalVacuum lineExhaust to vacuum pumpVacuum gaugee-9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述离子注入离子注入9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述离子注入离子注入9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述薄膜生长薄
5、膜生长9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述薄膜生长薄膜生长（金属化）（金属化）薄膜生长薄膜生长CVD Processing SystemCapacitive-coupled RF inputSusceptorHeat lamps WaferGas inletExhaustChemical vapor depositionProcess chamberCVD cluster toolFigure 9.7 9.2.1 硅片制造厂的分区概述硅片制造厂的分区概述抛光抛光9.3 CMOS制作步骤制作步骤1 1、双阱工艺、双阱工艺、双阱工艺、双阱工艺2 2 2 2、浅槽隔离工艺、浅槽隔离工
6、艺、浅槽隔离工艺、浅槽隔离工艺3 3、多晶硅栅结构工艺、多晶硅栅结构工艺、多晶硅栅结构工艺、多晶硅栅结构工艺4 4、轻掺杂漏（、轻掺杂漏（、轻掺杂漏（、轻掺杂漏（LDDLDD）注入）注入）注入）注入 工艺工艺工艺工艺5 5、侧墙的形成、侧墙的形成、侧墙的形成、侧墙的形成6 6、漏、漏、漏、漏/源注入工艺源注入工艺源注入工艺源注入工艺7 7、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂CMOSCMOS反相器，由反相器，由反相器，由反相器，由2 2个晶体管组成个晶体管组成个晶体管组成个晶体管组成一个一个一个一个nMOSnMOS和一个和一个和一个和一个pMOSpMOS，步骤如下：，步骤如下：，步骤如下：，步骤如下：8 8
7、、局部互连工艺、局部互连工艺、局部互连工艺、局部互连工艺9 9 9 9、通孔、通孔、通孔、通孔1 1 1 1和金属塞和金属塞和金属塞和金属塞1 1 1 1的形成的形成的形成的形成1010、金属、金属、金属、金属1 1互连的形成互连的形成互连的形成互连的形成1111、通孔、通孔、通孔、通孔2 2和金属塞和金属塞和金属塞和金属塞2 2的形成的形成的形成的形成1212、金属、金属、金属、金属2 2互连的形成互连的形成互连的形成互连的形成1313、制作到压点及合金的、制作到压点及合金的、制作到压点及合金的、制作到压点及合金的 金属金属金属金属3 31414、参数测试、参数测试、参数测试、参数测试9.3
8、 CMOS制作步骤制作步骤1双阱工艺双阱工艺定义定义定义定义MOSFETMOSFET有源区，双阱包括一个有源区，双阱包括一个有源区，双阱包括一个有源区，双阱包括一个n n阱和阱和阱和阱和p p阱。采用阱。采用阱。采用阱。采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性利用高能量、大利用高能量、大利用高能量、大利用高能量、大剂量的注入。随后的阱注入在相同区域进行，能量剂量剂量的注入。随后的阱注入在相同区域进行，能量剂量剂量的注入。随后的阱注入在相同区域进行，能量剂量剂量的注入。随后的阱注入在相同区域进行，能量剂量
9、都大幅度减小。都大幅度减小。都大幅度减小。都大幅度减小。形成形成形成形成n n阱的阱的阱的阱的5 5个主要步骤个主要步骤个主要步骤个主要步骤1 1、外延生长、外延生长、外延生长、外延生长2 2 2 2、初始氧化生长、初始氧化生长、初始氧化生长、初始氧化生长3 3、第一层掩膜，、第一层掩膜，、第一层掩膜，、第一层掩膜，n n阱注入阱注入阱注入阱注入4 4、n n阱注入（高能）阱注入（高能）阱注入（高能）阱注入（高能）5 5、退火、退火、退火、退火9.3 CMOS制作步骤制作步骤1双阱工艺双阱工艺闩锁效应：闩锁效应：闩锁效应：闩锁效应：由由由由NMOSNMOS的的的的有源区、有源区、有源区、有源区
10、、P P衬底、衬底、衬底、衬底、NN阱、阱、阱、阱、PMOSPMOS的有源区构成的的有源区构成的的有源区构成的的有源区构成的n-p-n-pn-p-n-p结构产生的，当结构产生的，当结构产生的，当结构产生的，当其中一个三极管正偏其中一个三极管正偏其中一个三极管正偏其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形时，就会构成正反馈形时，就会构成正反馈形时，就会构成正反馈形成闩锁。它的存在会使成闩锁。它的存在会使成闩锁。它的存在会使成闩锁。它的存在会使VDDVDD和和和和GNDGND之间形成一之间形成一之间形成一之间形成一低阻抗通路，产生大电低阻抗通路，产生大电低阻抗通路，产生大电低阻抗通路，产生大电流。流。
11、流。流。措施：措施：措施：措施：减小衬底和减小衬底和减小衬底和减小衬底和NN阱阱阱阱的寄生电阻。的寄生电阻。的寄生电阻。的寄生电阻。9.3 CMOS制作步骤制作步骤1双阱工艺双阱工艺9.3 CMOS制作步骤制作步骤1双阱工艺双阱工艺形成形成形成形成p p阱的阱的阱的阱的3 3个步骤：个步骤：个步骤：个步骤：1 1、第二层掩膜，、第二层掩膜，、第二层掩膜，、第二层掩膜，p p阱注入；阱注入；阱注入；阱注入；2 2、p p阱阱阱阱注入（高能）；注入（高能）；注入（高能）；注入（高能）；3 3、退火、退火、退火、退火9.3 CMOS制作步骤制作步骤2浅槽隔离工艺浅槽隔离工艺浅槽隔离工艺（浅槽隔离工艺
12、（浅槽隔离工艺（浅槽隔离工艺（STISTI，Shallow Trench isolationShallow Trench isolation）是一种）是一种）是一种）是一种在衬底上制作的晶体管有源区之间隔离区的一种可选工在衬底上制作的晶体管有源区之间隔离区的一种可选工在衬底上制作的晶体管有源区之间隔离区的一种可选工在衬底上制作的晶体管有源区之间隔离区的一种可选工艺。之前的隔离工艺是硅的局域氧化工艺（艺。之前的隔离工艺是硅的局域氧化工艺（艺。之前的隔离工艺是硅的局域氧化工艺（艺。之前的隔离工艺是硅的局域氧化工艺（LOCOSLOCOS）STISTI槽刻蚀槽刻蚀槽刻蚀槽刻蚀4 4个主要步骤：个主要步
13、骤：个主要步骤：个主要步骤：1 1、隔离氧化层、隔离氧化层、隔离氧化层、隔离氧化层 barrier oxidebarrier oxide2 2 2 2、氮化物淀积、氮化物淀积、氮化物淀积、氮化物淀积3 3、第三层掩膜，浅槽隔离、第三层掩膜，浅槽隔离、第三层掩膜，浅槽隔离、第三层掩膜，浅槽隔离4 4、STISTI槽刻蚀槽刻蚀槽刻蚀槽刻蚀9.3 CMOS制作步骤制作步骤2浅槽隔离工艺浅槽隔离工艺9.3 CMOS制作步骤制作步骤2浅槽隔离工艺浅槽隔离工艺STISTI氧化物填充的基本步骤：氧化物填充的基本步骤：氧化物填充的基本步骤：氧化物填充的基本步骤：1 1、沟槽衬垫氧化硅、沟槽衬垫氧化硅、沟槽衬垫
14、氧化硅、沟槽衬垫氧化硅(侧侧侧侧壁）壁）壁）壁）trench liner oxidetrench liner oxide；2 2 2 2、沟槽、沟槽、沟槽、沟槽CVDCVDCVDCVD氧化物填充氧化物填充氧化物填充氧化物填充9.3 CMOS制作步骤制作步骤2浅槽隔离工艺浅槽隔离工艺STISTI氧化物氧化层抛光氧化物氧化层抛光氧化物氧化层抛光氧化物氧化层抛光氧化物去除：氧化物去除：氧化物去除：氧化物去除：1 1、沟槽氧化、沟槽氧化、沟槽氧化、沟槽氧化物抛光（物抛光（物抛光（物抛光（CMPCMP）；）；）；）；2 2 2 2、氮化物去除（磷酸）、氮化物去除（磷酸）、氮化物去除（磷酸）、氮化物去除（
15、磷酸）9.3 CMOS制作步骤制作步骤3多晶硅栅结构工艺多晶硅栅结构工艺栅结构的制作是最关键的一步，包括栅氧的热氧化生长栅结构的制作是最关键的一步，包括栅氧的热氧化生长栅结构的制作是最关键的一步，包括栅氧的热氧化生长栅结构的制作是最关键的一步，包括栅氧的热氧化生长以及多晶硅栅的刻印和刻蚀，后者是整个集成电路工艺以及多晶硅栅的刻印和刻蚀，后者是整个集成电路工艺以及多晶硅栅的刻印和刻蚀，后者是整个集成电路工艺以及多晶硅栅的刻印和刻蚀，后者是整个集成电路工艺中物理尺度最小的结构，中物理尺度最小的结构，中物理尺度最小的结构，中物理尺度最小的结构，多晶硅栅的宽度多晶硅栅的宽度多晶硅栅的宽度多晶硅栅的宽度
16、通常是整个硅通常是整个硅通常是整个硅通常是整个硅片上最关键的片上最关键的片上最关键的片上最关键的CDCD线宽。线宽。线宽。线宽。多晶硅栅结构制作的多晶硅栅结构制作的多晶硅栅结构制作的多晶硅栅结构制作的4 4个主要步骤个主要步骤个主要步骤个主要步骤1 1、栅氧化层的生长、栅氧化层的生长、栅氧化层的生长、栅氧化层的生长2 2 2 2、多晶硅淀积、多晶硅淀积、多晶硅淀积、多晶硅淀积3 3、第四层掩膜，多晶硅栅、第四层掩膜，多晶硅栅、第四层掩膜，多晶硅栅、第四层掩膜，多晶硅栅4 4、多晶硅栅刻蚀、多晶硅栅刻蚀、多晶硅栅刻蚀、多晶硅栅刻蚀9.3 CMOS制作步骤制作步骤3多晶硅栅结构工艺多晶硅栅结构工艺
17、9.3 CMOS制作步骤制作步骤4轻掺杂漏注入工艺轻掺杂漏注入工艺随着栅的宽度不断缩小，栅结构下的沟道长度也不断缩随着栅的宽度不断缩小，栅结构下的沟道长度也不断缩随着栅的宽度不断缩小，栅结构下的沟道长度也不断缩随着栅的宽度不断缩小，栅结构下的沟道长度也不断缩小，这样增加了源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希小，这样增加了源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希小，这样增加了源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希小，这样增加了源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希望的漏电流。望的漏电流。望的漏电流。望的漏电流。每个晶体管经过两次注入每个晶体管经过两次注入每个晶体管经过两次注入每个晶体管经过两次注入第一次为轻掺杂
18、漏第一次为轻掺杂漏第一次为轻掺杂漏第一次为轻掺杂漏（LDDLDD）注入的浅注入，随后是中等或高剂量的源）注入的浅注入，随后是中等或高剂量的源）注入的浅注入，随后是中等或高剂量的源）注入的浅注入，随后是中等或高剂量的源/漏漏漏漏注入。注入。注入。注入。LDDLDD采用采用采用采用AsAs和和和和BFBF2 2，大质量掺杂材料有助于形成大质量掺杂材料有助于形成大质量掺杂材料有助于形成大质量掺杂材料有助于形成非晶态。非晶态。非晶态。非晶态。大质量材料和表面非晶态的结合有助于维持浅结，大质量材料和表面非晶态的结合有助于维持浅结，大质量材料和表面非晶态的结合有助于维持浅结，大质量材料和表面非晶态的结合有
19、助于维持浅结，也有助于减少漏源间的沟道漏电流。也有助于减少漏源间的沟道漏电流。也有助于减少漏源间的沟道漏电流。也有助于减少漏源间的沟道漏电流。9.3 CMOS制作步骤制作步骤4轻掺杂漏注入工艺轻掺杂漏注入工艺9.3 CMOS制作步骤制作步骤4轻掺杂漏注入工艺轻掺杂漏注入工艺9.3 CMOS制作步骤制作步骤5侧墙的形成侧墙的形成Sidewall spacerSidewall spacer用来环绕多晶硅栅，防止更大剂量的漏源用来环绕多晶硅栅，防止更大剂量的漏源用来环绕多晶硅栅，防止更大剂量的漏源用来环绕多晶硅栅，防止更大剂量的漏源注入过于接近沟道以致可能发生漏源串通。注入过于接近沟道以致可能发生漏
20、源串通。注入过于接近沟道以致可能发生漏源串通。注入过于接近沟道以致可能发生漏源串通。9.3 CMOS制作步骤制作步骤6源源/漏注入工艺漏注入工艺倒掺杂技术，用中等剂量的掺杂稍微超过倒掺杂技术，用中等剂量的掺杂稍微超过倒掺杂技术，用中等剂量的掺杂稍微超过倒掺杂技术，用中等剂量的掺杂稍微超过LDDLDD的结深，的结深，的结深，的结深，但比最初双阱掺杂的结深浅。但比最初双阱掺杂的结深浅。但比最初双阱掺杂的结深浅。但比最初双阱掺杂的结深浅。9.3 CMOS制作步骤制作步骤6源源/漏注入工艺漏注入工艺9.3 CMOS制作步骤制作步骤7接触孔的形成接触孔的形成目的在于在所有硅的有源区形成金属接触。大于目的
21、在于在所有硅的有源区形成金属接触。大于目的在于在所有硅的有源区形成金属接触。大于目的在于在所有硅的有源区形成金属接触。大于700700度时度时度时度时形成形成形成形成TiSiTiSi2 2，钛和二氧化硅不反应，无需掩膜可去掉钛。钛和二氧化硅不反应，无需掩膜可去掉钛。钛和二氧化硅不反应，无需掩膜可去掉钛。钛和二氧化硅不反应，无需掩膜可去掉钛。9.3 CMOS制作步骤制作步骤8局部互连工艺局部互连工艺晶体管和其它钛硅化物接触之间的金属连接线。首先要晶体管和其它钛硅化物接触之间的金属连接线。首先要晶体管和其它钛硅化物接触之间的金属连接线。首先要晶体管和其它钛硅化物接触之间的金属连接线。首先要求淀积一
22、层介质薄膜，接下来求淀积一层介质薄膜，接下来求淀积一层介质薄膜，接下来求淀积一层介质薄膜，接下来CMPCMP、patterningpatterning、EtchingEtching、tungsten depositiontungsten deposition，最后是金属抛光。，最后是金属抛光。，最后是金属抛光。，最后是金属抛光。9.3 CMOS制作步骤制作步骤8局部互连工艺局部互连工艺9.3 CMOS制作步骤制作步骤8局部互连工艺局部互连工艺9.3 CMOS制作步骤制作步骤9 9通孔通孔通孔通孔1 1和钨塞和钨塞和钨塞和钨塞1 1的形成的形成的形成的形成9.3 CMOS制作步骤制作步骤9 9通
23、孔通孔通孔通孔1 1和钨塞和钨塞和钨塞和钨塞1 1的形成的形成的形成的形成9.3 CMOS制作步骤制作步骤9 9通孔通孔通孔通孔1 1和钨塞和钨塞和钨塞和钨塞1 1的形成的形成的形成的形成Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering 多晶硅栅PolysiliconLI 钨连线Tungsten LI钨塞Tungsten plugMag.17,000 X9.3 CMOS制作步骤制作步骤1010第第第第1 1层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成硅表面淀积三硅表面淀积三硅表面淀积三硅表面淀积三-层金属膜，三明治结
24、构，构成多层金属层金属膜，三明治结构，构成多层金属层金属膜，三明治结构，构成多层金属层金属膜，三明治结构，构成多层金属叠加结构中的第一层。叠加结构中的第一层。叠加结构中的第一层。叠加结构中的第一层。9.3 CMOS制作步骤制作步骤1010第第第第1 1层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成42SEM显微照片显微照片 M1 over Tungsten ViasTiN metal capMag.17,000 XTungsten plugMetal 1,AlPhoto 9.5 9.3 CMOS制作步骤制作步骤1111通孔通孔通孔通孔2 2和钨塞和钨塞和钨塞和钨塞2 2的形成
25、的形成的形成的形成形成第二层层间介质形成第二层层间介质形成第二层层间介质形成第二层层间介质2 2和其上的通孔和其上的通孔和其上的通孔和其上的通孔2 2。利用介质材料填充间隙。利用介质材料填充间隙。利用介质材料填充间隙。利用介质材料填充间隙。SOG+SOG+反刻（反刻（反刻（反刻（etchbacketchback）和高浓）和高浓）和高浓）和高浓度等离子体化学气相淀积。度等离子体化学气相淀积。度等离子体化学气相淀积。度等离子体化学气相淀积。9.3 CMOS制作步骤制作步骤1111通孔通孔通孔通孔2 2和钨塞和钨塞和钨塞和钨塞2 2的形成的形成的形成的形成9.3 CMOS制作步骤制作步骤1111通孔
26、通孔通孔通孔2 2和钨塞和钨塞和钨塞和钨塞2 2的形成的形成的形成的形成9.3 CMOS制作步骤制作步骤1212第第第第2 2层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成9.3 CMOS制作步骤制作步骤1212第第第第2 2层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成层金属互连的形成9.3 CMOS制作步骤制作步骤1313金属金属金属金属3 3直到压焊点及合金直到压焊点及合金直到压焊点及合金直到压焊点及合金9.3 CMOS制作步骤制作步骤1313金属金属金属金属3 3直到压焊点及合金直到压焊点及合金直到压焊点及合金直到压焊点及合金9.3 CMOS制作步骤制作步骤14参数测试参数测试第九章第九章 作业（作业（P 208)n n2，3，4，6，11，15，16，17，18，19，24，n n25，26，27，30，31双极工艺举例双极工艺举例双极工艺举例双极工艺举例双极工艺举例双极工艺举例双极工艺举例双极工艺举例