COMSIC工艺流程实用实用教案

1、目目 标标通过本章的学习，将能够：通过本章的学习，将能够：1.画出典型的亚微米画出典型的亚微米 CMOS IC 制造流程图；制造流程图；2.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(md)；4.讨论每一步讨论每一步 CMOS 制造流程的关键工艺。制造流程的关键工艺。 第1页/共32页第一页，共33页。CMOS工艺流程工艺流程(n y li chn)中的中的主要制造步骤主要制造步骤Figure 9.1 Oxidation(Field oxide)Silicon substrateSilicon dioxideoxygenPhotoresistDevelopoxid

2、ePhotoresistCoatingphotoresistMask-WaferAlignment and ExposureMaskUV lightExposed PhotoresistexposedphotoresistSDActive RegionsSDsilicon nitrideNitrideDepositionContact holesSDGContactEtchIon ImplantationDGScanning ion beamSMetal Deposition and EtchdrainSDGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysil

3、iconSilane gasDopant gasOxidation(Gate oxide)gate oxideoxygenPhotoresistStripoxideRF PowerIonized oxygen gasOxideEtchphotoresistoxideRF Power Ionized CF4 gasPolysiliconMask and EtchRF PowerIonized CCl4 gaspoly gateRF Power第2页/共32页第二页，共33页。1. 双井工艺2. 浅槽隔离工艺 3. 多晶硅栅结构工艺4. 轻掺杂漏(LDD)注入工艺5. 侧墙的形成 6. 源/漏（S

4、/D）注入工艺7. 接触( jich)孔的形成8. 局部互连工艺9. 通孔1和金属塞1的形成10.金属1互连的形成11.通孔2和金属2的形成12.金属2互连的形成13.制作金属3、压点及合金14.参数测试Passivation layerBonding pad metalp+ Silicon substrateLI oxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4Poly gatep- Epitaxial layerp+ILD-6LI metalViap+p+n+n+n+2314567891011121314CMOS 制作制作

5、(zhzu)步骤步骤 第3页/共32页第三页，共33页。一、双井工艺一、双井工艺n-well Formation 1）外延生长）外延生长2）厚氧化生长）厚氧化生长 保护外延层免受污染；保护外延层免受污染；阻止阻止(zzh)了在注入过程中对硅片了在注入过程中对硅片的过渡损伤；作为氧化物屏蔽层，有的过渡损伤；作为氧化物屏蔽层，有助于控制注入过程中杂质的注入深度。助于控制注入过程中杂质的注入深度。3）第一层掩膜）第一层掩膜4）n井注入（高能）井注入（高能）5）退火）退火312PhotoImplantDiffusion4PolishEtch5Thin Films5 um(Dia = 200 mm, 2

6、 mm thick)PhotoresistPhosphorus implant312p+ Silicon substratep- Epitaxial layerOxide5n-well4Figure 9.8 第4页/共32页第四页，共33页。p-well Formation1）第二层掩膜）第二层掩膜2） P井注入井注入(高能高能(gonng)3）退火）退火Thin Films312PhotoImplantDiffusionPolishEtchp+ Silicon substrateBoron implantPhotoresist1p- Epitaxial layerOxide3n-well2p

7、-wellFigure 9.9 第5页/共32页第五页，共33页。二、浅曹隔离工艺二、浅曹隔离工艺STI 槽刻蚀槽刻蚀1）隔离氧化）隔离氧化(ynghu)层层2）氮化物淀积）氮化物淀积3）第三层掩膜，浅曹隔离）第三层掩膜，浅曹隔离4）STI槽刻蚀槽刻蚀（氮化硅的作用：坚固的掩膜材料，有（氮化硅的作用：坚固的掩膜材料，有助于在助于在STI氧化氧化(ynghu)物淀积过程物淀积过程中保护有源区；在中保护有源区；在CMP中充当抛光的阻中充当抛光的阻挡材料。）挡材料。）Thin Films12PhotoPolishEtchImplantDiffusion34+IonsSelective etching

8、 opens isolation regions in the epi layer.p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-well3Photoresist2Nitride41OxideSTI trenchFigure 9.10 第6页/共32页第六页，共33页。STI Oxide Fill1）沟槽）沟槽(u co)衬垫氧化硅衬垫氧化硅2）沟槽）沟槽(u co)CVD氧化物填充氧化物填充12DiffusionPolishEtchPhotoImplantThin Filmsp-wellTrench fill by chemical vapor

9、deposition1Liner oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layern-well2NitrideTrench CVD oxideOxideFigure 9.11 第7页/共32页第七页，共33页。STI Formation1）浅曹氧化物抛光（化学）浅曹氧化物抛光（化学(huxu)机械抛光）机械抛光）2）氮化物去除）氮化物去除Thin Films12DiffusionEtchPhotoImplantPolishp-well12Planarization by chemical-mechanical polishingSTI oxide afte

10、r polishLiner oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellNitride stripFigure 9.12 第8页/共32页第八页，共33页。三、三、Poly Gate Structure Process 晶体管中栅结构的制作是流程当中晶体管中栅结构的制作是流程当中最关键的一步，因为它包含了最薄的栅最关键的一步，因为它包含了最薄的栅氧化层的热生长以及多晶硅栅的形成，氧化层的热生长以及多晶硅栅的形成，而后者是整个集成电路而后者是整个集成电路(jchng-dinl)工艺中物理尺度最小的结构。工艺中物理尺度最小的结构。1）栅氧化层的

11、生长）栅氧化层的生长2）多晶硅淀积）多晶硅淀积3）第四层掩膜，多晶硅栅）第四层掩膜，多晶硅栅4）多晶硅栅刻蚀）多晶硅栅刻蚀Thin Films12DiffusionEtchPhotoImplantPolish34p+ Silicon substrateGate oxide12p- Epitaxial layern-wellp-wellPolysilicon depositionPoly gate etch43Photoresist ARCFigure 9.13 第9页/共32页第九页，共33页。四、轻掺杂；漏注入工艺四、轻掺杂；漏注入工艺 随着栅的宽度不断减小，栅下的沟随着栅的宽度不断减小，栅

12、下的沟道长度也不断减小。这就增加道长度也不断减小。这就增加(zngji)源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希望的沟道漏电流。望的沟道漏电流。LDD工艺就是为了减工艺就是为了减少这些沟道漏电流的发生。少这些沟道漏电流的发生。 n- LDD Implant1）第五层研磨）第五层研磨2） n-LDD注入（低能量，浅结）注入（低能量，浅结）Thin Films12DiffusionEtchPhotoImplantPolishp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-welln-n-n-1Photoresist maskA

13、rsenic n- LDD implant2Figure 9.14 第10页/共32页第十页，共33页。p- LDD Implant1）第六层掩膜）第六层掩膜2）P- 轻掺杂漏注入轻掺杂漏注入(zh r)（低能量，浅结）（低能量，浅结）12DiffusionEtchPhotoImplantPolishThin Filmsp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellPhotoresist Mask1p-p-Photoresist mask1n-n-2BF p- LDD implant2p-n-Figure 9.15 第11页/共32页第十一

14、页，共33页。五、侧墙的形成五、侧墙的形成 侧墙用来环绕多晶硅栅，防止侧墙用来环绕多晶硅栅，防止更大剂量的源漏（更大剂量的源漏（S/D）注入过于）注入过于接近沟道以致可能发生接近沟道以致可能发生(fshng)的源漏穿通。的源漏穿通。1）淀积二氧化硅）淀积二氧化硅2）二氧化硅反刻）二氧化硅反刻12DiffusionEtchPhotoImplantPolishThin Films+Ionsp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellp-p-1Spacer oxideSide wall spacer2Spacer etchback by ani

15、sotropic plasma etcherp-n-n-n-Figure 9.16 第12页/共32页第十二页，共33页。六、源六、源/漏注入漏注入(zh r)工艺工艺n+ Source/Drain Implant1）第七层掩膜）第七层掩膜2）n+源源/漏注入漏注入(zh r)Thin Films12DiffusionEtchPhotoImplantPolishp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-welln+Arsenic n+ S/D implant2Photoresist mask1n+n+Figure 9.17 第13页/共32页第

16、十三页，共33页。p+ Source/Drain Implant1)第八层掩膜第八层掩膜2）P源漏注入（中等源漏注入（中等(zhngdng)能量）能量）3）退火）退火12DiffusionEtchPhotoPolishThin FilmsImplant3Boron p+ S/D implant2p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellPhotoresist Mask11Photoresist maskn+p+p+n+n+p+Figure 9.18 第14页/共32页第十四页，共33页。七、接触（孔）的形成七、接触（孔）的形成钛金属接触

17、的主要步骤钛金属接触的主要步骤(bzhu)1）钛的淀积）钛的淀积2）退火）退火3）刻蚀金属钛）刻蚀金属钛Thin Films12DiffusionEtchPhotoImplantPolish32Tisilicide contact formation (anneal)Titanium etch3Titanium depostion1n+p+n-wellp+n+p-welln+p+p- Epitaxial layerp+ Silicon substrateFigure 9.19 第15页/共32页第十五页，共33页。八、局部八、局部(jb)互连工艺互连工艺LI 氧化硅介质的形成氧化硅介质的形成1

18、）氮化硅化学气相淀积）氮化硅化学气相淀积2）掺杂氧化物的化学气相淀积）掺杂氧化物的化学气相淀积3）氧化层抛光（）氧化层抛光（CMP）4）第九层掩膜，局部）第九层掩膜，局部(jb)互连互连刻蚀刻蚀1Nitride CVDp-wellp-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrateLI oxide2Doped oxide CVD4 LI oxide etchOxide polish3DiffusionEtchPhotoImplantPolish3421Thin FilmsFigure 9.21 第16页/共32页第十六页，共33页。LI 金属金属(jnsh)

19、的形成的形成1) 金属金属(jnsh)钛淀积（钛淀积（PVD工艺）工艺）2）氮化钛淀积）氮化钛淀积3）钨淀积）钨淀积4）磨抛钨）磨抛钨(化学机械工艺平坦化化学机械工艺平坦化)Thin FilmsDiffusionPhotoImplant3214EtchPolishn-wellLI tungsten polishTungsten depositionTi/TiN deposition234LI oxideTi deposition1p-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrateFigure 9.22 第17页/共32页第十七页，共33页。作为作为(zuw

20、i)嵌入嵌入LI金属的介质的金属的介质的LI氧化硅氧化硅LI metalLI oxide第18页/共32页第十八页，共33页。九、通孔九、通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成(xngchng)通孔通孔1 形成形成(xngchng)1）第一层层间介质氧化物淀积）第一层层间介质氧化物淀积2）氧化物磨抛）氧化物磨抛3）第十层掩膜，第一层层间介质）第十层掩膜，第一层层间介质刻蚀刻蚀DiffusionEtchPhotoImplantPolish321Thin FilmsOxide polishILD-1 oxide etch(Via-1 formation)23LI oxideILD-1 oxide dep

21、osition1ILD-1p-welln-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrateFigure 9.23 第19页/共32页第十九页，共33页。钨塞钨塞1 的形成的形成(xngchng)1）金属淀积钛阻挡层（）金属淀积钛阻挡层（PVD）2）淀积氮化钛（）淀积氮化钛（CVD）3）淀积钨（）淀积钨（CVD）4）磨抛钨）磨抛钨Thin FilmsDiffusionPhotoImplant3214EtchPolishTungsten polish (Plug-1)TungstendepositionTi/TiN deposition234LI oxideTi

22、 dep.1ILD-1p-welln-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substrateFigure 9.24 第20页/共32页第二十页，共33页。多晶硅、钨多晶硅、钨 LI 和钨塞的和钨塞的SEM显微照片显微照片 PolysiliconTungsten LITungsten plugMag. 17,000 XPhoto 9.4 第21页/共32页第二十一页，共33页。十、第一层金属十、第一层金属(jnsh)互连的形成互连的形成1）金属）金属(jnsh)钛阻挡层淀积（钛阻挡层淀积（PVD）2）淀积铝铜合金（）淀积铝铜合金（PVD）3）淀积氮化钛（）淀积氮化钛

23、（PVD）4）第十一层掩膜，金属）第十一层掩膜，金属(jnsh)刻蚀刻蚀2341TiN depositionAl + Cu (1%)depositionTi DepositionLI oxideILD-1Metal-1 etchp-welln-wellp- Epitaxial layerp+ Silicon substratePhotoEtchDiffusionImplant4132PolishThin FilmsFigure 9.25 第22页/共32页第二十二页，共33页。第一套钨通孔上第一层金属第一套钨通孔上第一层金属(jnsh)的的SEM显微照片显微照片Micrograph court

24、esy of Integrated Circuit EngineeringTiN metal capMag. 17,000 XTungsten plugMetal 1, AlPhoto 9.5 第23页/共32页第二十三页，共33页。4p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellLI oxideILD-1Oxide polishILD-2 gap fill132ILD-2 oxide depositionILD-2 oxide etch(Via-2 formation)PhotoEtchPolishDiffusionImplant4231

25、Thin Films十一、通孔十一、通孔2和钨塞和钨塞2的形成的形成制作通孔制作通孔2的主要步骤的主要步骤1）ILD-2间隙间隙(jin x)填充填充2）ILD-2氧化物淀积氧化物淀积3）ILD-2氧化物平坦化氧化物平坦化4）第十二层掩膜，）第十二层掩膜，ILD-2刻蚀刻蚀Figure 9.26 第24页/共32页第二十四页，共33页。制作第二层钨塞的主要制作第二层钨塞的主要(zhyo)步骤步骤1）金属淀积钛阻挡层）金属淀积钛阻挡层(PVD)2）淀积氮化钛）淀积氮化钛(CVD)3）淀积钨（）淀积钨（CVD）4）磨抛钨）磨抛钨LI oxideTungsten deposition (Plug-2

26、)Ti/TiN deposition23Ti deposition1ILD-1ILD-2p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellTungstenpolish4Thin FilmsDiffusionPhotoImplant3214EtchPolishFigure 9.27 第25页/共32页第二十五页，共33页。第一套钨通孔上第一层金属第一套钨通孔上第一层金属(jnsh)的的SEM显微照片显微照片Micrograph courtesy of Integrated Circuit EngineeringTiN metal capMag.

27、17,000 XTungsten plugMetal 1, Al第26页/共32页第二十六页，共33页。十二、第二层金属互连的形成十二、第二层金属互连的形成(xngchng)1）淀积、刻蚀金属）淀积、刻蚀金属22）填充第三层层间介质间隙）填充第三层层间介质间隙3）淀积、平坦化）淀积、平坦化ILD-3氧化物氧化物4）刻蚀通孔）刻蚀通孔3，淀积钛，淀积钛/氮化钛、钨，平坦化氮化钛、钨，平坦化p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellGap fill3Via-3/Plug-3 formationMetal-2 depositionto etc

28、hILD-3 oxidepolish214LI oxideILD-1ILD-2ILD-3Figure 9.28 第27页/共32页第二十七页，共33页。十三、制作第三层金属直到十三、制作第三层金属直到(zhdo)制作压点和合金制作压点和合金 重复工艺制作第三层和第四层金属后，完成第四层金属的刻蚀，紧接着利重复工艺制作第三层和第四层金属后，完成第四层金属的刻蚀，紧接着利用薄膜工艺淀积第五层层间介质氧化物（用薄膜工艺淀积第五层层间介质氧化物（ILD-5）(见下图见下图)。由于所刻印的结构。由于所刻印的结构比先前工艺中形成的比先前工艺中形成的0.25m尺寸要大很多，所以这一层介质不需要化学机械抛尺寸要大很多，所以这一层介质不需要化学机械抛光。光。 工艺的最后一步包括再次生长二氧化硅层（第六层层间介质）以及随后工艺的最后一步包括再次生长二氧化