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1、1,第四章 集成电路制造工艺概况,4.1 基本工艺介绍 4.2 CMOS技术发展历程简介 4.3 CMOS制作流程,2,MOS工艺流程中的主要制造步骤,3,4.1 基本工艺介绍,基本大类： 图形制备： 光刻 刻蚀 薄膜制备 掺杂,4,各个工艺的作用,光刻： 将电路图形转移到光刻胶上，形成临时图形。 刻蚀： 用化学或物理方法有选择性的从硅片表面去除不需要的材料的过程，在硅片上没有光刻胶保护的地方形成永久的图形；,5,各个工艺的作用,薄膜制备： 用化学或物理方法在硅片衬底上淀积一层膜的工艺，主要完成介质层与金属层的淀积。 主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积。 掺杂： 向特定区域掺入杂质
2、，以改变其电学性能。 主要包括扩散、离子注入。,6,硅片制造厂的硅片流程,7,CMOS 反相器,8,4.2 CMOS技术发展历程简介,20世纪60年代 -PMOS -扩散工艺作掺杂 -金属栅 20世纪70年代 -NMOS -离子注入工艺作掺杂 -多晶硅栅,9,10,-CMOS -Minimum feature size: from 3 mm to 0.8 mm -Wafer size: 100 mm (4 in) to 150 mm (6 in) -局部硅氧化 LOCOS（ LOCal Oxidation of Silicon ） -磷硅玻璃PSG和回流 -蒸发镀膜 -正胶光刻 -投影光刻机
3、-干法刻蚀和湿法刻蚀并存,20世纪80年代,11,20世纪80年代CMOS结构,12,-Feature size: from 0.8 mm to 0.18 mm -Wafer size: from 150 mm to 300 mm -外延 -浅槽隔离STI -侧墙环绕 -多晶硅栅 -正胶 -步进光刻机 -干法刻蚀形成图形 -湿法刻蚀用于薄膜的剥离,20世纪90年代的CMOS技术,13,-立式炉 -快速热处理 -直流溅射 -多层金属化 -CVD钨形成钨塞 -化学机械抛光CMP -多腔集系统 -单片处理,14,15,21世纪的CMOS技术,Feature size 0.13 mm or small
4、er Wafer size 200 mm or 300 mm 绝缘层上硅SOI（Silicon on isolator） STI 铜、低k介质互连 双大马士革结构,16,17,4.3 CMOS制作流程,本节目标： 1、理解每一步操作的目的，所采用的工艺手段。 2、能够自己设计工艺流程。,18,CMOS反相器的原理图,19,20,CMOS制作流程,双阱制作 隔离制作 晶体管制作 互连 钝化,21,CMOS制作流程,双阱制作 隔离制作 晶体管制作 互连 钝化,1.双阱工艺,2.浅槽隔离工艺,3.阈值电压调整 4.多晶硅栅结构工艺 5.轻掺杂漏（LDD）注入工艺 6.侧墙的形成 7.源/漏注入工艺,
5、8.接触的形成 9.多层金属互连的形成,10.钝化工艺,22,一.双阱工艺,CMOS集成电路要把NMOS和PMOS两种器件做在一个芯片上， 采用做阱的方法解决了需要两种类型衬底的问题。 单阱和双阱,23,24,双阱工艺步骤,1.n阱的形成 1）外延成长 2）清洗、氧化层生长 3）第一层掩模：N阱 4）N阱注入 2.p阱的形成 1）第二层掩模： P阱 2） P阱注入 3）去除光刻胶、氧化硅 4）退火,25,n阱的形成,外延成长,26,清洗、原氧化层生长,n阱的形成,27,第一层掩模：N阱,n阱的形成,28,N阱注入,n阱的形成,29,P阱的形成,第二层掩模： P阱,30,P阱注入,P阱的形成,3
6、1,去除光刻胶、氧化硅，退火,退火作用： 阱区推进；激活杂质； 修复损伤。,P阱的形成,32,二.浅槽隔离工艺（STI）,1.STI槽刻蚀 2.STI氧化物填充 3.氧化层CMP-氮化物去除,33,1.STI槽刻蚀 （1）隔离氧化层淀积 （2）氮化物淀积 （3）第三层掩模：浅槽隔离 （4）槽刻蚀 2.STI氧化物填充 （1）沟槽衬垫氧化硅 （2）沟槽氧化硅填充 3.氧化层CMP-氮化物去除 （1）氧化层CMP （2）氮化物、氧化物去除,浅槽隔离工艺（STI）,34,第三层掩模,STI槽刻蚀,35,刻蚀氮化硅、氧化硅、硅,STI槽刻蚀,36,（1）沟槽衬垫氧化硅（2）沟槽氧化硅填充,氧化物填充,
7、37,氧化层CMP,氧化层CMP-氮化物去除,38,氮化物、氧化物去除,氧化层CMP-氮化物去除,39,三.阈值电压调整,1.P阱阈值电压调整 （1）第四层掩模：N阱阈值电压调整 （2）离子注入 2.N阱阈值电压调整 （1）第五层掩模：P阱阈值电压调整 （2）离子注入,40,第四层掩模：P阱阈值电压调整,P阱阈值电压调整,41,磷原子注入,P阱阈值电压调整,42,第五层掩模：N阱阈值电压调整,N阱阈值电压调整,43,硼原子注入,N阱阈值电压调整,44,四.多晶栅结构工艺,1.清洗 2.栅氧化层生长 3.多晶硅淀积 4.第六层掩模：多晶硅栅刻蚀 5.多晶硅栅刻蚀,45,多晶硅栅制备,栅氧化层生长
8、、多晶硅淀积,46,第六层掩模：多晶硅栅刻蚀,多晶硅栅制备,47,多晶硅栅刻蚀,多晶硅栅制备,48,五.轻掺杂漏工艺（LDD）,1.N阱轻掺杂漏注入 （1）第七层掩模：N阱轻掺杂漏LDD （2）N阱LDD注入 2.P阱轻掺杂漏注入 （1）第八层掩模： P阱轻掺杂漏LDD （2）P阱LDD注入,49,N阱轻掺杂漏注入,第七层掩模：N阱轻掺杂漏LDD,50,N阱LDD注入,N阱轻掺杂漏注入,51,P阱轻掺杂漏注入,第八层掩模： P阱轻掺杂漏LDD,52,P阱LDD注入,P阱轻掺杂漏注入,53,六.侧墙的形成,作用：环绕多晶硅，防止源漏注入过于接近沟可能发生源漏穿通。 1.淀积氧化硅 2.氧化硅反刻
9、,54,侧墙的形成,淀积氧化硅,55,氧化硅反刻,侧墙的形成,56,七.源/漏注入工艺,1.n+源/漏注入 （1）第九层掩模：n+源漏注入 （2）n+源漏注入 2.p+源/漏注入 （1）第十层掩模： p+源漏注入 （2）p+源漏注入 （3）退火,57,源区和漏区的形成,第九层掩模：n+源漏注入,58,n+源漏注入,源区和漏区的形成,59,第十层掩模： p+源漏注入,源区和漏区的形成,60,p+源漏注入,源区和漏区的形成,61,八.接触与局部互连的形成,接触的形成 1.钛的淀积 2.退火 3.刻蚀金属钛,62,接触的形成,钛的淀积,63,退火,接触的形成,64,刻蚀金属钛,接触的形成,65,接触
10、的形成,66,局部互连的形成,大马士革结构 1.形成局部互连氧化硅介质 2.制作局部互连金属,67,1.形成局部互连氧化硅介质 1）氮化硅淀积 2）氧化硅淀积 3）氧化硅CMP 4）第十一层掩膜，接触孔刻蚀 5）接触孔刻蚀,局部互连的形成,68,氮化硅、氧化硅淀积,局部互连的形成,69,氧化硅CMP,局部互连的形成,70,第十一层掩模：接触孔刻蚀,局部互连的形成,71,接触孔刻蚀,局部互连的形成,72,2.制作局部互连金属 1）金属钛淀积 2）氮化钛淀积 3）钨淀积 4）磨抛钨,局部互连的形成,73,钛、氮化钛、钨淀积,局部互连的形成,74,磨抛钨,局部互连的形成,75,九.多层金属互连的形成
11、,四层金属层 三明治结构三层金属薄膜 金属层形成 通孔和钨塞的形成,76,1）金属钛阻挡层 2）淀积铝铜合金 3）淀积氮化钛 4）第十二层掩模：第一层金属刻蚀 5）第一层金属刻蚀,第一层金属互连形成,77,第一层金属互连的形成,淀积钛、铝铜合金、氮化钛,78,第十二层掩模：第一层金属刻蚀,第一层金属互连的形成,79,第一层金属刻蚀,第一层金属互连的形成,80,第一层层间介质和通孔的形成： 1）氧化层淀积 2）氧化层CMP 3）第十三层掩模：通孔刻蚀 4）通孔刻蚀 5）钨塞制作,通孔1和钨塞1的形成,81,氧化层淀积、氧化层CMP,通孔1和钨塞1的形成,82,第十三层掩模：通孔刻蚀,通孔1和钨塞
12、1的形成,83,通孔刻蚀,通孔1和钨塞1的形成,84,钨塞制作,通孔1和钨塞1的形成,85,1）金属钛阻挡层 2）淀积铝铜合金 3）淀积氮化钛 4）第十四层掩模：第二层金属刻蚀 5）第一层金属刻蚀,第二层金属互连形成,86,第二层金属淀积,第二层金属互连形成,87,第十四层掩模：第二层金属刻蚀,第二层金属互连形成,88,第二层金属刻蚀,第二层金属互连形成,89,1）氧化层淀积 2）氧化层CMP 3）第十五层掩模：通孔刻蚀 4）通孔刻蚀,通孔2和钨塞2的形成,90,第二层层间介质淀积,通孔2和钨塞2的形成,91,第十五层掩模：通孔刻蚀,通孔2和钨塞2的形成,92,通孔刻蚀,通孔2和钨塞2的形成,
13、93,通孔2和钨塞2的形成,钨塞制作,94,1）金属钛阻挡层 2）淀积铝铜合金 3）淀积氮化钛 4）第十六层掩模：第三层金属刻蚀 5）第一层金属刻蚀,第三层金属互连形成,95,第三层金属淀积,第三层金属互连形成,96,第十六层掩模：第三层金属刻蚀,第三层金属互连形成,97,第三层金属刻蚀,第三层金属互连形成,98,1）氧化层淀积 2）氧化层CMP 3）第十七层掩模：通孔刻蚀 4）通孔刻蚀,通孔3和钨塞3的形成,99,第三层层间介质淀积,通孔3和钨塞3的形成,100,第十七层掩模：通孔刻蚀,通孔3和钨塞3的形成,101,通孔刻蚀,通孔3和钨塞3的形成,102,1）金属钛阻挡层 2）淀积铝铜合金 3）淀积氮化钛 4）第十八层掩模：第四层金属刻蚀 5）第四层金属刻蚀,第四层金属互连形成,103,第四层金属淀积,第四层金属互连形成,104,第十八层掩模：第四层金属刻蚀,第四层金属互连形成,105,第四层金属刻蚀,第四层金属互连形成,106,十.钝化淀积,107,第十八层掩模：压点刻蚀,108,压点刻蚀,109,