CMOS的制造流程

1、CMO反相器的制造工藝流程院系：交通科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)號(hào)：姓名：姬勃2013年12月9日摘 要：雖然集成電路制造工藝在快速發(fā)展，但始終都是以幾 種主要的制造工藝為基礎(chǔ)。文章介紹了CMOS反相器的主要工藝流程，并對(duì)集成電路的主要制造工藝作了簡(jiǎn)要分析。關(guān)鍵詞：CMO反相器、工作原理、工藝流程1.1 CMO反相器介紹CMO反相器由一個(gè)P溝道增強(qiáng)型MOS管和一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS 管串聯(lián)組成。通常P溝道管作為負(fù)載管，N溝道管作為輸入管。 這種配置可以大幅降低功耗，因?yàn)樵趦煞N邏輯狀態(tài)中，兩個(gè)晶體 管 中的一個(gè)總是截止的。處理速率也能得到很好的提高，因?yàn)?與NMO型和PMO型反相器相比，CMO反相器的電阻

2、相對(duì)較低 工作原理兩個(gè)MOS管的開啟電壓 VsS(th)P<0，V GS(th)N >0，通常為了保 證正常工作，要求Vdd>|V GS(th)P |+V GS(th)N。 若輸入VI為低電平(如0V)，則負(fù)載管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近Vddo若輸入VI為高電平(如VD)，則輸入管導(dǎo)通，負(fù)載管截止，輸出電壓接近0V。綜上所述，當(dāng)VI為低電平時(shí)Vo為高電平；VI為高電平時(shí)Vo為低電平，電路實(shí)現(xiàn)了非邏輯運(yùn)算，是非門一一反相器CMOS的制造流程CMOS是集成電路的最基本單元，它的制作流程可分為前段和后段，前段流程主要完成元件的制作，包括組件隔離區(qū)的形成、阱的植入、柵極的制成、

3、LDD的植入、源極和漏極的制成。后段流程主要完成元件之間的互連，包括第一層金 屬的制成、第二層金屬的制成、保護(hù)層和焊墊的制成。以微米制程為例，具體分為以下步驟。組件隔離區(qū)的形成1.初始清洗 初始清洗就是將晶圓放入清洗槽中，利用化學(xué)或物理的 方法將在晶圓表面的塵粒，或雜質(zhì)去除，防止這些雜質(zhì)塵粒，對(duì)后續(xù)的制程造成影響，使得組件無(wú)法正常工作。表 是半導(dǎo)體制程中所用到的標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟。表 半導(dǎo)體制程中所用到的標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟步 驟化學(xué)溶劑清洗溫 度清除之污染物1HSO+HO (4:1)120C有機(jī)污染物2Water室溫洗清3NHOH+2O+HO8090 C微塵4Water室溫洗清5HCL+IO+HO(1:1

4、:5)8090 C金屬離子6Water室溫洗清7HF+bO (1:50)室溫原生氧化層8Water室溫洗清2.前置氧化圖 為前置氧化示意圖。先長(zhǎng)一層薄薄的二氧化硅，目的是為了降低后續(xù) 制程中的應(yīng)力，因?yàn)橐诰A的表面形成一層厚的氮化硅，而氮化硅具有很強(qiáng) 的 應(yīng)力，會(huì)影響晶圓表面的結(jié)構(gòu)，因此在這一層氮化硅及硅晶圓之間，加入一 層二氧化硅減緩氮化硅的應(yīng)力，因?yàn)榈杈哂欣Χ趸杈哂袕埩Γ?此加入一層二氧化硅可以平衡掉硅晶圓表面的應(yīng)力。圖前置氧化3 沉積氮 化硅圖 為沉積氮化硅示意圖。利用 PECVD的技術(shù)沉積氮化硅，用來(lái)隔絕氧氣 與硅的接觸，以定義出組件隔離的區(qū)域，使不被氮化硅所覆蓋的區(qū)域

5、，被氧化 而形成組件隔離區(qū)。離子布植-離子布植是將所需的注入兀素（如砷）電離成正離子，并使其獲 得 所需的能量，以很快的速度射入硅芯片的技術(shù)。而這個(gè)固體材料主要是由原 子核和電子組成的。圖沉積氮化硅4. 組件隔離區(qū)的光罩形成圖是組件隔離區(qū)的光罩形成示意圖，利用微影的技術(shù)，上光阻，將要氧化絕緣的區(qū)域的光阻去除，而定義出組件隔離區(qū)。圖組件隔離區(qū)的光罩形成5. 氮化硅的蝕刻圖是氮化硅的蝕刻示意圖，將需要氧化區(qū)域的氮化硅利用活性離子蝕刻法去除。接著再將光阻去除。圖 氮化硅的蝕刻6. 元件隔離區(qū)的氧化圖是元件隔離區(qū)的氧化示意圖，利用氧化技 術(shù)，在組件隔離區(qū)長(zhǎng)成一層厚厚的二氧化硅，形成組件的隔離區(qū)。注：氧

6、化-二氧化硅（SiO2）的制作方法有:1.熱氧化法；2.沉積法；3.陽(yáng)極氧化法；4.氧離子注入氧化法。其中較常用的熱氧化法又可分為1.干氧化法; 2.濕氧化法；3.純水氧化法；4.摻氯氧化法。而濕氧化法又有普通濕氧氧化法及氫氧合成濕氧化法。圖元件隔離區(qū)的氧化7.去除氮化硅圖是去除氮化硅示意圖，利用活性離子蝕刻技術(shù)將氮化硅去除。圖去除氮化硅阱的植入型阱的形成圖是N型阱的形成示意圖，將光阻涂在芯片上之后，利用微影技術(shù)，將 所要形成的N型阱區(qū)域的圖形定義出來(lái)，即將所要定義的N型阱區(qū)域的光阻去 除掉。利用離子布植的技術(shù)，將磷打入晶圓中，形成N型阱。圖N型阱的形成型阱的形成圖是P型阱的形成示意圖，將光阻

7、涂在芯片上之后，利用微影技術(shù)，將 所要形成的P型阱區(qū)域的圖形定義出來(lái)，即將所要定義的 P型阱區(qū)域的光阻 去 除掉。利用離子布植的技術(shù)，將硼打入晶圓中，形成P型阱。接著再利用有機(jī)溶 劑將光阻去除。圖P型阱的形成3.退火及氧化層的形成圖是退火及氧化層的形成示意圖，離子布植之后會(huì)嚴(yán)重地破壞了晶格的完整性。所以，摻雜離子布植之后的晶圓必須經(jīng)過(guò)合理的退火。退火就 是利用 各種形式的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量來(lái)消除晶圓中晶格缺陷和內(nèi)應(yīng)力，以恢復(fù) 晶格的完整性。同時(shí)使使注入雜質(zhì)原子進(jìn)入到替代位置而有效的活化加入的雜 質(zhì)。圖退火及氧化層的形成4.去除二氧化硅 圖是去除二氧化硅示意圖，利用濕式蝕刻的方法將芯片表面的二氧化

8、硅予以去除圖 去除二氧化硅柵極的制成1. 柵極(gate)氧化層的形成圖 是柵極(gate)氧化層的形成示意圖，利用熱氧化形成良好品質(zhì)的二氧化硅，作為柵極的氧化層，此道步驟為制作CMOS的關(guān)鍵步驟。圖 柵極(gate)氧化層的形成2.多晶硅的沉積圖 是多晶硅的沉積示意圖，利用 LPCVD的技術(shù)沉積多晶硅在晶圓表面, 以達(dá)到在閘極的區(qū)域有好的電性接觸點(diǎn)。注：LPCVD-低壓化學(xué)氣相沉積。低壓化學(xué)氣相沉積是在爐管中完成的，是 將氣體反應(yīng)物通入爐管中，加以反應(yīng)形成所需的物質(zhì)在芯片上。圖多晶硅的沉積3 柵極光罩的形成 圖 是柵極光罩的形成示意圖，先上光阻，再利用微影技術(shù)將柵極的區(qū)域定義出來(lái)圖柵極光罩的

9、形成4.活性離子蝕刻圖是活性離子蝕刻示意圖，利用活性離子蝕刻將柵 極區(qū)域以外，再用LPCVD所成長(zhǎng)的多晶硅及在形成柵極時(shí)所生長(zhǎng)的二氧化硅給蝕刻。圖活性離子蝕刻5. 熱氧化圖是熱氧化示意圖，利用氧化技術(shù)，在晶圓表面形成一層氧化層。圖熱氧化LDD的植入植入圖 是NLDD植入示意圖。首先上光阻，利用微影技術(shù)將 NMOS的源 極 及漏極區(qū)域的光罩形成之后,在NMOS的源極和漏極(source and drain) 植入 一層很薄的LDD,然后去光阻。注：在次微米MOS中要用低摻雜漏極(LDD來(lái)抑制熱載流子效應(yīng)，因?yàn)?熱載流子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致元件劣化且影響晶片的可靠度。LDD為高濃度的sourceand dr

10、ain提供了一個(gè)擴(kuò)散緩沖層，抑制了熱載流子效應(yīng)。圖 NLDD植入3. PLDD植入圖是PLDD植入示意圖，首先上光阻，利用微影技術(shù)將 PMOS的源極及漏極區(qū)域的光罩形成之后，.在PMOS的源極和漏極同樣植入一層很薄的LDD 然后去光阻。圖PLDD植入源極及漏極的形成1.沉積氮化硅 圖 是沉積氮化硅示意圖，用化學(xué)氣相沉積方法沉積一層氮化硅圖 沉積氮化硅2.蝕刻氮化硅圖 是蝕刻氮化硅示意圖，蝕刻掉氮化硅，但會(huì)在側(cè)壁留下一些殘余物，被稱為spacer。圖 蝕刻氮化硅的源極及漏極區(qū)域制成圖是NMOS的源極及漏極區(qū)域制成示意圖，首先上光阻，利用微影技術(shù)將NMOS勺源極及漏極區(qū)域的光罩形成之后，再利用離子

11、布植技術(shù)將砷元素打 入源極及漏極的區(qū)域，接著做退火的處理圖NMOS的源極及漏極區(qū)域制成的源極及漏極的制成PMOS 的再利用離圖 是PMOS的源極及漏極的制成示意圖，首先利用微影技術(shù)將源 極及漏極區(qū)域的光罩形成(p-channel Source/Drain Mask)之后,子布 植的技術(shù)將硼元素打入源極及漏極的區(qū)域。圖PMOS的源極及漏極的制成5.沉積Ti并形成TiSi 2圖 是沉積Ti并形成TiSi 2示意圖，Ti在高溫下與Si反應(yīng)生成TiSi 2圖 沉積Ti并形成TiSi2的蝕刻圖是Ti的蝕刻示意圖，把柵極側(cè)壁的Ti蝕刻掉圖Ti 的蝕刻第一層互連的制作1.沉積含硼磷的氧化層（BPSG圖是沉積

12、含硼磷的氧化層（BPSG示意圖，由于加入硼磷的氧化層熔點(diǎn)會(huì)比較低，當(dāng)其加熱后會(huì)有些微流動(dòng)的性質(zhì)，所以可以利用其來(lái)做初級(jí)平坦化。圖沉積含硼磷的氧化層（BPSG2.第一層接觸金屬之接觸洞之形成圖 是第一層接觸金屬之接觸洞之形成示意圖，上光阻之后，利用微影技術(shù)將第一層接觸金屬的光罩形成。再利用活性離子蝕刻將接觸點(diǎn)上的材料去掉 （Co ntact RIE Etch），去掉光阻，再將晶圓放置于加熱爐管中，升高溫度，使ASG產(chǎn)生些微的流動(dòng)，即初級(jí)平坦化。圖第一層接觸金屬之接觸洞之形成3形成TiN層圖 是形成TiN層示意圖，利用濺鍍的技術(shù)，濺鍍上一層TiN圖 形成TiN層4 沉積鎢圖 是沉積鎢示意圖，沉積鎢

13、并添滿接觸洞，然后用 CMP（化學(xué)機(jī)械研磨）的方法去掉表面的鎢。圖 沉積鎢5.第一層金屬的制成圖是第一層金屬的制成示意圖，利用濺鍍的技術(shù)，濺鍍上一層鋁金屬但在鋁的上下表面也要做 Ti/TiN 層。圖第一層金屬的制成6.第一層金屬的蝕刻圖 是第一層金屬的蝕刻示意圖，利用微影技術(shù)，定義出第一層金屬的光罩。接著將鋁金屬利用化學(xué)蝕刻的技術(shù)，將不要的部份去除。圖第一層金屬的蝕刻1.1.7第二層互連的制成1. 沉積第一層介電膜（IMD1）圖 是沉積IMD1示意圖，沉積一層介電膜（IMD）主要成分是硅玻璃然后用化學(xué)機(jī)械研磨的方法做表面平坦化處理。圖 沉積IMD12 第二層接觸金屬連接線形成圖 是第二層接觸金

14、屬的連接線的形成示意圖，利用微影技術(shù)將第二層接觸金屬的圖形制造出來(lái)，再利用活性離子蝕刻法來(lái)做接觸點(diǎn)的蝕刻(Con tact Etch)。之后去掉光阻。然后沉積鎢并添滿接觸洞，用CMP(化學(xué)機(jī)械研磨)的 方法去掉表面的鎢。圖第二層接觸金屬的連接線的形成3.第二層金屬的制成圖 是第二層金屬的制成示意圖，先將第二層金屬沉積(2nd MetalDeposition)上去，接著利用微影技術(shù)將第二層金屬的光罩形成(2nd MetalMasking)，接著將鋁金屬蝕刻(Aluminum Etch)。圖第二層金屬的制成1.1.8保護(hù)層與焊墊的制成1.保護(hù)氧化層和氮化硅的沉積圖是保護(hù)氧化層和氮化硅的沉積示意圖，接著利用PECVD沉積保護(hù)的氧 化層。再利用PECVD沉積氮化硅，形成保護(hù)層。圖保護(hù)氧化層和氮化