半導(dǎo)體技術(shù)天地-CMOS制造

1、1.1中國半導(dǎo)體論壇 半導(dǎo)體技術(shù)天地 是全國 最大的半導(dǎo)體行業(yè)網(wǎng)站，主要有芯片設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制造芯片封裝 測試，中國半導(dǎo)體論壇是一個(gè)以電子技術(shù)交流為主的電 子工程師論壇，致力于做國內(nèi)電子行業(yè)用戶、工程師交流的 最佳電子論壇，目前開設(shè)有求職招聘、半導(dǎo)體整合技術(shù)、半 導(dǎo)體封裝、半導(dǎo)體技術(shù)天地、半導(dǎo)體測試、半導(dǎo)體制造、技 術(shù)交流天地、技術(shù)天地、半導(dǎo)體天地、相關(guān)書籍等交流論壇。下面講解CMOS制造.1.2 CMOS的制造流程CMOS!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、LDD的植入、源極和漏極的制成。后段流程主要完成元

2、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0.25微米制程為例，具體分為以下步驟。1.2.1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，對后續(xù)的制程造成影響，使得組件無法正常工作。表2.1是半導(dǎo)體制程中所用到的標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟。表2.1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1HSQ+fQ (4:1)120 C有機(jī)污染物2D.I Water室溫洗清3NHOH+HD+HO80-90 C微塵4D.I Water室溫洗清5HCL+Hb+HO (1:1:5)80

3、-90 C金屬離子6D.I Water室溫洗清7HF+HO (1:50)室溫原生氧化層8D.I Water室溫洗清2.前置氧化圖2.2為前置氧化示意圖。先長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?，因此加入一層二氧化硅可以平衡掉硅晶圓表面的應(yīng)力。vPad deSilicon Epi Layer P"Silicon Substrate F*圖2.2 前置氧化3. 沉積氮化硅圖2.3為沉積

4、氮化硅示意圖。利用PECVD的技術(shù)沉積氮化硅，用來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，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元素（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2.3 沉積氮化硅4. 組件隔離區(qū)的光罩形成圖2.4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)。Silicon I'll tri deSilicon Epi Layer P"Sili匚cm Substi泌亡圖2.4組件隔離

5、區(qū)的光罩形成5. 氮化硅的蝕刻圖2.5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。 alnh.一一 «- -/一"一J"“ 1p-ZTransistor Active AreasSilicon Epi LayerSilicon Substratep*圖2.5 氮化硅的蝕刻6. 元件隔離區(qū)的氧化圖2.6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)長成一層厚厚的二氧化硅，形成組件的 隔離區(qū)。注：氧化-二氧化硅(SiO 2)的制作方法有:1.熱氧化法；2.沉積法；3陽極氧化法；4.氧離子注入氧化法。 其中較常用的熱氧化法

6、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。Silicon Nitri :ieFuiure PM OS TransistorFuture NMOSTransistorSilicon Epi Layer PSilicon Substrate P*圖2.6 元件隔離區(qū)的氧化7. 去除氮化硅圖2.7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。Future PM OS TransistorFuture NMQSTransstorSilicon Epi Layer PSilicon Substrate P*圖2.7去除氮化

7、硅1.2.2阱的植入1. N型阱的形成圖2.8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，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。PhQEjih心gum (-) leisSill con Epi Layer P"Silic ontral e F*圖2.8 N型阱的形成2. P型阱的形成圖2.9是P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P型阱區(qū)域的圖形定義出來，即將所要定義的P型阱區(qū)域的光阻去除掉。禾U用離子布植的技術(shù)，將硼打入晶圓中，形成P型阱。11I1111

8、接著再利用有機(jī)溶劑將光阻去除。Silicon Epi Layer P*Silicon Substrate F*圖2.9 P型阱的形成3. 退火及氧化層的形成圖2.10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2.10退火及氧化層的形成4. 去除氧化硅圖2.11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硅予以去除。翼或詛.："： ：x.Silicon

9、 Epi Layer PSilicon Substrate P圖2.11去除二氧化硅1.2.3柵極的制成1.柵極(gate)氧化層的形成圖2.12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。Silicon Epi Layer PSilicon Substrate P+圖2.12 柵極(gate)氧化層的形成2. 多晶硅的沉積圖2.13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

10、通入爐管中，加以反應(yīng)形成所需的物質(zhì)在芯片上。Poh-.-ihronSilicon Epi Layer PSilicon Substrate P*圖2.13 多晶硅的沉積3 柵極光罩的形成圖2.14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。resi stPiilcilirnriSilicon Epi Layer PSilicon Substrate P+圖2.14柵極光罩的形成4.活性離子蝕刻圖2.15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所成長的多晶硅及在形成柵極時(shí)所生長的二氧化硅給蝕刻。<Poly Gate Electrode卻

11、Gate OsidcNT'WbH：;：聖遨毅f:Well.Silicon Epi Layer PSilicon Substrate P+圖2. 15活性離子蝕刻5. 熱氧化圖2.16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。Poly Gate ElectrodeGate OsideV Poly Rc-oxidationSilicon Epi Layer P"Silicon Substrate P+N WellP- Well圖2.16 熱氧化124LDD的植入1. NLDD植入圖2.17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

12、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 )來抑制熱載流子效應(yīng)，因?yàn)闊彷d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source and drain提供了一個(gè)擴(kuò)散緩沖層，抑制了熱載流子效應(yīng)。jTWellSilicon Epi Layer PSiJidDcii Slibstiate P+圖2.17 NLDD植入3. PLDD植入圖2.18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

13、去光阻。IN* WellX'-WrliPITSbf Well囲H 匚on bEtridq；!；：；!；!： ：、： ：!："： !："!：Silicon Substrate P*;iTT: :-: :;"；瘠Silicon Substrate P+圖2.18 PLDD植入1.2.5源極及漏極的形成1沉積氮化硅圖2.19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。Thinner Here圖2.19 沉積氮化硅Silicon Epi Layer PP'WeJISilicon Epi Layer P2.蝕刻氮化硅圖2.20是蝕刻氮化硅示意圖，蝕

14、刻掉氮化硅，但會(huì)在側(cè)壁留下一些殘余物，被稱為spacer 。Silicon Epi Layer PSilicon Substrate P*Spacer Si de wallThicker Here丄中圖2.20 蝕刻氮化硅3.NM0S的源極及漏極區(qū)域制成圖2.21是NMOS勺源極及漏極區(qū)域制成示意圖，首先上光阻，利用微影技術(shù)將NMOS的源極及漏極區(qū)域的光罩形成之后，再利用離子布植技術(shù)將砷元素打入源極及漏極的區(qū)域，接著做退火的處理-： P-Tip：-：F' 'WellSi. Ji con Epa Layer PSilicon Substrate P*E Wrll圖2.21 NMO

15、S的源極及漏極區(qū)域制成4. P MOS的源極及漏極的制成圖2.22是PMOS的源極及漏極的制成示意圖，首先利用微影技術(shù)將PMOS的源極及漏極區(qū)域的光罩形成(p-cha nnel Source/Drain Mask)之后，再利用離子布植的技術(shù)將硼元素打入源極及漏極的區(qū)域。I onsSilicon Substrate P+F WellS lie on Epi Lay&r F*.：:：.!：!： 1小'詁?c叮g陣:ir，l Hl ElN Well圖2.22 PMOS的源極及漏極的制成5. 沉積Ti并形成TiSi 2圖2.23是沉積Ti并形成TiSi 2示意圖，Ti在高溫下與Si反應(yīng)生成T