集成電路中的有源及無源器件課件

1、集成電路中的有源與無源器件哈爾濱工程大學第1頁，共48頁。 集成電路制造就是在硅片上執(zhí)行一系列復雜的 化學或者物理操作。簡而言之，這些操作可以分為 四大基本類：薄膜制作、光刻、刻蝕和摻雜。典型 的集成電路硅片制造工藝可能要花費六到八周的時 間，包括350或者更多步驟來完成所有的制造工 藝 。 第2頁，共48頁。 集成電路是在硅片制造廠中制造完成的。硅片制造廠可以分成6個主要的生產(chǎn)區(qū)：擴散（包括氧化、膜淀積和摻雜工藝）、光刻、刻蝕、薄膜、離子注人和拋光。雖然對硅片上的獨立管芯進行測試的測試/揀選區(qū)就在硅片廠的附近，但是測試區(qū)并不與硅片制造廠的其他部分在同一超凈環(huán)境當中。裝配和封裝則在其他工廠進行

2、，甚至在別的國家完成。 第3頁，共48頁。擴散 擴散區(qū)一般認為是進行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域，擴散區(qū)的主要沒備是高溫擴散爐和濕法清洗設(shè)備。高溫擴散爐可以在近1200的高溫下工作，并能完成多種工藝流程，包括氧化、擴散、淀積、退火以及合金。濕法清洗設(shè)備是擴散區(qū)中的輔助工具。硅片在放人高溫爐之前必須進行徹底地清洗，以除去硅片表面的沾污以及自然氧化層。光刻 使用黃色熒光管照明使得光刻區(qū)與芯片廠中的其他各個區(qū)明顯不同。光刻的目的是將電路圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋于硅片表面的光刻膠上。光刻膠是一種光敏的化學物質(zhì)，它通過深紫外線曝光來印制掩膜版的圖像。光刻膠只對特定波長的光線敏感，例如深紫外線和白光，而對黃光不敏感。光

3、刻區(qū)位于硅片 廠的中心。因為硅片從硅片制造廠的所有其他區(qū)流入光刻區(qū)。由于在光刻過程中缺陷和顆粒可能進入光刻膠層，沾污的控制 顯得格外重要。光刻掩膜版上的缺陷以及步進光刻機上的顆粒 能夠復印到所有用這些設(shè)備處理的硅片上 。 硅片制造廠的分區(qū)概述 第4頁，共48頁?？涛g 刻蝕工藝是在硅片上沒有光刻膠保護的地方留下永久的圖形?？涛g區(qū)最常見的工具是等離子體刻蝕機、等離子體去膠機和濕法清洗設(shè)備。目前，雖然仍采用一些濕法刻蝕工藝，但大多數(shù)步驟采用 的是干法等離子體刻蝕。等離子體刻蝕機是一種采用射頻（ RF ）能量在真空腔中離化氣體分子的一種工具。等離子體是一種由電激勵氣體發(fā)光的物質(zhì) 形態(tài)。等離子體與硅片頂

4、層的物質(zhì)發(fā)生化學反應?？涛g結(jié)束后利用另一種稱為去膠機的等離子體裝置，用離化的氧氣將硅片表面的光刻膠去掉。緊接著用一種化學溶劑徹底清洗硅片。 離子注入 離子注入機是亞微米工藝中最常見的摻雜工具。氣體帶著要摻的雜質(zhì)，例如砷(As)、磷(P)、硼（B）在注入機中離化。采用高電壓和磁場來控制并加速離子。高能雜質(zhì)離子穿透了涂膠硅片的表面。離子注入完成后，要進行去膠和徹底清洗硅片。 硅片制造廠的分區(qū)概述 第5頁，共48頁。薄膜生長 薄膜區(qū)主要負責生產(chǎn)各個步驟當中的介質(zhì)層與金屬層的淀積。薄膜生長中所采用的溫度低于擴散區(qū)中設(shè)備的工作溫度。薄膜生長區(qū)中有很多不同的設(shè)備。所有薄膜淀積設(shè)備都在中低真空環(huán)境下工作，包

5、括化學氣相淀積和金屬濺射工具（物理氣相淀積）。該區(qū)中用到的其他設(shè)備可能會有SOG (spin-on-glass)系統(tǒng)、快速退火裝置（RTP）系統(tǒng)和濕法清洗設(shè)備。SOG用來填充硅片上的低凹區(qū)域以實現(xiàn)硅片表面的平坦化（使平滑）?？焖偻嘶鹧b置用于修復離子注入引人的襯底損傷，也用于金屬的合金化步驟。拋光 CMP（化學機械平坦化）工藝的目的是使硅片表面平坦化，這是通過將硅片表面突出的部分減薄到下凹部分的高度實現(xiàn)的。硅片表面凹凸不平給后續(xù)加工帶來了困難，而CMP使這種硅片表面的不平整度降到最小。拋光機是CMP區(qū)的主要設(shè)備，而這一步工藝也可以叫拋光。CMP用化學腐蝕與機械研磨相結(jié)合，以除去硅片頂部希望的厚度

6、。其他輔助CMP的設(shè)備包括刷片機（wafer scrubber ),清洗裝置和測量工具。 硅片制造廠的分區(qū)概述 第6頁，共48頁。集成電路電阻 為形成集成電路電阻，可以淀積一層具有阻值的薄膜在硅襯底上，然后利用圖形曝光技術(shù)和刻蝕定出其圖樣。也可以在生長于硅襯底土的熱氧化層上開窗，然后注人（或是擴散）相反導電型雜質(zhì)到晶片內(nèi)。圖顯示利用后者方法形成的兩個電阻的頂視圖和截面圖，一個是曲折型，另一個是直條型。 由掩模版定義出不同的幾何圖樣，可同時在一個集成電路中制造出許多不同阻值的電阻因此將電阻值的大小分成兩部分是很方便的：由離子注入（或是擴散）工藝決定薄層電阻(R）；由圖樣尺寸決定L/W比例.一旦R

7、已知電阻值可以由L/W的比例得知，或是由電阻圖樣中的方塊數(shù)目得知（每個方塊的面積為W2)。端點接觸面積會增加額外的電阻值至集成電路電阻中無源元件 第7頁，共48頁。無源元件 第8頁，共48頁。集成電路電容 在集成電路中有兩種電容：MOS電容和p-n結(jié)電容。電容的制造是利用一個高濃度區(qū)域（如發(fā)射極區(qū)域）作為一個電極板上端的金屬電極作為另一個電極板中間的氧化層當作介電層。為了形成MOS電容，一層利用熱氧化的厚氧化層生長在硅襯底上。接著，利用圖形曝光技術(shù)在氧化層上定義出一個窗口，然后進行氧化層刻蝕以周圍的厚氧化層當作掩蔽層，利用擴散或是離子注人在窗口區(qū)域內(nèi)形成P+區(qū)域。然后，一層熱氧化的薄氧化層生長

8、在窗口區(qū)域，接下來則是金屬化的步驟。 為了增加電容的大小，人們開始研究具有較高介電常數(shù)的絕緣體如氮化硅（Si3N4）及五氧化二鉭（Ta2O5）其介電常數(shù)分別為7和25。因為電容的下電極板是高濃度材料，因此MOS電容值與所加偏壓無關(guān)高濃度材料的下電極可同時降低串聯(lián)電阻。 無源元件 第9頁，共48頁。無源元件 第10頁，共48頁。集成電路電感 集成電路電感已被廣泛地應用在-族的單片微波集成電路上(MMIC）。隨著硅器件速度的增加及多層金屬連線技術(shù)的進步，在以硅器件為主的無線電射頻（RF）和高頻應用上，集成電路電感已經(jīng)越來越受到注意。利用IC工藝可以制作出各式各樣的電感，其中最普遍的為薄膜螺旋形電感

9、。在硅襯底上,具有兩層金屬螺旋形電感的頂視圖和截面圖。為形成一個螺旋形的電感，可利用熱氧化或是淀積方式在硅襯底上形成層厚氧化層。然后，淀積第一層金屬作為電感的一端。接著淀積另一層介電層在第一層金屬上。利用圖形曝光方式定義并刻蝕氧化層形成通孔，接著淀積第二層金屬并且將通孔填滿。螺旋形電感可在作為電感第二端的第二層金屬上被定義及刻蝕出來。 無源元件 第11頁，共48頁。無源元件 第12頁，共48頁。雙極型晶體管第13頁，共48頁。 目前，MOSFET是ULSI電路中最主要的器件。因為它可比其他種類器件縮小至更小的尺寸。MOSFET的主要技術(shù)為CMOS(CMOSFET，complementary M

10、OSFET)技術(shù)。用此技術(shù)，n溝道與p溝道MOSFET可以制作在同一芯片內(nèi)CMOS技術(shù)對ULSI電路而言特別具有吸引力，因為在所有IC技術(shù)中. CMOS技術(shù)具有最低的功率消耗。CMOS制作步驟如下：1雙阱工藝 定義MOSFET的有源區(qū),通常是采用雙阱工藝來定義nMOS和pMOS晶體管的有源區(qū)。雙阱包括一個n阱和一個p阱，每個阱都至少包括三到五步主要步驟來完成制作。通常采用倒摻雜技術(shù)來優(yōu)化晶體管的電學特性，這一技術(shù)采用高能量、大劑量的注入，深人外延層大概1微米左右。隨后的阱注入在相同區(qū)域進行，只是注入能量、結(jié)深以及摻雜劑量都有大幅度的減小。CMOS技術(shù)第14頁，共48頁。形成n阱的5個主要步驟：

11、 (1)外延生長 硅片在到達擴散區(qū)之前已經(jīng)有了一個薄的外延層。外延層與襯底有完全相同的晶格結(jié)構(gòu)，只是純度更高，晶格缺陷更少而已。外延層已經(jīng)進行了輕的p型雜質(zhì)（硼）摻雜。(2)原氧化生長 硅片漂洗、甩干之后放人高溫（1000）爐中。工藝腔中通入氧氣使之與硅發(fā)生反應，得到大約150的氧化層。這一氧化層主要有以下作用：1）保護表面的外延層免受沾污，2）阻止了在注入過程中對硅片過度損傷，3）作為氧化物屏蔽層，有助于控制注人過程中雜質(zhì)的注人深度。(3) 第一層掩膜，n阱注人 預處理硅片的上表面涂膠、甩膠、烘焙。傳送裝置將經(jīng)過涂膠處理的硅片每次一片地送入對準與曝光系統(tǒng)。光刻機將特定掩膜的圖形直接刻印在涂膠

12、的硅片上。曝光后的硅片用顯影液噴到硅片上時，圖形第一次顯現(xiàn)出來。顯影后的硅片再次烘焙，并在轉(zhuǎn)人離子注入?yún)^(qū)前進行檢測。 CMOS制作步驟 第15頁，共48頁。(4) n阱注入（高能） 刻印后的硅片來到離子注入?yún)^(qū)。光刻膠圖形覆蓋了硅片上的特定區(qū)域，將其保護起來免于離子注入。未被光刻膠覆蓋的區(qū)域允許高能雜質(zhì)陽離子穿透外延層的上表面。在每一步離子注入后，一個氧基等離子反應器將每一個硅片去膠。隨后，經(jīng)過一系列化學濕法清洗過程去除硅片上殘留的光刻膠以及等離子體處理過程中形成的聚合物。(5) 退火 注入后的硅片被轉(zhuǎn)移到擴散區(qū)，在這里硅片經(jīng)過清洗處理后被放入退火爐。退火產(chǎn)生下列4個結(jié)果：l）裸露的硅片表面生長

13、了一層新的阻擋氧化層，2）高溫使得雜質(zhì)向硅中移動（擴散），3）注入引入的損傷得到修復，4）雜質(zhì)原子與硅原子間的共價鍵被激活，使得雜質(zhì)原子成為晶格結(jié)構(gòu)中的一部分（電學激活）。CMOS制作步驟 第16頁，共48頁。2.淺槽隔離工藝 淺槽隔離（STI）是在襯底上制作的晶體管有源區(qū)之間隔離區(qū)的一種可選工藝。 STI槽刻蝕 STI槽刻蝕的4個主要步驟：隔離氧化層 硅片到達擴散區(qū)后，進行清洗以除去沾污和氧化，經(jīng)過漂洗和甩干后，硅片進入高溫氧化設(shè)備。又一層厚度約為150的氧化層生長在硅片表面，這層氧化物將作為隔離層保護有源區(qū)在去掉氧化物的過程中免受化學沾污。氮化物淀積 硅片被放入低壓化學氣相淀積（LPCVD

14、）設(shè)備，在設(shè)備的腔體中氨氣和二氯硅烷發(fā)生反應，在硅片表面生成一薄層氮化硅，作用：1）氮化硅是一層堅固的掩膜材料，有助于在STI氧化物淀積過程中保護有源區(qū)；2）氮化硅可以在化學機械拋光（CMP）這一步中充當拋光的阻擋材料。 CMOS制作步驟 第17頁，共48頁。第三層掩膜，淺槽隔離 硅片從擴散區(qū)轉(zhuǎn)移到光刻區(qū)，由于光刻的尺度更小，此次光刻的要求比第一次光刻更加苛刻。槽刻蝕 沒有光刻膠保護的區(qū)域被離子和強腐蝕性的化學物質(zhì)刻蝕掉氮化硅、氧化硅以及硅。干法離子刻蝕機是利用大功率的射頻能量在真空反應腔中將氟基或氯基的氣體離化，射頻能量分解分子、離子原子，使反應腔中充滿了多種等離子體成分，這些等離子體成分通

15、過物理刻蝕、化學刻蝕將硅片上定義為隔離區(qū)的硅移走。CMOS制作步驟 第18頁，共48頁。 STI氧化物填充 STI氧化物填充的基本步驟： （1）溝槽襯墊氧化硅 硅片在擴散區(qū)再一次經(jīng)過清洗以除去氧化物以及沾污，經(jīng)過漂洗及甩干之后，硅片進入高溫氧化設(shè)備。在曝露隔離溝槽的側(cè)壁上生長了一層厚約為150的氧化層，氮化物掩蔽層的存在阻止了氧分子向有源區(qū)的擴散。（2）溝槽CVD氧化物填充 這一淀積步驟既可以在擴散區(qū)利用低壓化學氣相淀積爐，也可以在薄膜區(qū)利用各種氧化物化學氣相淀積設(shè)備完成。 CMOS制作步驟 第19頁，共48頁。 STI氧化層拋光-氮化物去除 硅片表面的平坦化可以通過多種方法實現(xiàn)，過去能夠通過

16、使用SOG（spin-on-glass）填充間隙實現(xiàn)硅片的平坦化，SOG由80的溶劑與20的二氧化硅構(gòu)成。淀積之后烘焙SOG,蒸發(fā)掉溶劑，將二氧化硅留在間隙當中。也可以進行全部表面的反刻，以減少整個硅片的厚度。但是到目前為止，CMP（也稱為拋光）是最有效的一種平坦化技術(shù)。 STI氧化層拋光-氮化物去除的基本步驟：（1）溝槽氧化物拋光（化學機械拋光） 在化學機械拋光區(qū)，硅片反轉(zhuǎn)過來并通過真空吸附在載片臺。當拋光墊貼緊一個正在旋轉(zhuǎn)的拋光臺時，硅片做同向旋轉(zhuǎn)。拋光液在拋光過程中使得硅片和拋光墊保持濕潤，同時與硅片表面的二氧化硅發(fā)生反應，這有助于研磨硅片。比二氧化硅更加堅韌的氮化硅充當拋光阻擋層，阻止

17、隔離結(jié)構(gòu)的過度拋光。CMOS制作步驟 第20頁，共48頁。（2）氮化物去除 在擴散區(qū)一般都配有熱磷酸槽用來從硅片上去除氮化物。在擴散區(qū)硅片表面的氮化物被去除，然后清洗、漂洗、烘于，最后檢查隔離氧化層的厚度。 CMOS制作步驟 第21頁，共48頁。3.多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝 晶體管中柵結(jié)構(gòu)的制作是流程當中最關(guān)鍵的一步，因為它包括了最薄的柵氧化層的熱生長以及多晶硅柵的刻印和刻蝕，而后者是整個集成電路工藝中物理尺度最小的結(jié)構(gòu)。多晶硅柵的寬度通常是整個硅片上最關(guān)鍵的CD線寬。多晶硅柵結(jié)構(gòu)制作的基本步驟：（1）柵氧化層的生長 清洗硅片，除掉沾污柵氧化層。這一步必須在硅片進入氧化爐前的幾個小時內(nèi)進行，只要曝露在

18、空氣中，硅片表面就會被其中的氧氣氧化，當硅片進入氧化爐后，硅片表面生長了一薄層厚度約為2050的二氧化硅。（2）多晶硅淀積 硅片被立即轉(zhuǎn)入低壓化學氣相淀積設(shè)備，該設(shè)備的工藝腔中通入硅烷，硅烷分解，多晶硅淀積在硅片表面，淀積多晶硅的厚度約為5000，淀積過后，馬上進行多晶硅摻雜，這一步既可以在相同的工藝腔中進行，也可以在不同的設(shè)備中進行。 CMOS制作步驟 第22頁，共48頁。（3）第四層掩膜，多晶硅柵 在光刻區(qū)，利用深紫外線光刻技術(shù)（適用于亞0.25工藝）刻印多晶硅柵的精細結(jié)構(gòu)。（4）多晶硅柵刻蝕 最后，集成電路中最精細的一步刻蝕工藝要求使用芯片廠內(nèi)最好的各向異性等離子體刻蝕機。CMOS制作步

19、驟 第23頁，共48頁。4.輕摻雜漏注入工藝 隨著柵的寬度不斷減小，柵結(jié)構(gòu)（源漏間的硅區(qū)域）下的溝道長度也不斷減小。晶體管中溝道長度的減少增加了源漏間電荷穿通的可能性，并引起不希望的溝道漏電流。每個晶體管都要經(jīng)過兩次注入一次是稱為輕摻雜漏（LDD）注入的淺注入，隨后是中等或高劑量的源/漏注入。輕摻雜漏注入使用砷和這些較大質(zhì)量的摻雜材料使硅片的上表面成為非晶態(tài)（即非長程有序或單晶的無序結(jié)構(gòu)）。大質(zhì)量材料和表面非晶態(tài)的結(jié)合有助于維持淺結(jié)，淺結(jié)還有助于減少源漏間的溝道漏電流效應。 LDD注入步驟：（1）第五層掩膜，LDD注入 得到可以使n型晶體管被注入的光刻膠圖形。其他所有的區(qū)域都被光刻膠保護著。（

20、2）LDD注入（低能量，淺結(jié)） 在未被光刻膠保護的區(qū)域，用砷離子進行選擇注入。選擇砷而不選擇磷的原因是砷的分子量更大有利于硅表面非晶化，在注入中能夠得到更均勻的摻雜深度。 CMOS制作步驟 第24頁，共48頁。 CMOS制作步驟 第25頁，共48頁。5.側(cè)墻的形成 側(cè)墻用來環(huán)繞多晶硅柵，防止更大劑量的源漏（S/D）注入過于接近溝道以致可能發(fā)生源漏穿通。側(cè)墻的形成有兩步主要工藝（見圖9.16）。首先，在整個硅片表面淀積一層二氧化硅，隨后利用干法刻蝕工藝反刻掉這層二氧化硅。由于所用的各向異性刻蝕工具使用離子濺射掉了絕大部分二氧化硅，故反刻不需要掩膜。當多晶硅露出來之后停止反刻。但并不是所有的二氧化

21、硅都除去了。多晶硅柵的側(cè)墻上保留了一部分二氧化硅。 CMOS制作步驟 第26頁，共48頁。制作側(cè)墻的兩個主要步驟：（1）淀積二氧化硅 這一步工藝在薄膜區(qū)進行。利用化學氣相淀積設(shè)備淀積一層厚約1000的二氧化硅。這層二氧化硅用來在多晶硅柵的四周形成側(cè)墻。（2）二氧化硅反刻 干法離子刻蝕機除掉了化學氣相淀積的大部分二氧化硅，在多晶硅柵的側(cè)墻上留下了一層二氧化硅。CMOS制作步驟 第27頁，共48頁。6.源漏注入工藝 為了完成倒摻雜技術(shù)，用中等劑量的摻雜稍稍超過LDD的結(jié)深，但是比最初的雙阱摻雜的結(jié)深淺。上一步形成的側(cè)墻能夠保護溝道，在注入過程中阻止摻雜原子的進入。源漏注入步驟：（1）第七層掩膜，源

22、/漏注入 這一步掩膜操作定義了要進行注入的n型晶體管區(qū)域。（2）源漏注入（中等能量） 這一步中等能量注入進入硅的深度大于LDD的結(jié)深。二氧化硅構(gòu)成的側(cè)墻阻止了砷雜質(zhì)侵入狹窄的溝道區(qū)。（3）退火 注入后的硅片在快速退火（RTP）裝置中退火?？焖偻嘶鹧b置能夠迅速達到1000左右的高溫并在設(shè)定溫度保持數(shù)秒。這種狀態(tài)對于阻止結(jié)構(gòu)的擴展以及控制源漏區(qū)雜質(zhì)的擴散都非常重要。 CMOS制作步驟 第28頁，共48頁。CMOS制作步驟 第29頁，共48頁。 7.接觸（孔）的形成 接觸形成工藝的目的是在所有硅的有源區(qū)形成金屬接觸。這層金屬接觸可以使硅和隨后淀積的導電材料更加緊密地結(jié)合起來。鈦是做金屬接觸的理想材料

23、當溫度大于700時，鈦和硅發(fā)生反應生成鈦的硅化物。鈦和二氧化硅不發(fā)生反應，因此這兩種物質(zhì)不會發(fā)生化學的鍵合或者物理聚集。因此鈦能夠輕易地從二氧化硅表面除去，而不需要額外掩膜。鈦的硅化物在所有有源硅的表面保留了下來（例如：源、漏和柵）。 CMOS制作步驟 第30頁，共48頁。鈦金屬接觸的主要步驟：（1）鈦的淀積 徹底清洗硅片，從表面清除沾污和氧化物。利用濺射工藝在硅片表面淀積鈦。（2）退火 硅片移入快速退火裝置。高溫觸發(fā)鈦和硅發(fā)生反應，生成了（硅化鈦）。（3）刻蝕金屬鈦 用化學方法刻蝕掉沒有發(fā)生反應得金屬鈦，將鈦的硅化物留在了硅的表面。 CMOS制作步驟 第31頁，共48頁。8.局部互連工藝 在

24、晶體管以及其他鈦硅化物接觸之間布金屬連線。在下面的工藝流程中用到的方法稱為局部互連。形成局部互連首先要求淀積一層介質(zhì)薄膜，接下來是化學機械拋光、刻印、刻蝕和鎢金屬淀積，最后以金屬層拋光結(jié)束。這種工藝稱為大馬士革。形成局部互連氧化硅介質(zhì)的步驟：（1）氮化硅化學氣相淀積 用化學氣相淀積工藝先淀積一層氮化硅作為阻擋層。這層氮化硅將硅有源區(qū)保護起來，使之與隨后的摻雜淀積層隔絕。（2）摻雜氧化物的化學氣相淀積 局部互連結(jié)構(gòu)中的局部互連介質(zhì)成分是由化學氣相淀積的二氧化硅提供的。二氧化硅要用磷或硼輕摻雜。二氧化硅中引人雜質(zhì)能夠提高玻璃的介電特性。隨后的快速退火能夠使玻璃流動，得到更加平坦的表面。CMOS制作

25、步驟 第32頁，共48頁。（3）氧化層拋光（CMP） 利用化學機械拋光工藝平坦化局部互連的氧化層。拋光后的氧化層厚度約為8000。（4）第九層掩膜，局部互連刻蝕 硅片在光刻區(qū)刻印然后在刻蝕區(qū)刻蝕。在局部互連的氧化層中制作出窄溝槽這些溝槽定義了局部互連金屬的路徑形式。CMOS制作步驟 第33頁，共48頁。制作局部互連金屬的步驟（1）金屬鈦淀積（PVD工藝） 薄阻擋層金屬鈦襯墊于局部互連溝道的底部和側(cè)壁上。這一層鈦充當了鎢（W）與二氧化硅間的粘合劑。（2）氮化鈦淀積 氮化鈦（TiN）立即淀積于鈦金屬層的表面充當金屬鎢的擴散阻擋層。（3）鎢淀積（化學氣相淀積工藝平坦化） 鎢填滿局部互連的溝槽并覆蓋硅

26、片表面。之所以用鎢而不是鋁來做局部互連金屬是因為鎢能夠無空洞地填充孔，形成鎢塞。另一個原因是鎢良好的磨拋特性。（4）磨拋鎢 鎢被磨拋到局部互連介質(zhì)層的上表面。 CMOS制作步驟 第34頁，共48頁。 9.通孔1和鎢塞1的形成 層間介質(zhì)（ILD）充當了各層金屬間以及第一層金屬與硅之間的介質(zhì)材料。層間介質(zhì)上有許多小的通孔，這些層間介質(zhì)上的細小開口為相鄰的金屬層之間提供了電學通道。通孔中有導電金屬（通常是鎢，稱為鎢塞）填充，鎢塞放置在適當?shù)奈恢?，以形成金屬層間的電學通路。制作通孔1的主要步驟：（1）第一層層間介質(zhì)氧化物 在薄膜區(qū)利用化學氣相淀積設(shè)備在硅片表面淀積一層氧化物。這層氧化物（第一層層間介質(zhì)

27、）將充當介質(zhì)材料，通孔就制作在這一層介質(zhì)上。（2）氧化物磨拋 用化學機械拋光的方法磨拋第一層層間介質(zhì)氧化物。磨拋后氧化層的厚度約為8000。清洗硅片除去拋光工藝中引入的顆粒。（3）第十層掩膜，第一層層間介質(zhì)刻蝕 硅片先在光刻區(qū)刻印然后在刻蝕區(qū)刻蝕。直徑不到0.25微米的小孔刻蝕在第一層層間介質(zhì)氧化物上。 CMOS制作步驟 第35頁，共48頁。CMOS制作步驟 第36頁，共48頁。制作第一層鎢塞的主要步驟：（1）金屬淀積鈦阻擋層（PVD） 在薄膜區(qū)利用物理氣相淀積設(shè)備在整個硅片表面淀積一薄層鈦。鈦襯墊于通孔的底部及側(cè)壁上。鈦充當了將鎢限制在通孔當中的粘合劑。（2）淀積氮化鈦（CVD） 在鈦的上表

28、面淀積一薄層氮化鈦。在下一步淀積中，氮化鈦充當了鎢的擴散阻擋層。（3）淀積鎢（CVD） 用另一臺化學氣相淀積設(shè)備在硅片上淀積鎢。鎢填滿小的開口形成鎢塞。（4）磨拋鎢 磨拋被鎢涂覆的硅片直到第一層層間介質(zhì)的上表面。 CMOS制作步驟 第37頁，共48頁。10.第一層金屬（金屬1）互連的形成 以下一系列操作包括在硅表面淀積三層金屬薄膜，稱為三明治結(jié)構(gòu)，隨后是遮蔽和刻蝕步驟。多層的三明治金屬結(jié)構(gòu)由多種不同的難熔金屬構(gòu)成，包括鈦、鋁銅合金和氮化鈦。完成上述操作以后，就完成了構(gòu)成器件的五層金屬疊加結(jié)構(gòu)中的第一層。金屬層的數(shù)目隨著管芯復雜程度的不同有所變化，目前最先進的管芯有八層金屬疊加結(jié)構(gòu)。制作金屬1互

29、連的步驟：（1）金屬鈦阻擋層淀積（物理氣相淀積） 與其他金屬工藝一樣，鈦是淀積于整個硅片上的第一層金屬。它提供了鎢塞和下一層金屬鋁之間的良好鍵合。同樣它與層間介質(zhì)材料的結(jié)合也非常緊密，提高了金屬疊加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（2）淀積鋁銅合金（物理氣相淀積） 在薄膜區(qū)利用物理氣相淀積設(shè)備將鋁銅合金（99%鋁，1%銅）濺射在有鈦覆蓋的硅片上。鋁中加人1的銅提高了鋁的穩(wěn)定性。CMOS制作步驟 第38頁，共48頁。（3）淀積氮化鈦（物理氣相淀積） 在鋁銅合金層上淀積一薄層氮化鈦充當下一次光刻中的抗反射層。 （4）第十一層掩膜，金屬刻蝕 先用光刻膠刻印硅片，然后用等離子體刻蝕機刻蝕三明治金屬結(jié)構(gòu)。CMOS制作步驟

30、 第39頁，共48頁。11通孔2和鎢塞2的形成 除了要填充第一層金屬上刻蝕出的或大或小的間隙，第二層層間介質(zhì)的制作與第一層層間介質(zhì)（ILD-1 )的制作非常相似。間隙的填充使用介電材料填充間隙，這些材料能夠進入細小的空間從而避免了能夠影響電學性能的空洞和其他缺陷的形成。有兩種常見的方法填充間隙：SOG反刻和高濃度等離子體化學氣相淀積（HDPCVD）。在亞0.25工藝中更常用的是高濃度等離子體化學氣相淀積。間隙填滿以后，可利用等離子體優(yōu)化的化學氣相淀積系統(tǒng)完成剩余的ILD-2氧化物的淀積。ILD-2淀積完成后，氧化物被平坦化、刻印，然后刻蝕形成鎢塞所需的通孔。 CMOS制作步驟 第40頁，共48

31、頁。制作通孔2的主要步驟：（1）ILD-2間隙填充 在ULSI器件中，利用高濃度等離子體工藝交替地淀積和刻蝕層間介質(zhì)氧化物，刻蝕是與淀積同時進行的。最后在金屬的間隙間形成廠沒有空洞或空洞極少的致密氧化物。（2）ILD-2氧化物淀積 利用等離子體增強化學氣相淀積系統(tǒng)淀積ILD-2氧化層剩余的部分。（3）ILD-2氧化物平坦化 下一步刻印前磨拋硅片，平坦化其表面。（4）第十二層掩膜，ILD-2刻蝕 利用光刻膠刻印硅片，隨后利用等離子體刻蝕機刻蝕ILD-2氧化物。CMOS制作步驟 第41頁，共48頁。制作第二層鎢塞的主要步驟：（1）金屬淀積鈦阻擋層（物理氣相淀積） 鈦可以使鎢塞和鋁之間緊密地結(jié)合起來。同樣，它與層間介質(zhì)材料的結(jié)合也非常緊密，能夠提高金屬疊加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（2）淀積氮化鈦（化學氣相淀積） 一薄層氮化鈦淀積在鈦層的上表面。氮化鈦充當鎢淀積過程中的阻擋層。 （3）淀積鎢（化學氣相淀積） 利用另一臺化學氣相淀積設(shè)備在硅片上淀積鎢。鎢填充細小的通孔，形成鎢塞。（4）磨拋鎢 磨拋有鎢涂覆的硅片直到ILD-2氧化物的上表面，留下通孔中的鎢塞。 CMOS制作步驟