CMOS制作基本工藝

1、CMOS制作基本步驟CMOS的制作步驟是需要經(jīng)過(guò)一系列的復(fù)雜的化學(xué)和物理操作最終形成集成電路。而做為一名集成電路版圖（ic layout）工程師，對(duì)于這個(gè)在半導(dǎo)體制造技術(shù)中具有代表性的CMOS工藝流程有個(gè)系統(tǒng)的了解是有很大幫助的。個(gè)人認(rèn)為只有了解了工藝的版工才會(huì)在IC Layout的繪制中考慮到你所畫(huà)的版圖對(duì)流片產(chǎn)生的影響。芯片制造廠（Fab）大概分為：擴(kuò)散區(qū)，光刻區(qū)，刻蝕區(qū)，離子注入?yún)^(qū)，薄膜區(qū)和拋光區(qū)。擴(kuò)散是針對(duì)高溫工藝，光刻利用光刻膠在硅處表面刻印，刻蝕將光刻膠的圖形復(fù)制在硅片上，離子注入對(duì)硅片摻雜，薄膜區(qū)淀積介質(zhì)層和金屬層，拋光主要是平坦化硅片的上表面。簡(jiǎn)化的CMOS工藝由14個(gè)生產(chǎn)步驟

2、組成：（1）雙阱注入在硅片上生成N阱和P阱。（2）淺槽隔離用于隔離硅有源區(qū)。（3）通過(guò)生長(zhǎng)柵氧化層、淀積多晶硅和刻印得到柵結(jié)構(gòu)。（4）LDD注入形成源漏區(qū)的淺注入。（5）制作側(cè)墻在隨后的源、漏注入當(dāng)中保護(hù)溝道。（6）中等能量的源、漏注入，形成的結(jié)深大于LDD的注入深度。（7）金屬接觸形成硅化物接觸將金屬鎢和硅緊密結(jié)合在一起。（8）局部互連形成晶體管和觸點(diǎn)間的第一層金屬線。（9）第一層層間介質(zhì)淀積，并制作連接局部互連金屬和第一層金屬的通孔1。（10）用于第一次金屬刻蝕的第一層金屬淀積金屬三明治結(jié)構(gòu)并刻印該層金屬。（11）淀積第二層層間介質(zhì)并制作通孔2。（12）第二層金屬通孔3淀積第二層金屬疊加結(jié)

3、構(gòu)，并淀積和刻蝕第三層層間介質(zhì)。（13）第三層金屬到壓點(diǎn)刻蝕、合金化重復(fù)這些成膜工藝直到第五層金屬壓焊淀積完畢，隨后是第六層層間介質(zhì)和鈍化層的制作。（14）最后一步工藝是參數(shù)測(cè)試，驗(yàn)證硅片上每一個(gè)管芯的可靠性。在之前的文章中以一個(gè)PMOS和一個(gè)NMOS構(gòu)成的反相器為例，簡(jiǎn)單的分步介紹了CMOS制作的基本步驟，整個(gè)流程就是對(duì)上述步驟的詳細(xì)解說(shuō)。不同的是（9）（10）被合在一起介紹，（11）（12）（13）被合在一起介紹，而（14）則沒(méi)有列入到詳解步驟中。這樣CMOS制作步驟就對(duì)應(yīng)到了以后10篇文章中：CMOS制作步驟（一）:雙阱工藝2011-3-3工藝流程雙阱工藝 現(xiàn)在COMS工藝多采用的雙阱工

4、藝制作步驟主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)步驟：n N阱的形成（1）外延生長(zhǎng)     *外延層已經(jīng)進(jìn)行了輕的P型摻雜 （2）原氧化生長(zhǎng)  這一氧化層主要是a)保護(hù)表面的外延層免受污染，b)阻止了在注入過(guò)程中對(duì)（3）硅片過(guò)度損傷，c)作為氧化物層屏蔽層，有助于控制流放過(guò)程中雜質(zhì)的注入深度 （4）第一層掩膜 ，n阱注入 （5）n阱注放（高能） （6）退火 退火后的四個(gè)結(jié)果：a)裸露的硅片表面生長(zhǎng)了一層新的陰擋氧化層，b)高溫使得雜質(zhì)向硅中擴(kuò)散c)注入引入的損傷得到修復(fù)，d)雜質(zhì)原子與硅原子間的共價(jià)鍵被激活，使得雜質(zhì)原子成為晶格結(jié)構(gòu)中的一部分。 n P阱的形成（1

5、） 第二層掩膜， p阱注入  *P阱注入的掩膜與N阱注入的掩膜相反 （2） P阱注入（高能） （3） 退火 CMOS制作步驟（二）：淺槽隔離工藝（STI）2010-11-28工藝流程STI、淺槽隔離工藝 相信很多在現(xiàn)在看工藝廠的相關(guān)文檔時(shí)，會(huì)看到有些圖上面標(biāo)有STI的注釋，STI是英文 shallow trench isolation的簡(jiǎn)稱，翻譯過(guò)來(lái)為 淺槽隔離 工藝。 STI通常用于0.25um以下工藝，通過(guò)利用氮化硅掩膜經(jīng)過(guò)淀積、圖形化、刻蝕硅后形成槽，并在槽中填充淀積氧化物，用于與硅隔離。下面詳細(xì)介紹一下淺槽隔離的步驟，主要包括：槽刻蝕、氧化物填充和氧化物平坦化。n 槽刻蝕 （

6、1）隔離氧化層。硅表面生長(zhǎng)一層厚度約150埃氧化層；可以做為隔離層保護(hù)有源區(qū)在去掉氮化物的過(guò)程中免受化學(xué)沾污。 （2）氮化物淀積。硅表面生長(zhǎng)一薄層氮化硅：a)由于氮化硅是堅(jiān)固的掩膜材料，有助于在STI氧化物淀積過(guò)程中保護(hù)有源區(qū) b)在CMP時(shí)充當(dāng)拋光的阻擋材料。 （3）掩膜，淺槽隔離 （4）STI槽刻蝕。在經(jīng)過(guò)上面的光刻之后把沒(méi)有被光刻膠保護(hù)的區(qū)域用離子和強(qiáng)腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)刻蝕掉氮化硅、氧化硅和硅。需要注意的是會(huì)在溝槽傾斜的側(cè)壁及圓滑的底面有助于提高填充的質(zhì)量和隔離結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性 n 氧化物填充 （1） 溝槽襯墊氧化硅硅片再次清洗和去氧化物等清洗工藝后，高溫下在曝露的隔離槽側(cè)壁上生長(zhǎng)150埃的

7、氧化層，用以阻止氧分子向有源區(qū)擴(kuò)散。同時(shí)墊氧層也改善硅與溝槽填充氧化物之間的界面特性 （2）溝槽CVD氧化物填充 n 氧化物平坦化 （1）化學(xué)機(jī)械拋光 （2）氮化物去除 CMOS制作步驟（三）：多晶硅柵結(jié)構(gòu)工藝2011-8-3工藝流程gate、polysilicon 晶體管中的多晶硅柵(polysilicon gate)結(jié)構(gòu)的制作是整個(gè)CMOS流程中最關(guān)鍵的一步，它的實(shí)現(xiàn)要經(jīng)過(guò)柵氧層的形成和多晶硅柵刻蝕這兩個(gè)基本過(guò)程，多晶硅柵的最小尺寸決定著一個(gè)工藝的特征尺寸，同進(jìn)也為下面的源漏注入充當(dāng)掩膜的作用，這也是做為IC版圖工程師需要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。多晶硅柵結(jié)構(gòu)制作基本步驟一：柵氧化層的生長(zhǎng)。清洗掉硅

8、片曝露在空氣中沾染的雜質(zhì)和形成的氧化層。進(jìn)入氧化爐生長(zhǎng)一薄層二氧化硅。多晶硅柵結(jié)構(gòu)制作基本步驟二：多晶硅淀積。硅片轉(zhuǎn)入通有硅烷的低壓化學(xué)氣相淀積設(shè)備，硅烷分解從而在硅片表面淀積一層多晶硅，之后可以對(duì)poly進(jìn)行摻雜。多晶硅柵結(jié)構(gòu)制作基本步驟三：多晶硅光刻。 在光刻區(qū)利用深紫外線光刻技術(shù)刻印多晶硅結(jié)構(gòu)。多晶硅柵結(jié)構(gòu)制作基本步驟四：多晶硅刻蝕。利用異向等離子體記刻蝕機(jī)對(duì)淀積的多晶硅進(jìn)行刻蝕，得到垂直剖面的多晶硅柵。CMOS制作步驟（四）：輕摻雜漏(LDD)注入工藝2011-8-4工藝流程LDD、輕摻雜漏 隨著柵的寬度不斷減小，柵結(jié)構(gòu)下的溝道長(zhǎng)度也不斷的減小， 為了有效的防止短溝道效應(yīng)，在集成電路制

9、造工藝中引入了輕摻雜漏工藝（LDD），當(dāng)然這一步的作用不止于此，大質(zhì)量材料和表面非晶態(tài)的結(jié)合形成的淺結(jié)有助于減少源漏間的溝道漏電流效應(yīng)。同時(shí)LDD也是集成電路制造基本步驟的第四步。n N-輕摻雜漏注入(nLDD)（1）N-LDD光刻刻印硅片，得到N-區(qū)注入的光刻膠圖形，其它所有的區(qū)域被光刻膠保護(hù) （2）N-LDD注入在未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域進(jìn)入砷離子注入，形成低能量淺結(jié)（砷的分子量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） n P-輕摻雜漏注入（pLDDG） （1）P-LDD光刻刻印硅片，得到P-區(qū)注入的光刻膠圖形，其它所有的區(qū)域被光刻膠保護(hù) （2）P-LDD注入采用更易于硅表面非

10、晶化的氟化硼進(jìn)入注入，形成的也是低能量的淺結(jié) CMOS制作步驟（五）：側(cè)墻的形成2011-8-5工藝流程 為了防止大劑量的源漏注入過(guò)于接近溝道從而導(dǎo)致溝道過(guò)短甚至源漏連通，在CMOS的LDD注入之后要在多晶硅柵的兩側(cè)形成側(cè)墻。側(cè)墻的形成主要有兩步：1. 在薄膜區(qū)利用化學(xué)氣相淀積設(shè)備淀積一層二氧化硅。2. 然后利用干法刻蝕工藝刻掉這層二氧化硅。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的二氧化硅，當(dāng)多晶硅露出來(lái)之后即可停止反刻，但這時(shí)并不是所有的二氧化硅都除去了，多晶硅的側(cè)墻上保留了一部分二氧化硅。這一步是不需要掩膜的。CMOS制作步驟（六）：源/漏注入工藝2011-8-9工藝流程S/

11、D 在側(cè)墻形成后，需要進(jìn)行的就是源/漏注入工藝。先要進(jìn)行的是n+源/漏注入，光刻出n型晶體管區(qū)域后，進(jìn)行中等劑量的注入，其深度大于LDD的結(jié)深，且二氧化硅構(gòu)成的側(cè)墻阻止了砷雜質(zhì)進(jìn)入狹窄的溝道區(qū)。接下來(lái)進(jìn)行P+源/漏注入，在光刻出了要進(jìn)行注入的P型晶體管區(qū)域后，同樣進(jìn)行中等劑量注入，形成的結(jié)深比LDD形成的結(jié)深略大，側(cè)墻起了同樣的阻擋作用。注入后的硅片在快速退火裝置中退火，在高溫狀態(tài)下，對(duì)于阻止結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展以及控制源/漏區(qū)雜質(zhì)的擴(kuò)散都非常重要。源/漏注入工藝 的基本過(guò)程如下圖所示： n+源/漏注入 p+源/漏注入CMOS制作步驟（七）：接觸（孔）形成工藝2011-8-12工藝流程 接觸孔形成工藝的

12、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沉積的導(dǎo)電材料更加緊密地結(jié)合起來(lái)（如下圖）。硅片表面的沾污和氧化物被清洗掉后，會(huì)利用物理氣相沉積(PVD)在硅片表面沉積一層金屬，即在一個(gè)等離子的腔體中帶電的氬離子轟擊金屬靶，釋放出金屬原子，使其沉積在硅片表面。之后對(duì)硅片進(jìn)行高溫退火，金屬和硅在高溫下形成金屬硅化物,最后用化學(xué)方法刻蝕掉沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)的金屬，將金屬的硅化物留在了硅表面。接觸（孔）形成工藝鈦是做金屬接觸的理想材料，它的電阻很低，可以與硅發(fā)生反應(yīng)形成TiSi2 (鈦化硅)，而鈦和二氧化硅不發(fā)生反應(yīng)，因此這兩種物質(zhì)不會(huì)發(fā)生化學(xué)的鍵合或者物于是聚集。因此鈦能夠輕易地從二氧化硅

13、表面除去，而不需要額外的掩膜。鈦的硅化物在所有有源硅的表面保留了下來(lái)（如源、漏和柵）。CMOS制作步驟（八）：局部互連工藝2011-8-16工藝流程局部互連 CMOS制作步驟中接觸孔形成后下一步便是在晶體管以及其它鈦硅化物接觸之間布金屬連接線。在下面的工藝流程中用的方法稱為局部互連（LI）。形成局部互連的步驟與形成淺槽隔離的步驟一樣復(fù)雜。工藝首先要求淀積一層介質(zhì)薄膜，接下來(lái)是化學(xué)機(jī)械拋光、刻印、刻蝕和鎢金屬淀積，最后以金屬層拋光結(jié)束（圖1和圖2）。這種工藝稱為大馬士革（damascene），名字取自幾千年前敘利亞大馬士革的一位藝術(shù)家發(fā)明的一種技術(shù)。這步工藝的最后結(jié)果是在硅片表面得到了一種類似精

14、制的鑲嵌首飾或藝術(shù)品的圖案。圖3描繪了這些金屬線是如何嵌入氧化物側(cè)壁之間的。n 形成局部互連氧化硅介質(zhì)的步驟 （1）氮化硅化學(xué)氣相淀積 用化學(xué)氣相淀積工藝先淀積一層氧化硅作為阻擋層。這層氮化硅將硅有源區(qū)保護(hù)起來(lái)，使之與隨后的摻雜淀積層隔絕 （2）摻雜氧化物的化學(xué)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(xué)氣相沉積的二氧化硅提供的。二層氧化硅要用磷或硼輕摻雜。二氧化硅中引入雜質(zhì)能夠提高下班的介電特性。隨后的快速退火能夠使下班流動(dòng)，得到更加平坦的表面 （2） 氧化層拋光 利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝平坦化局部互連的氧化層。 （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

15、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 n 制作局部互連金屬的步驟 （1）金屬鈦淀積（PVD工藝） 一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(dāng)了鎢與二氧化硅間的粘合劑。 （2）氮化鈦沉積 鎢化鈦立即淀積于鈦金屬層的表面充當(dāng)金屬鎢的擴(kuò)散阻擋層 （3）鎢淀積 鎢填滿局部互連的溝槽并覆蓋硅片表面。之所以用鎢而不是鋁來(lái)做局部互連金屬是因?yàn)殒u能夠無(wú)空洞地填充孔，形成鎢塞。另一個(gè)原歷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（九）：Via-1, Plug-1及Metal-1互連的形成2011-8-17工藝流程metal、p

16、lug、via 層間介質(zhì)（ILD）充當(dāng)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(xì)小開(kāi)口為相鄰的金屬層之間提供了電學(xué)通道。通孔中有導(dǎo)電金屬（通常是鎢，稱為鎢塞）填充，鎢塞放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，以形成金屬層間的電學(xué)通路（見(jiàn)圖1，圖2）。第一層層間介質(zhì)是下面將要介紹的一系列互連工藝的第一步。n Via-1形成的主要步驟 （1）第一層ILD氧化物        在薄膜區(qū)利用CVD設(shè)備在硅片表面淀積一層氧化物。這層氧化物（第一層IDL）將充當(dāng)介質(zhì)材料，通孔就制作在這一層介質(zhì)上 （3） 氧化物

17、磨拋        用CMP的方法磨拋第一層ILD氧化物，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ILD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 um的小孔刻蝕在第一層ILD氧化物上。這一步要進(jìn)行嚴(yán)格的CD、OL以及缺陷檢測(cè) n Plug-1形成的主要步驟 Plug-1形成的主要步驟（1） 金屬淀積Ti阻擋層（PVD）       在薄膜

18、區(qū)利用PVD設(shè)備在整個(gè)硅片表面淀積一薄層Ti。Ti襯墊于能孔的底部及側(cè)壁上。Ti充當(dāng)了將鎢限制在通孔當(dāng)中的粘合劑 （2） 淀積氮化鈦（CVD)       在Ti的上表面淀積一薄層氮化鈦。在下一步沉積中，氮化鈦充當(dāng)了鎢的擴(kuò)散阻擋層 （3） 淀積鎢（CVD）      用另一臺(tái)CVD設(shè)備在硅片上淀積鎢。鎢填滿小的開(kāi)口形成plug （4） 磨拋鎢        磨拋被鎢涂覆的硅片直到第一層ILD的上表面 n 第一層金屬互連的形成 （1） 金屬鈦?zhàn)钃鯇拥矸e（PVD）        與其它金屬工藝一樣，鈦是淀積于整個(gè)硅片上的第一層金屬。它提供了Plug和下一層Metal之間的良好鍵合。同樣它與ILD材料的結(jié)合也非常緊密，提