CMOS工艺流程版图剖面.pptx
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1、1 1)简化简化N阱阱CMOS工艺演示工艺演示2氧化层生长氧化层生长光刻光刻1,刻刻N阱掩膜版阱掩膜版氧化层氧化层氧化层氧化层P-SUBP-SUB3曝光曝光光刻光刻1,刻刻N阱掩膜版阱掩膜版光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版4氧化层的刻蚀氧化层的刻蚀光刻光刻1,刻刻N阱掩膜版阱掩膜版5N阱注入阱注入光刻光刻1,刻刻N阱掩膜版阱掩膜版6形成形成N阱阱N阱阱P-SUBP-SUB7氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀光刻光刻2,刻有源区掩膜版,刻有源区掩膜版二氧化硅二氧化硅掩膜版掩膜版N阱阱8场氧的生长场氧的生长光刻光刻2,刻有源区掩膜版,刻有源区掩膜版二氧化硅二氧化硅氮化硅氮化硅掩膜版掩膜版N阱阱9去除氮化硅去除氮化硅
2、光刻光刻3,刻多晶硅掩膜版,刻多晶硅掩膜版FOXN阱阱10重新生长二氧化硅(栅氧)重新生长二氧化硅(栅氧)光刻光刻3,刻多晶硅掩膜版,刻多晶硅掩膜版栅氧栅氧场氧场氧场氧场氧N阱阱11生长多晶硅生长多晶硅光刻光刻3,刻多晶硅掩膜版,刻多晶硅掩膜版多晶硅多晶硅多晶硅多晶硅N阱阱12刻蚀多晶硅刻蚀多晶硅光刻光刻3,刻多晶硅掩膜版,刻多晶硅掩膜版掩膜版掩膜版N阱阱13刻蚀多晶硅刻蚀多晶硅光刻光刻3,刻多晶硅掩膜版,刻多晶硅掩膜版多晶硅多晶硅N阱阱14P+离子注入离子注入光刻光刻4,刻,刻P+离子注入离子注入掩膜版掩膜版掩膜版掩膜版P+N阱阱15N+离子注入离子注入光刻光刻5,刻,刻N+离子注入离子注入
3、掩膜版掩膜版N+N阱阱16生长磷硅玻璃生长磷硅玻璃PSGPSGN阱阱17光刻接触孔光刻接触孔光刻光刻6,刻接触孔刻接触孔掩膜版掩膜版P+N+N阱阱18刻铝刻铝光刻光刻7,刻刻Al掩膜版掩膜版AlN阱阱19刻铝刻铝VDDVoVSSN阱阱20光刻光刻8,刻压焊孔刻压焊孔掩膜版掩膜版钝化层钝化层N阱阱212)清华工艺录像清华工艺录像N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺流程工艺流程22初始氧化初始氧化23光刻光刻1,刻,刻N阱阱24N阱形成阱形成N阱阱25Si3N4淀积淀积Si3N4缓冲用缓冲用SiO2P-Si SUBN阱阱26光刻光刻2,刻有源区,场区硼离子注入,刻有源区,场区硼离子注入有源区有源区有源区有源
4、区有源区有源区有源区有源区N阱阱27场氧场氧1N阱阱28光刻光刻3N阱阱29场氧场氧2N阱阱30栅氧化,开启电压调整栅氧化,开启电压调整栅氧化层栅氧化层栅氧化层栅氧化层N阱阱31多晶硅淀积多晶硅淀积多晶硅多晶硅栅氧化层栅氧化层N阱阱32光刻光刻4,刻,刻NMOS管硅栅,管硅栅,磷磷离子注入形成离子注入形成NMOS管管N阱阱NMOSNMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽33光刻光刻5,刻,刻PMOS管硅栅,管硅栅,硼离子注入及推进,形成硼离子注入及推进,形成PMOS管管N阱阱PMOSPMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅用光刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽用光
5、刻胶做掩蔽用光刻胶做掩蔽34磷硅玻璃淀积磷硅玻璃淀积N阱阱磷硅玻璃磷硅玻璃磷硅玻璃磷硅玻璃35光刻光刻6,刻孔、磷硅玻璃淀积回流,刻孔、磷硅玻璃淀积回流(图中有误,没刻出孔(图中有误,没刻出孔)N阱阱36蒸铝、光刻蒸铝、光刻7,刻铝、,刻铝、光刻光刻8,刻钝化孔,刻钝化孔(图中展示的是刻铝后的图形)(图中展示的是刻铝后的图形)N阱阱VoVinVSSVDDP-SUB磷注入磷注入硼注入硼注入磷硅玻璃磷硅玻璃PMOSPMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅NMOSNMOS管硅栅管硅栅管硅栅管硅栅37离子注入的应用离子注入的应用3839N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺流程工艺流程40形成形成N阱阱初始氧化,形成缓冲
6、层,淀积氮化硅层初始氧化,形成缓冲层,淀积氮化硅层光刻光刻1,定义出,定义出N阱阱反应离子刻蚀氮化硅层反应离子刻蚀氮化硅层N阱离子注入,先注磷阱离子注入,先注磷31P+,后注砷,后注砷75As+3)双阱双阱CMOS集成电路的工艺设计集成电路的工艺设计 P sub.100磷磷31P+砷砷75As+41形成形成P阱阱 在在N阱区生长厚氧化层,其它区域被氮化硅层阱区生长厚氧化层,其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化保护而不会被氧化去掉光刻胶及氮化硅层去掉光刻胶及氮化硅层 P阱离子注入,注硼阱离子注入,注硼N阱阱P sub.10042推阱推阱退火驱入,双阱深度约退火驱入,双阱深度约1.8m去掉去掉N阱区
7、的氧化层阱区的氧化层N阱阱P阱阱43形成场隔离区形成场隔离区生长一层薄氧化层生长一层薄氧化层淀积一层氮化硅淀积一层氮化硅光刻光刻2场隔离区,非隔离区被光刻胶保护起来场隔离区,非隔离区被光刻胶保护起来反应离子刻蚀氮化硅反应离子刻蚀氮化硅场区硼离子注入以防止场开启场区硼离子注入以防止场开启热生长厚的场氧化层热生长厚的场氧化层去掉氮化硅层去掉氮化硅层44阈值电压调整注入光刻光刻3,VTP调整注入光刻光刻4,VTN调整注入光刻胶光刻胶31P+11B+45形成多晶硅栅(栅定义)形成多晶硅栅(栅定义)生长栅氧化层生长栅氧化层 淀积多晶硅淀积多晶硅 光刻光刻5,刻蚀多晶硅栅刻蚀多晶硅栅N阱阱P阱阱46形成硅
8、化物形成硅化物淀积氧化层淀积氧化层反应离子刻蚀氧化层,形成反应离子刻蚀氧化层,形成侧壁氧化层(侧壁氧化层(spacer,sidewall)淀积难熔金属淀积难熔金属Ti或或Co等等低温退火,形成低温退火,形成C-47相的相的TiSi2或或CoSi去掉氧化层上的没有发生化学反应的去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或或Co高温退火,形成低阻稳定的高温退火,形成低阻稳定的TiSi2或或CoSi247形成形成N管源漏区管源漏区光刻光刻6,利用光刻胶将,利用光刻胶将PMOS区保护起来区保护起来离子注入磷或砷,形成离子注入磷或砷,形成N管源漏区管源漏区形成形成P管源漏区管源漏区光刻光刻7,利用光刻胶将,利
9、用光刻胶将NMOS区保护起来区保护起来离子注入硼,形成离子注入硼,形成P管源漏区管源漏区48形成接触孔形成接触孔 化学气相淀积化学气相淀积BPTEOS硼磷硅玻璃层硼磷硅玻璃层退火和致密退火和致密光刻光刻8,接触孔版,接触孔版反应离子刻蚀磷硅玻璃,形成接触孔反应离子刻蚀磷硅玻璃,形成接触孔49形成第一层金属形成第一层金属淀积金属钨淀积金属钨(W),形成钨塞,形成钨塞50形成第一层金属形成第一层金属淀积金属层,如淀积金属层,如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等光刻光刻9,第一层金属版,定义出连线图形,第一层金属版,定义出连线图形反应离子刻蚀金属层,形成互连图形反应离子刻蚀金属层,形成互连图形
10、51形成穿通接触孔形成穿通接触孔化学气相淀积化学气相淀积PETEOS,等离子增强正硅酸四乙酯热分解等离子增强正硅酸四乙酯热分解Plasma Enhanced TEOS:tetraethylorthosilicateSi-(OC2H5)4-通过化学机械抛光进行平坦化通过化学机械抛光进行平坦化光刻穿通接触孔版光刻穿通接触孔版反应离子刻蚀绝缘层,形成穿通接触孔反应离子刻蚀绝缘层,形成穿通接触孔形成第二层金属形成第二层金属淀积金属层,如淀积金属层,如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等光刻光刻10,第二层金属版,定义出连线图形,第二层金属版,定义出连线图形反应离子刻蚀,形成第二层金属互连图形反应离
11、子刻蚀,形成第二层金属互连图形正硅酸乙脂(TEOS)分解65075052合金合金 形成钝化层形成钝化层 在低温条件下在低温条件下(小于小于300)淀积氮化硅淀积氮化硅 光刻光刻11,钝化版,钝化版 刻蚀氮化硅,形成钝化图形刻蚀氮化硅,形成钝化图形测试、封装,完成集成电路的制造工艺测试、封装,完成集成电路的制造工艺 CMOS集成电路采用集成电路采用(100)晶向的硅材料晶向的硅材料534)图解双阱硅栅图解双阱硅栅CMOS制作流程制作流程54首先进行表面清洗,去除wafer表面的保护层和杂质,三氧化二铝必须以高速粒子撞击,并用化学溶液进行清洗。甘油甘油甘油55然后在表面氧化二氧化硅膜以减小后一步氮
12、化硅对晶圆的表面应力。涂覆光阻(完整过程包括,甩胶预烘曝光显影后烘腐蚀去除光刻胶)。其中二氧化硅以氧化形成,氮化硅LPCVD沉积形成(以氨、硅烷、乙硅烷反应生成)。56光刻技术去除不想要的部分,此步骤为定出P型阱区域。(所谓光刻胶就是对光或电子束敏感且耐腐蚀能力强的材料,常用的光阻液有S1813,AZ5214等)。光刻胶的去除可以用臭氧烧除也可用专用剥离液。氮化硅用180的磷酸去除或含CF4气体的等离子刻蚀(RIE)。57在P阱区域植入硼(+3)离子,因硅为+4价,所以形成空洞,呈正电荷状态。(离子植入时与法线成7度角,以防止发生沟道效应,即离子不与原子碰撞而直接打入)。每次离子植入后必须进行
13、退火处理,以恢复晶格的完整性。(但高温也影响到已完成工序所形成的格局)。58LOCOS(localoxidationofsilicon)选择性氧化:湿法氧化二氧化硅层,因以氮化硅为掩模会出现鸟嘴现象,影响尺寸的控制。二氧化硅层在向上生成的同时也向下移动,为膜厚的0.44倍,所以在去除二氧化硅层后,出现表面台阶现象。湿法氧化快于干法氧化,因OH基在硅中的扩散速度高于O2。硅膜越厚所需时间越长。59去除氮化硅和表面二氧化硅层。露出N型阱区域。(上述中曝光技术光罩与基片的距离分为接触式、接近式和投影式曝光三种,常用投影式又分为等比和微缩式。曝光会有清晰度和分辩率,所以考虑到所用光线及波长、基片表面平
14、坦度、套刻精度、膨胀系数等)。60离子植入磷离子(+5),所以出现多余电子,呈现负电荷状态。电荷移动速度高于P型约0.25倍。以缓冲氢氟酸液去除二氧化硅层。61在表面重新氧化生成二氧化硅层,LPCVD沉积氮化硅层,以光阻定出下一步的fieldoxide区域。62在上述多晶硅层外围,氧化二氧化硅层以作为保护。涂布光阻,以便利用光刻技术进行下一步的工序。63形成NMOS,以砷离子进行植入形成源漏极。此工序在约1000中完成,不能采用铝栅极工艺,因铝不能耐高温,此工艺也称为自对准工艺。砷离子的植入也降低了多晶硅的电阻率(块约为30欧姆)。还采用在多晶硅上沉积高高熔点金属材料的硅化物熔点金属材料的硅化
15、物(MoSi2、WSi2、TiSi2等),形成多层结构64以类似的方法,形成PMOS,植入硼(+3)离子。(后序中的PSG或BPSG能很好的稳定能动钠离子,以保证MOS电压稳定)。65后序中的二氧化硅层皆是化学反应沉积而成,其中加入PH3形成PSG(phospho-silicate-glass),加入B2H6形成BPSG(boro-phospho-silicate-glass)以平坦表面。所谓PECVD(plasmaenhancedCVD)在普通CVD反应空间导入电浆(等离子),使气体活化以降低反应温度)。6667光刻技术定出孔洞,以溅射法或真空蒸发法,依次沉积钛+氮化钛+铝+氮化钛等多层金属
16、。(其中还会考虑到铝的表面氧化和氯化物的影响)。由于铝硅固相反应,特别对浅的PN结难以形成漏电流(leakcurrent)小而稳定的接触,为此使用TiN等材料,以抑制铝硅界面反应,并有良好的欧姆,这种材料也称为势垒金属(barriermetal)。68RIE刻蚀出布线格局。以类似的方法沉积第二层金属,以二氧化硅绝缘层和介电层作为层间保护和平坦表面作用。69为满足欧姆接触要求,布线工艺是在含有510%氢的氮气中,在400500温度下热处理1530分钟(也称成形forming),以使铝和硅合金化。最后还要定出PAD接触窗,以便进行bonding工作。(上述形成的薄膜厚度的计算可采用光学衍射、倾斜研
17、磨、四探针法等方法测得)。7071 2.典型典型P阱阱CMOS工艺的剖面图工艺的剖面图源源硅栅硅栅漏漏薄氧化层薄氧化层金属金属场氧化层场氧化层p-阱阱n-衬底衬底(FOX)低氧低氧72CMOS processp+p+p-73Process(Inverter)p-subP-diffusionN-diffusionPolysiliconMetalLegend of each layercontactN-wellGND低氧低氧场氧场氧p-subp+InVDDS G DD G S图例图例74Layout and Cross-Section View of InverterInTop View or L
18、ayoutCross-Section ViewP-diffusionN-diffusionPolysiliconMetalLegend of each layercontactVDDGNDGNDOutVDDInverterInOutN-well图例图例75Process field oxidefield oxidefield oxide763.Simplified CMOS Process FlowCreate n-well and active regionsGrow gate oxide(thin oxide)Deposit and pattern poly-silicon layerIm
19、plant source and drain regions,substrate contactsCreate contact windows,deposit and pattern metal layers77N-well,Active Region,Gate OxideCross Sectionn-wellTop ViewS G DD G SMetalMetalMetalPolysiliconn+p+VDDVSSpMOSFETnMOSFET78Poly-silicon LayerTop ViewCross-Section79N+and P+RegionsTop ViewOhmic cont
20、actsCross-Section80SiO2 Upon Device&Contact EtchingTop ViewCross-Section81Metal Layer by Metal EvaporationTop ViewCross-Section82A Complete CMOS InverterTop ViewCross-Section83DiffusionSiO2FETPolysilicon84Transistor-LayoutDiffusionPolysilicon85layersN-DiffusionPoly-siliconMetal1Metal2SiO2SiO2SiO2P-D
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