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cmos基本工艺流程,cmos集成电路的基本工艺流程

时间:2023-05-06 16:52:33 阅读:275373 作者:3872

(1)选择衬底:

晶圆的选择需要考虑三个参数:掺杂类型(N或P)、电阻率(掺杂浓度)、晶向。这里选择P型高掺杂的Si晶圆(Silicon Substrate P+)、低掺杂的Si外延层(Silicon Epi Layer P-)。

(2)隔离浅槽(Shallow Trench Isolation,简称STI)制作:

①热氧化:形成一个SiO2薄层,厚度约20nm,高温水蒸气或氧气气氛生长,用于缓解后续步骤形成的Si3N4对Si衬底造成的应力。

②Si3N4沉积:厚度约250nm,化学气相沉积(CVD),作为后续STI刻蚀的硬掩膜和CMP的停止层。

③STI光刻:光刻胶厚度约0.5-1.0μm,匀胶、曝光、效应,用于隔离浅槽(Shallow Trench Isolation,简称STI)图形定义。

④STI hard mask刻蚀:Si3N4+SiO2刻蚀,基于氟基气体的反应离子刻蚀(Reactive Ion Etch,简称RIE),将光刻胶图形转移到硬掩膜上,相比PR CD lost小,侧壁角度陡。

⑤隔离浅槽刻蚀:基于氟基气体的反应离子刻蚀,定义晶体管的有源区。

⑥除去STI光刻的光刻胶:氧等离子体去胶,把光刻胶成分氧化为气体。

⑦STI槽填充:SiO2沉积,用氧化物填充隔离浅槽,厚度约0.5-1.0μm,厚度和浅槽深度及几何形状有关,化学气相沉积(CVD)。

⑧STI填充后抛光:化学机械抛光(CMP)除去表面的氧化层,到氮化硅层为止。

⑨除去氮化硅抛光停止层:热磷酸(H3PO4)湿法腐蚀,约180℃。

(3)N-阱和P-阱制作:

①N-well离子注入光刻:光刻胶厚度比较厚,用于阻挡离子注入,用于N-阱的定义(retrograde well)。

②N-阱离子注入:高能磷离子(phosphorous(-)ions)注入,形成局部N型区域,用于制造PMOS管。

③除去光刻胶。

④P-well离子注入光刻:光刻胶厚度比较厚,用于阻挡离子注入,用于P-阱的定义。

⑤P-阱离子注入:高能硼离子(boron(+)ions)注入,形成局部P型区域,用于制造NMOS管。

⑥除去光刻胶。

⑦退火:在600-1000℃的H2环境中加热,修复离子注入造成的Si表面晶体损伤,注入杂质的电激活,同时会造成杂质的进一步扩散,快速加热工艺(Rapid Thermal Processing,简称RTP)可以减少杂质的扩散。

(4)Poly Gate制作:

①牺牲氧化层(Sacrificial Oxide)生长,厚度约25nm,用来捕获Si表面的缺陷。

②除去牺牲氧化层,HF溶液湿法腐蚀,剩下洁净的Si表面。

③栅氧化层(Gate Oxide)生长,工艺中最关键的一步,厚度2-10nm,要求非常洁净,厚度精确(±1Å),用作晶体管的栅绝缘层。

④多晶硅沉积,厚度约150-300nm,化学气相沉积。

⑤Poly Gate光刻,工艺中最关键的图形转移步骤,栅长(Channel Length)的精确性是晶体管开关速度的首要决定因素,使用最先进的曝光技术–深紫外光(DUV),光刻胶厚度比其他步骤薄。

⑥多晶硅刻蚀,基于氟的反应离子刻蚀(RIE),必须精确的从光刻胶得到多晶硅的形状(Poly Gate Electrode)。

⑦除去光刻胶。

(5)衔接注入:

①多晶硅氧化,在多晶硅表面生长薄氧化层(Poly Re-oxidation),用于缓冲隔离多晶硅和后续步骤形成的Si3N4。

②光刻,用于控制NMOS管的衔接注入。

③NMOS管衔接注入,低能量、浅深度、低掺杂的砷离子(Arsenic(-)Ions)注入,衔接注入用于削弱栅区的热载流子效应。

④除去光刻胶。

⑤光刻,用于控制PMOS管的衔接注入。

⑥PMOS管衔接注入,低能量、浅深度、低掺杂的BF2+离子注入,衔接注入用于削弱栅区的热载流子效应。

⑦除去光刻胶。

(6)源/漏极离子注入:

①Si3N4沉积,厚度约120-180nm,CVD。

②Si3N4刻蚀,水平表面的薄层Si3N4被刻蚀,留下隔离侧墙(Spacer Sidewall),侧墙精确定位晶体管源区和漏区的离子注入,RIE。

③光刻,用于控制NMOS管的源/漏区注入。

④NMOS管源/漏注入,浅深度、重掺杂的砷离子注入,形成重掺杂的源/漏区,隔离侧墙(Spacer Sidewall)阻挡了栅区附近的注入。

⑤除去光刻胶。

⑥光刻,用于控制PMOS管的源/漏区注入。

⑦PMOS管源/漏区注入,浅深度、重掺杂的BF2+离子注入,形成了重掺杂的源/漏区,隔离侧墙(Spacer Sidewall)阻挡了栅区附近的注入。

⑧除去光刻胶。

⑨退火,源/漏区杂质横向扩散在隔离侧墙下形成Lightly Doped “Tips”(Halo),用RTP工艺,消除杂质在源/漏区的迁移。

(7)接触孔制作:

①除去表面氧化物,在HF溶液中快速浸泡,使栅、源、漏区的Si暴露出来。

②Ti沉积,厚度20-40nm,溅射工艺,Ti沉积在整个晶圆表面。

③TiSi2形成,RTP工艺,N2气氛,800℃,在Ti和Si接触的区域形成TiSi2(Titanium Silicide),其他区域的Ti没有变化,称为自对准硅化物工艺(Salicide)。

④Ti刻蚀,NH4OH+H2O2湿法腐蚀,未参加反应的Ti被刻蚀,TiSi2保留下来,形成Si和金属之间的欧姆接触。

⑤硼磷硅玻璃(BPSG)沉积,CVD,厚度约1μm,SiO2并掺杂少量硼和磷,改善薄膜的流动性和禁锢污染物的性能,这一绝缘隔离器件和第一金属。

⑥BPSG抛光,CMP,在BPSG上获得一个光滑的表面。

⑦接触孔光刻,用于定义接触孔(Contacts),这是一个关键的光刻步骤。

⑧接触孔刻蚀,基于氟的RIE,获得垂直的侧墙,提供金属和底层器件的连接。

⑨除去光刻胶。

⑩TiN沉积(Titanium Nitride),厚度约20nm,溅射工艺,有助于后续的钨层附着在氧化层上。

⑩①钨沉积,CVD,厚度不少于接触孔直径的一半,填充接触孔。

⑩②钨抛光,CMP,除去表面的钨和TiN,留下钨塞填充接触孔(W Contact Plug)。

(8)第一层互连(Metal1)制作:

①第一层金属(Metal1)沉积,实际上由多个不同的层组成,由下向上依次为Ti(electromigration shunt,200Å)+TiN(diffusion barrier,500Å)+Al-Cu(main conductor,5000Å)+TiN(antireflective coating,500Å),溅射工艺。

②Metal1光刻,用于定义Metal1互连。

③Metal1刻蚀,基于氯的RIE,由于Metal1由多层金属组成,所以需要多个刻蚀步骤。

④除去光刻胶。

(9)通孔(Vias)制作:

①金属间绝缘体(IMD)沉积,未掺杂的SiO2(USG),连续的CVD和刻蚀工艺,厚度约1μm,填充在金属线之间,提供金属层之间的绝缘隔离。

②IMD抛光,CMP。

③光刻,用于定义通孔(Vias)。

④通孔刻蚀,基于氟的RIE,获得垂直的侧墙,提供金属层之间的连接。

⑤除去光刻胶。

⑥TiN和钨沉积(W Via Plug),方法和原理同(7)接触孔(W Contact Plug)。

⑦钨和TiN抛光,方法和原理同(7)接触孔。

(10)第二层互连(Metal2)制作:

①Metal2沉积,类似于Metal1,厚度和宽度增加,连接更长的距离,承载更大的电流。②光刻,相邻的金属层连线方向垂直,减小层间的感应耦合。

③Metal2刻蚀,类似于Metal1。

④除去光刻胶。

(11)钝化层(Passivation)制作:

①钝化层(Passivation)沉积,多种可选的钝化层,Si3N4、SiO2、聚酰亚胺等,保护电路免受刮擦、污染、受潮等。

②钝化层成形,压焊点打开,提供外界对芯片的电接触。

(12)完成。

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