当前课程知识点:微纳加工技术 > 第十章节 工艺集成 > 第一小节 典型的CMOS制造工艺流程 > 典型的CMOS制造工艺流程
各位同学大家好
今天我们来学习第十章工艺集成
所谓的工艺集成就是指把我们以前学习的
各种加工技术以及工艺模块集成起来
形成一个完整的产品制造流程
让我们先看第一节典型的CMOS工艺集成
典型的CMOS工艺集成电路制造流程
大致可以分为两部分
一部分首先是frond-end-process
就是用来制造CMOS器件
再一个就是back-end-process
用来制造器件之间的互连线的
这一张图给出了CMOS
集成电路剖面结构和主要的加工步骤
那我们看第一步
第一步是利用高能离子注入
分别为PMOS和NMOS器件制造N阱和P阱
第二步是加工器件之间隔离所需要的STI
shallow trench isolation
其实第一步和第二步之间的次序不是绝对的
可以倒过来
还有第三步是形成CMOS器件的栅
那包括栅介质的制备
栅线条的光刻和刻蚀
这一步是咱们集成所有的技术里头
工艺技术要求最高的一步
那么因为它这个栅线条是所有最细一个
那么栅介质我们以前也说过
只有两三个纳米的厚度
第四步是利用这个
利用栅掩蔽形成自对准的源漏轻掺杂区
第五步是形成栅两侧的Si3N4 spacer层
第六步是利用带spacer层
这个栅作为隐蔽
那么来注入形成自对准的源漏接触掺杂区
第七步和第八步制备自对准硅化物
形成欧姆接触区和局部互连
那么可以看到第四步第五步第六步第七步
加起来呢
那么就是我们以前介绍的工艺模块
那一节介绍的Salicide工艺模块
那么这以前所有的工艺
就是我们所说的frond-end-process到这一步
我们就把器件制造好了
那么从第九步开始
就是要做互连线
就是所谓的back-end-process
完成一层金属镀线的工艺
包括层间介质的淀积
通孔和线槽的刻蚀金属填充CMP等等
这些我们在工艺模块中
大马士革工艺模块那一节
已经做了详细的介绍
那么现在集成电路CMOS器件的
个数已经达到这个10亿的量级
而且每个器件有三个引出端
需要多层的立体互连网络来实现互连
那么互连的层数往往10层左右
所以呢back-end-process基本上就是这样一层一层做上去
那么重复这个大马士革工艺
那么在工艺集成中
有一些共性这个事情呢是要注意的
一个呢是后续的工艺
不能影响已经形成的材料和掺杂结构的稳定
所以原则上讲后续工艺的温度
或者是温度时间乘积
也就是我们所说thermal budget
要低于前面的工艺
那么前面工艺的掺杂
要尽可能采用扩散系数小这样一个掺杂元素
那么这样的话在后续热处理
这个掺杂分布就不容易变化
再有前面的工艺要尽可能采用稳定的
这个材料结构
这是第一要注意的问题
第二要注意的问题呢
我们要控制整个工艺流程这个thermal budget
对于前步工艺呢形成的掺杂结构
后步工艺对这个掺杂分布的影响要考虑在内
就是说一方面要尽可能减少影响
另外一个方面如果这个影响不可消除的时候
我就事先要考虑进去这是第二个原则
第三个原则呢就是要尽量避免引入
像钠钾铂金啊等等这些快扩散的元素和
重金属元素
实在不可避免的时候
那么就要做一个隔离层
你譬如说大马士革工艺里头讲的
那么我们布线一定要用铜不能用铝
那么铜实际上在介质和半导体都是快扩散
如果一定要用铜怎么办
我要加一层阻挡层
那么这是工艺集成要注意的一些共性问题
那这样让我们看一下
一个典型的CMOS集成电路
整个制造的过程的
那么这里头涉及整个流程
实际上我们在工艺模块大部分讲到了
所以这里简单在给同学们过一下
那么我们要做一个集成电路
从wafer衬底开始
我们第一步实际上要做他的隔离
所谓的STI 那么STI制造这个过程
大概是在衬底上我们先找一层
二氧化硅的这个垫层
然后找一层氮化硅
这个氮化硅将来是作为刻蚀的掩膜的
我们光刻我们有源区的图形
那么刻蚀氮化硅图形
以及利用氮化硅刻出这个浅槽
在硅上刻出这个浅槽
刻出这个浅槽之后
我们要先用热氧化找一层质量好的二氧化硅
那么这样使的浅槽隔离的介质和硅之间呢
有一个良好的界面
氧化好了之后我们就用CVD的办法
淀积二氧化硅之后
用CMP的抛光
那么CMP我们可以利用这个氮化硅层
作为CMP的截至层
用这个湿法腐蚀把这个氮化硅去掉
这样的话我们就完成了这个浅槽隔离这一步
这样有效定义好了
我们在这个硅面上
哪个区域是有源区
将来可以做这个CMOS器件
哪些区域是隔离区
这个完成之后实际上要做N阱和P阱
那么N阱和P阱分别保护
分别用高能离子注入
就可以做N阱和P阱
那么做完N阱和P阱之后
我们做沟道的掺杂
那么器件的沟道掺杂
是一个很复杂的一个结构
总得来说它要使的沟道这个掺杂元素
能够以我们需要的器件的阈值电压相匹配
同时呢我要准备沟道尽量不要向下扩展
因为沟道的话将来向下扩展的时候
会引起器件穿通
所以做一系列的多层这样一个注入
那么防穿通的注入
沟道掺杂的注入
这些我们都做完阱之后
多次注入来完成
那么N管和P管都对应做这些工作
这样的话我们就完成了N阱和P阱
以及相应的沟道注入
这个完成之后我们就要做栅
做栅的时候刚才就是说
首先要做一层薄栅介质
栅介质只有几个纳米的厚度
之后在上面做掺杂这个多晶硅
那么这个多晶硅之后呢
我们要做光刻和刻蚀
这个光刻和刻蚀主要的要求是
光刻的时候线条非常细
你比如说我们的22纳米工艺
22纳米工艺的话
它的栅宽只有22纳米
栅的厚度有几百个纳米
而且呢将来的刻蚀的时候
要做很陡直的刻蚀
刻蚀完了之后我要停在几纳米这个栅介质上
那么这个是栅的形成
一旦栅形成了之后
就是我们的Salicide工艺模块
他的制作过程
首先我利用已经形成的栅作为掩蔽
来做extension
源漏轻掺杂层成这样一个注入
那么我注P管的时候
我用光刻胶把N管保护
然后我做完这个P管之后
我用光刻胶把这个P管保护来做N管这个注入
之后呢我们有的时候
为了防止这个器件的穿通
我们还可以做一些Halo结构的注入
我们有可能利用这样一个栅
做一些倾斜这个注入
那么注入了之后
我们就要这个做这个侧墙
那么做这个侧墙这个spacer层
它这个流程是首先
淀积一层conformal也就是各向同性氮化硅
氮化硅淀积好了之后
我利用反应离子刻蚀的
RIE各向异性的刻蚀
使的把这个栅的表面和源漏表面
这个氮化硅把它刻蚀掉
而把栅侧面的这个氮化硅保留
这样就完成了Spacer层的加工
这个将来是要起到栅和源漏
这个接触之间这个绝缘的
那么这个Spacer层完成了之后
我用带Spacer层这样一个栅来掩蔽
来做源漏接触区的自对准
那么这个接触区自对准做完之后
我们就完成了整个两次掺杂自对准这个过程
之后呢我们就是做这个硅化物
硅化物我们的做法就是淀积一层
要做硅化物的这个金属
你譬如说我们做钛硅化合物的话
那淀积一层钛
我们之后做合金
合金的时候呢
那么裸露出硅的部分
也就是这个栅这个表面以及源漏的表面
那么它就形成稳定的硅化物
那么其他的部分
你比如说在Spacer层的表面
以及在STI介质的表面
这个钛金属仍然是钛金属没有产生变化
之后我用比如 氢氟酸
与这个金属反应 那么就
把已经变成硅化物的钛硅化物保留下来
把这个金属这个钛就腐蚀掉
这样我们就形成自对准硅化物的材料
这个硅化物只是在栅这个上面和源漏
需要做欧姆接触的地方有
这样我们就完成了这个Salicide
工艺模块
Salicide 完成了之后
就是做第一层的这个接触淀积
那么我们首先淀积第一层的这个介质材料
然后刻第一层的孔
然后长一层这个黏附层
黏附层这个作用呢
就是使的因为这个接触材料
将来会是用CVD的钨来做
那么CVD的钨为了提高这个CVD钨
与这个介质层的这个可靠性
我们通常用TiN
作为一个黏附层先溅射一层TiN
之后呢我们CVD这个钨
CVD的钨之后呢CMP
这样我们就完成了第一层的这样一个接触
接触了之后
我们就是做一层一层的互连线
互连线很可能有十层
但是呢每一层这个制造流程
那么如果我们要用铜布线
就是上一节大马士革工艺讲的那个工艺步骤
那我们可以做一层一层的金属布线
一层一层做上去
这样就完成了整个CMOS
制造的整个工艺流程
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