半導(dǎo)體制程概論蕭宏cha.ppt

1、Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,1,Chapter 13製程整合,Hong Xiao, Ph. D. www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,2,目標(biāo),列出三種絕緣形成的方法 描述側(cè)壁空間層製程和應(yīng)用 解釋臨界電壓 VT 調(diào)整佈植的目的 列出三種用在MOSFET匣極的導(dǎo)體 列出用來作為局部連線製程的三種金屬 列出銅金屬化製成的基本步驟 辨識在一個(gè)積體電路晶片中最常

2、被用來當(dāng)做最後鈍化層的材料,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,3,簡介,完成一個(gè)積體電路晶片的製造需要三十個(gè)光罩以及幾百個(gè)製程步驟. 每一個(gè)步驟都和其他的步驟有關(guān). CMOS 製程 前段 井區(qū)形成、絕緣以及電晶體製造 後段 局部連線和鈍化製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,4,晶圓準(zhǔn)備,CMOS IC晶片通常使用 方向的單晶矽晶圓 雙載子和BiCMOS晶片通常使用 方向的晶圓. 1960 到1970年代中期, PMOS積體電路晶片是

3、使用n型晶圓 1970年代中期之後, NMOS是使用 p型晶圓 由於歷史性的緣故，CMOS係從 NMOS製程發(fā)展，使用p型晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,5,NMOS 和 CMOS 製程,最簡單的NMOS IC積體電路製程有五道光罩步驟：活化、匣極、接觸窗、金屬以及連接墊區(qū) 早期的CMOS IC製程多增加三道光罩步驟 : n型井區(qū)(對p型基片), 活化, 匣極, n型源極/汲極, p型源極/汲極, 接觸窗, 金屬和連接墊區(qū) 兩種製程都使用p型晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.

4、cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,6,NMOS,P型矽,多晶矽,匣極氧化層,PSG,PSG,PSG,場區(qū)氧化層,氮化矽,鋁矽合金,場區(qū)氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,7,1980年代早期的CMOS,USG,AlCuSi,BPSG,氮化矽,P型基片,p,+,p,+,N型井區(qū),n,+,n,+,p,+,p,+,SiO,2,多晶矽匣極,LOCOS,匣極氧化層,絕緣佈植,氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,8,

5、矽磊晶層,雙載子電晶體和BiCMOS晶片需要矽磊晶層來形成一個(gè)深埋層 有一些功率元件甚至需要用懸浮帶區(qū)長晶法(floating zone method)製造的晶圓 當(dāng)CMOS晶片速度不是非常高時(shí)，就不需要磊晶層 高速CMOS晶片需要磊晶層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,9,矽磊晶層,使用查克洛斯基(CZ)法製造的晶圓由於使用石英坩鍋通常都會帶有一些氧 氧會減少載體的生命週期並且降低元件的速度 磊晶矽層可以製造出一個(gè)無氧的基片而達(dá)到很高的元件速度,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.

6、tx.us/HongXiao/Book.htm,10,矽磊晶層,RCA清潔製程用來移除矽晶圓表面的污染物 無水的HCl乾式清潔可以幫助移除可移動的離子和原生氧化層 磊晶矽的成長: 高溫CVD 矽源: 矽烷 或二氯矽烷或三氯矽烷 H2 作為製程氣體、載氣和吹除淨(jìng)化的氣體 AsH3 或 PH3 作為n型摻雜物的氣體 B2H6作為p型摻雜物的氣體,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,11,IC製造使用的晶圓,先進(jìn)的CMOS IC晶片通常使用帶有p型磊晶層的 p型 單晶矽晶圓 雙載子 IC晶片通常使用 晶圓,Hong Xia

7、o, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,12,井區(qū)形成,單井區(qū) 自我對準(zhǔn)式的雙井區(qū) 雙井區(qū),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,13,單井區(qū),早期CMOS IC製程 p型晶圓上的N型井區(qū) n型晶圓上的P型井區(qū) 高能量低電流的離子佈植 加熱退火 / 驅(qū)入,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,14,N型井區(qū)的形成步驟,晶圓清洗,屏蔽氧化層成長,井區(qū)光罩,離子佈植 (a),光阻剝除,退火及

8、驅(qū)入 (b),屏蔽氧化層 (c),P型矽,N型井區(qū),(a),(b),(c),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,15,帶有P型井區(qū)的CMOS,N型矽,P型井區(qū),n+,n+,場區(qū)氧化層,多晶矽,匣極氧化層,p+,p+,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,16,P型基片,p,+,p,+,N型井區(qū),SiO,2,多晶矽匣極,LOCOS,匣極氧化層,絕緣佈植,n,+,n,+,p,+,p,+,帶有N型井區(qū)的CMOS,Hong Xiao, Ph. D.,

9、www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,17,自我對準(zhǔn)式的雙井區(qū),設(shè)計(jì)者有更多的彈性 自我對準(zhǔn)製程可以節(jié)省一道光罩步驟 LPCVD氮化矽( Si3N4 )是非常緻密的薄膜 阻絕離子佈植穿透p型井區(qū) 防止在p型井區(qū)產(chǎn)生氧化反應(yīng) 在n型井區(qū)上的厚氧化層可以阻擋形成P型井區(qū)的離子佈植,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,18,自我對準(zhǔn)式的雙井區(qū),晶圓清洗,成長襯墊氧層,沉積氮化矽 (a),N型井區(qū)光罩,蝕刻氮化矽,剝除光阻,N型井區(qū)佈植 (b),退火/ 驅(qū)入及氧化 (c),剝除氮化矽,

10、P型井區(qū)佈植 (d),退火及 驅(qū)入,剝除氧化層 (e),矽,氮化矽,磷離子,(a),(b),(c),(d),(e),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,19,自我對準(zhǔn)式的雙井區(qū),優(yōu)點(diǎn): 減少一個(gè)光罩步驟 降低成本 改善IC晶片良率. 缺點(diǎn): 晶圓表面不再平坦 N型井區(qū)總是比P型井區(qū)要低 影響微影製程的解析度 影響薄膜的沉積,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,20,自我對準(zhǔn)式的雙井區(qū),先形成N型井區(qū) 磷在單晶矽擴(kuò)散速率要比硼低 如果p型井區(qū)

11、先佈植，在n型井區(qū)的退火及摻雜物驅(qū)入期間，硼的擴(kuò)散會失去控制,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,21,雙井區(qū),兩個(gè)光罩步驟 平坦表面 常見在先進(jìn)的CMOS IC晶片製造 高能量低電流的佈植機(jī) 高溫爐執(zhí)行井區(qū)的退火和驅(qū)入製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,22,雙井區(qū),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,23,絕緣技術(shù),整面全區(qū)覆蓋式氧化層 矽的局部氧化 (

12、LOCOS) 淺溝槽絕緣 (STI),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,24,整面全區(qū)覆蓋式氧化層,用在早期的積體電路工業(yè) 簡單又直接的製程 氧化和蝕刻 厚度由場區(qū)臨界電壓VFT決定 VFT V 防止鄰近電晶體的交互影響,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,25,矽局部氧化絕緣的形成,晶圓清洗,成長襯墊氧化層,LPCVD 氮化矽 (a),光罩 1, LOCOS,蝕刻氮化矽,剝除光阻,絕緣佈植(硼)(b),濕式氧化, 形成矽局部氧化LOCO

13、S (c),剝除氮化矽及襯墊氧化層 (d),(a),(b),(c),(d),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,26,P型基片,晶圓清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,27,襯墊氧化層,P型基片,襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,28,襯墊氧化層,P型基片,氮化矽,LPCVD 氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.

14、cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,29,襯墊氧化層,P型基片,光阻,氮化矽,光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,30,矽局部氧化光罩,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,31,P型基片,光阻,氮化矽,矽局部氧化光罩,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,32,P型基片,光阻,氮化矽,矽局部氧化光罩曝光,Hong Xiao, Ph. D.

15、,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,33,氮化矽,P型基片,光阻,顯影,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,34,氮化矽,P型基片,光阻,蝕刻氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,35,氮化矽,P型基片,剝除光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,36,氮化矽,P型基片,p+,p+,絕緣佈植,Hong Xiao,

16、 Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,37,P型基片,氮化矽,p+,p+,SiO2,加熱氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,38,P型基片,p+,p+,SiO2,剝除氮化矽、多晶矽及襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,39,矽局部氧化的問題,鳥嘴 二氧化矽內(nèi)部的等向性擴(kuò)散所引起 在氮化矽層下成長 浪費(fèi)許多矽表面區(qū)域 不平坦的表面 氧化層在矽表面上成長 影響微影製程和薄

17、膜沉積,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,40,矽局部氧化的鳥嘴,鳥嘴,LOCOS,LOCOS,元件區(qū),元件區(qū),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,41,多晶矽緩衝層(PBL) LOCOS,降低 “鳥嘴” 在LPCVD 氮化矽之前沉積多晶矽 橫向擴(kuò)散的氧會被多晶矽層所消耗 把鳥嘴降低到 0.1 0.2 mm.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,42,多晶矽緩衝

18、層(PBL) LOCOS,成長襯墊氧化層、沉積多晶矽及氮化矽,蝕刻氮化矽、多晶矽及氧化層、硼佈植,氧化反應(yīng),剝除襯墊氧化層、多晶矽及氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,43,淺溝槽絕緣(STI),LOCOS 和 PBL當(dāng)圖形尺寸縮小到 0.5 mm之前都運(yùn)作的很好 當(dāng)最小圖形尺寸小於0.35 mm ，鳥嘴就不再是可容忍的了 以矽蝕刻和溝槽的氧化反應(yīng)來減少氧化物的侵蝕 發(fā)展淺溝槽絕緣製程和用CVD氧化物溝槽填充的製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao

19、/Book.htm,44,淺溝槽絕緣和矽局部氧化,淺溝槽絕緣 沒有鳥嘴 平滑的表面 更多的製程步驟 矽局部氧化 簡單, 便宜和產(chǎn)量保證 在圖案尺寸小於0.35 mm 以前，在IC生產(chǎn)製造中使用,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,45,淺溝槽絕緣和矽局部氧化,早期的STI製程 氧化物回蝕刻 選擇適當(dāng)?shù)腃F4/O2 終端點(diǎn)的判斷藉由C-N譜線 先進(jìn)的STI製程 : 氧化物 CMP 較佳的製程控制 良率較高,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,

20、46,P型基片,早期的STI: 晶圓清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,47,襯墊氧化層,P型基片,早期的STI: 成長襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,48,襯墊氧化層,P型基片,氮化矽,早期的STI : LPCVD氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,49,襯墊氧化層,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : 光阻塗佈,Hong Xi

21、ao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,50,早期的STI : STI光罩,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,51,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : STI 光罩對準(zhǔn),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,52,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : STI 光罩曝光,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book

22、.htm,53,P型基片,光阻,氮化矽,早期的STI : 顯影,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,54,氮化矽,P型基片,光阻,早期的STI : 蝕刻氮化矽和襯墊氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,55,P型基片,氮化矽,早期的STI : 剝除光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,56,P型基片,氮化矽,早期的STI : 蝕刻矽,Hong Xiao,

23、 Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,57,P型基片,氮化矽,早期的STI :成長阻擋氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,58,P型基片,通道阻絕佈植,氮化矽,早期的STI : 通道阻絕佈植,硼,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,59,P型基片,氮化矽,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : CVD氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

24、.tx.us/HongXiao/Book.htm,60,P型基片,氮化矽,通道阻絕佈植,CVD氧化層,光阻,早期的STI : 光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,61,P型基片,氮化矽,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 氧化層回蝕刻,停止於氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,62,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 剝除氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

25、.tx.us/HongXiao/Book.htm,63,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,光阻,早期的STI : 光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,64,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 氧化層回蝕刻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,65,P型基片,通道阻絕佈植,CVD氧化層,早期的STI : 氧化層退火,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao

26、/Book.htm,66,先進(jìn)STI,不需要通道阻絕離子佈植來提升場域的臨界電壓. 溝槽填充製程可以藉著加熱的O3-TEOS製程達(dá)到 必須在超過1000 C的氧環(huán)境下退火以使薄膜變的緻密 高密度電漿製程沉積的氧化物不需要加熱退火製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,67,先進(jìn)的STI: 襯墊氧化層和LPCVD氮化矽,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,68,先進(jìn)的STI : STI 光罩

27、,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,69,先進(jìn)的STI : 蝕刻氮化矽,氧化物和矽 以及剝除光阻,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),氮化矽,氮化矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,70,先進(jìn)的STI : 高密度電漿 CVD 沉積USG,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),氮化矽,氮化矽,USG,USG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,71,

28、先進(jìn)的STI : CMP USG, 停止於氮化矽,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),Nitride,Nitride,USG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,72,先進(jìn)的STI : 氮化矽剝除,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),USG,STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,73,電晶體的製造,金屬匣極 自我對準(zhǔn)匣極 低摻雜汲極 (LDD) 臨界電壓調(diào)整佈植 抗接面擊穿(Anti punch-through) 金屬以及

29、高-k 匣極MOS,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,74,電晶體的製造: 金屬匣極,先形成源極及汲極 用二氧化矽擴(kuò)散摻雜當(dāng)作擴(kuò)散阻擋層 帶有源極/汲極的對準(zhǔn)匣極，對匣極區(qū)域蝕刻並且成長匣極氧化層 第三道光罩定義出接觸窗孔 第四道光罩形成金屬匣極和連線. 最後的光罩定義出連接墊區(qū),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,75,晶圓清洗, 場區(qū)氧化層和光阻塗佈,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/Hon

30、gXiao/Book.htm,76,微影技術(shù)和氧化物蝕刻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,77,源極/ 汲極 摻雜和匣極氧化,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,78,接觸窗孔, 金屬化和鈍化,N型矽,p,+,p,+,匣極氧化層,場區(qū)氧化層,AlSi,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,79,自我對準(zhǔn)匣極,離子佈植簡介 NMOS 取代PMOS 多晶矽取代鋁成為

31、匣極材料 鋁合金不能承受佈植後熱退火所需的高溫,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,80,自我對準(zhǔn)匣極,元件區(qū)域作為電晶體製造區(qū)域 匣極氧化和多晶矽沉積 匣極光罩定義出匣極和連線. 在離子佈植和加熱退火後電晶體就製造完成 先進(jìn)的MOSFET以此製程製造,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,81,電晶體的製造:自我對準(zhǔn)匣極,p-Si,匣極氧化層,多晶矽,匣極,磷離子佈植,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.

32、us/HongXiao/Book.htm,82,熱電子效應(yīng),匣極寬度小於2 微米 電場的垂直分量會高到足以加速電子穿隧通過薄的匣極氧化層 熱電子效應(yīng) 匣極漏電流影響電晶體的性能 匣極氧化層的電子捕捉效應(yīng)而造成積體電路晶片可靠性的問題 LDD 用來抑制熱電子效應(yīng),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,83,熱電子效應(yīng),n,+,匣極氧化層,源極,汲極,P型矽,n,+,VD 0,VGVT0,多晶矽,電子注入,e-,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm

33、,84,低摻雜汲極形成,低能量、低電流的離子佈植 非常低的摻雜濃度的淺型接面且剛好延伸到匣極的下面 側(cè)壁空間層在沉積和回蝕刻介電質(zhì)之後形成 高電流低能量的離子佈植形成重度摻雜的源極/汲極接面 藉著側(cè)壁空間層和匣極分隔開,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,85,低摻雜汲極形成,降低源極/汲極偏壓所引起的電場的垂直分量 減少可穿隧的電子數(shù)量 抑制熱電子效應(yīng),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,86,P型矽,蝕刻多晶矽、光阻剝除和多晶矽退火,匣

34、極氧化層,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,87,P型矽,LDD, n,LDD佈植,匣極氧化層,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,88,P型矽,LDD, n,沉積氮化矽,匣極氧化層,氮化矽層,多晶矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,89,P型矽,LDD, n,氮化矽蝕刻,匣極氧化層,側(cè)壁空間層,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph

35、. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,90,源極 汲極 佈植,P型矽,LDD, n,匣極氧化層,側(cè)壁空間層,+,n,+,n,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,91,P型矽,LDD, n,佈植退火,匣極氧化層,側(cè)壁空間層,+,n,+,n,多晶矽匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,92,摻雜物擴(kuò)散緩衝,尺寸到次0.18 mm, 供應(yīng)電壓降到1.5 V時(shí), 熱電子效應(yīng)就不再這麼

36、重要了 LDD佈植製程或許有可能不再需要. 側(cè)壁空間層仍然需要用來提供一個(gè)擴(kuò)散緩衝區(qū)以供源極汲極接面的摻雜物使用.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,93,摻雜物擴(kuò)散緩衝,匣極氧化層,多晶矽 匣極,側(cè)壁空間層,源極/汲極,源極/汲極,多晶矽 匣極,匣極氧化層,多晶矽 匣極,匣極氧化層,匣極氧化層,多晶矽 匣極,側(cè)壁空間層,退火之後，源極 / 汲極正對位,退火之後，源極 / 汲極距離太近,(a),(b),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,

37、94,臨界電壓VT 調(diào)整佈植,可以控制MOSFET的臨界電壓 確保供應(yīng)電壓可以開啟或關(guān)閉在積體電路晶片中的MOSFET 低能量、低電流佈植 通常是在匣極氧化層成長之前執(zhí)行 兩個(gè)佈植製程: p型和n型,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,95,VT調(diào)整佈植,晶圓清洗,成長犧牲氧化層 (a),元件區(qū)光罩,臨界電壓調(diào)整的佈植 (b),剝除光阻,退火,剝除犧牲氧化層 (c),(b),(a),(c),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,96,抗接面擊

38、穿佈植,抗接面擊穿效應(yīng) 源極和汲極的空乏區(qū)受到匣極基片偏壓和源極汲極偏壓的影響互相短路時(shí)發(fā)生 抗接面擊穿佈植 中等能量、低電流 保護(hù)電晶體體抗擊穿的效應(yīng) 通常是和井區(qū)佈植一起執(zhí)行,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,97,抗接面擊穿佈植,抗接面擊穿,N型井區(qū),磷離子佈植,P型矽,光阻,光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,98,大傾角佈植,另一個(gè)用來避免接面擊穿的佈植製程 低能量和低電流 大的入射角, 45,Hong Xiao, Ph.

39、 D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,99,大傾角佈植,P型矽,VT 調(diào)整,多晶矽匣極,STI,光阻,光阻,45,45,大傾角接面,p,p,光阻,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,100,高-k 匣極介電質(zhì),元件尺寸縮小導(dǎo)致匣極氧化層變的太薄甚至無法在一伏特的電壓下可靠的運(yùn)作 對於 0.1 mm的元件需要高-k介電質(zhì)來取代 SiO2 作為匣極介電質(zhì)材料 高-k,，較厚的匣極介電質(zhì)，防止匣極穿隧漏電和介電質(zhì)崩潰 匣極電容必須大到足夠保持夠多的電荷來開啟MOSFET,Ho

40、ng Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,101,金屬匣極,電阻較低 協(xié)助改善元件的速度 未來電晶體的製造製程 金屬和高-k 介電質(zhì)匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,102,剝除光阻,STI,P型井區(qū),多晶矽,STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,103,延伸區(qū)離子佈植,STI,P型井區(qū),STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

41、.tx.us/HongXiao/Book.htm,104,氧化層/ 氮化矽回蝕刻,STI,P型井區(qū),STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,105,RPCVD 沉積氮化矽,STI,P型井區(qū),STI,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,106,CVD沉積PSG,STI,P型井區(qū),PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,107,剝除氮化矽,ST

42、I,P型井區(qū),PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,108,剝除多晶矽,STI,P型井區(qū),PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,109,剝除氧化層,STI,P型井區(qū),PSG,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,110,沉積五氧化二鉭 (Ta2O5) 和快速加熱退火,STI,P型井區(qū),PSG,STI,PSG

43、,Ta2O5,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,111,CVD 沉積鎢金屬,STI,P型井區(qū),PSG,W,鎢金屬,STI,PSG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,112,CMP 研磨五氧化二鉭層,STI,P型井區(qū),PSG,W,STI,PSG,鎢金屬匣極,Ta2O5 匣極介電質(zhì),氮化矽,n+,n+,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,113,金屬和高-k 匣極

44、 MOSFET 虛設(shè)匣極製程,對IC 元件尺寸小於0.1 mm PSG CMP, 多晶矽和氧化層剝除，和高-k 介電質(zhì)沉積. Ta2O5, k 25, TiO2 k 高達(dá)80, 和 HfO2 CVD 加上 RTA 製程 由於製程太過複雜，或許不會用在晶片製造上 優(yōu)點(diǎn): 可以使用很難使用乾式蝕刻處理的Ta2O5.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,114,金屬和高-k 匣極MOSFET傳統(tǒng)製程,研發(fā)中的傳統(tǒng)MOSFET製造製程 介電質(zhì)沉積和退火 金屬沉積 微影技術(shù) 金屬蝕刻 離子佈植 快速加熱退火. 預(yù)測何種方法將會

45、贏得青睞仍嫌太早,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,115,連接導(dǎo)線,電晶體製造: 前段的製程 局部連線:後段的製程 彼此夾著介電質(zhì)材料的多層金屬層用來連接數(shù)以百萬計(jì)的電晶體 局部連線: 金屬矽化物 金屬沉積前的介電質(zhì): 摻雜的氧化物, PSG 或 BPSG W 和 Al合金金屬化製程 IMD: USG 和 FSG 過渡到銅和低-k的金屬局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,116,局部連線,介於鄰近電晶體之間的連接 通常是藉著多

46、晶矽或是多晶矽-金屬矽化合物的堆疊形成 WSi2, TiSi2, 和 CoSi2 通常被使用 WSix: CVD 製程使用WF6 和 SiH4 來沉積 TiSi2: PVD Ti 沉積在 Si 上然後加熱退火,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,117,鎢金屬矽化物製程,晶圓清洗,成長匣極氧化層,沉積非晶矽,沉積鎢金屬矽化物 (a),匣極與局部連線光罩,蝕刻鎢金屬矽化物 (含氟的化學(xué)物質(zhì)) (b),蝕刻非晶矽 (含氯的化學(xué)物質(zhì)),剝除光阻,多晶矽與金屬矽化物退火 (c),(b),(c),(a),Hong Xiao,

47、Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,118,自我對準(zhǔn)金屬矽化物 (Salicide),TiSi2 和 CoSi2 比WSi2 電阻率較低 當(dāng)匣極尺寸大於0.2 mm使用TiSi2 當(dāng)匣極尺寸小於0.2 mm使用CoSi2 金屬 (Ti 或 Co) PVD 加熱退火以形成金屬矽化物 剝除未反應(yīng)的金屬,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,119,鈷金屬沉積,RTP 矽化物合金,剝除未反應(yīng)的鈷,矽,矽,矽,STI,側(cè)壁空間層,鈷,鈷金屬矽化物,多晶矽,匣極氧化層,鈷自

48、我對準(zhǔn)金屬矽化物製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,120,鎢金屬局部連線,較低的電阻，較高的速度，較少的功率 金屬鑲嵌製程: 與鎢的栓塞製程類似 在矽玻璃層中蝕刻出溝槽 沉積Ti作為擴(kuò)散阻擋層和TiN作為鎢的附著層 CVD 沉積鎢 填充溝槽 CMP 從晶圓表面移除巨量鎢 只有在溝槽中的鎢會被留下來形成局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,121,CMP 研磨PSG,晶圓清洗,局部連線光罩 (a),蝕刻 PSG,剝除光阻,晶圓

49、清洗 (b),氬離子濺射清潔,濺鍍 Ti,濺鍍 TiN,CVD沉積 TiN,TiN熱處理,CVD 沉積鎢金屬 (c),CMP 研磨鎢金屬,CMP 研磨鈦金屬和氮化鈦 (d),晶圓清洗,(b),(a),(c),(d),鎢金屬局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,122,光罩 10: 局部連線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,123,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),n+,STI,p+,p+,USG,n+,PSG,剝除光阻/

50、晶圓清洗,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,124,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),n+,STI,p+,p+,USG,n+,PSG,PVD Ti/TiN 和 CVD TiN/W,Ti/TiN 阻擋層及附著層,鎢,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,125,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),n+,STI,p+,p+,USG,n+,PSG,CMP W/TiN/Ti, 晶圓清洗Clean,鎢,Ti/TiN 阻擋層及附著層,Ho

51、ng Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,126,早期的全區(qū)導(dǎo)線連接技術(shù),氧化物CVD 微影技術(shù)，氧化物蝕刻，和光阻剝除 金屬 PVD 微影技術(shù)，氧化物蝕刻，和光阻剝除 氧化物蝕刻形成接觸窗或金屬層間接觸窗孔 金屬蝕刻形成連接導(dǎo)線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,127,CVD 研磨PSG (a),PSG 再流動 (b),晶圓清洗,接觸窗孔光罩,蝕刻PSG,剝除光阻 (c),晶圓清洗,沉積鋁合金 (d),金屬連線光罩,蝕刻金屬,剝除光阻 (e),

52、金屬退火,(c),(a),(b),(d),(e),早期的鋁合金連線製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,128,多層連接導(dǎo)線,較早期的連線製程會留下粗糙的表面 會在微影製程和金屬沉積時(shí)造成問題 鎢被引進(jìn)來填出狹窄的接觸窗以及金屬層間的接觸窗孔,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,129,多層連接導(dǎo)線,基本的連線製程步驟: 介電質(zhì)CVD和介電質(zhì)平坦化 微影技術(shù), 氧化物蝕刻和光阻剝除 鎢 CVD, 巨量鎢移除 金屬堆疊PVD 微影技術(shù),

53、氧化物蝕刻和光阻剝除 使用PSG或 BPSG當(dāng)作金屬沉積前的介電質(zhì)和使用USG當(dāng)作金屬間介電質(zhì),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,130,多層連接導(dǎo)線,藉介電質(zhì)CMP來達(dá)到平坦化 鎢 CMP移除巨量鎢 金屬堆疊: Ti 焊接層, 鋁銅合金, 和 TiN 抗反射層鍍膜 金屬蝕刻界定金屬連接的導(dǎo)線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,131,PE-TEOS USG 沉積/蝕刻/沉積/CMP,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),BPSG,

54、n+,n+,p+,p+,STI,USG,W,鋁-銅合金,USG 沉積/蝕刻/沉積/CMP,IMD 1,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,132,金屬層間接觸窗孔蝕刻, 蝕刻USG,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),BPSG,n+,n+,p+,p+,STI,USG,W,鋁-銅合金,USG,IMD 1,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,133,CVD沉積鎢和 CMP,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),BPSG,n+,n+,p

55、+,p+,STI,USG,W,鋁-銅合金,USG,IMD 1,W,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,134,金屬層間接觸窗孔蝕刻, 蝕刻USG,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),BPSG,n+,n+,p+,p+,STI,USG,W,鋁-銅合金,USG,金屬 2 鋁-銅合金,M1,IMD 1,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,135,蝕刻金屬 2,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū)l,P型井區(qū),BPSG,n+,n+,p+,p+,STI

56、,USG,W,鋁-銅合金,USG,M1,M2,鋁-銅,IMD 1,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,136,銅連線,比鋁合金有較低的電阻率和較高的電遷移抵抗力 速度較快且可靠的連線 很難被乾式蝕刻所以延遲了在連線上的應(yīng)用 1990年代CMP 技術(shù)的發(fā)展和成熟都非?？?使用在巨量鎢的移除製程以形成鎢栓塞 銅製程和鎢栓塞製程類似,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,137,銅連線,溝槽被蝕刻進(jìn)入介電質(zhì)層中 讓銅沉積進(jìn)入溝槽中 CMP把晶圓表面

57、的巨量銅層移除 只留下銅線嵌入介電質(zhì)層 不需要金屬蝕刻製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,138,銅連線,雙重金屬鑲嵌製程 最常用在銅金屬連線製程的方法 微影製程，蝕刻金屬層間接觸窗孔，光阻剝除 微影製程，蝕刻金屬層間接觸窗孔，光阻剝除 金屬沉積和退火 金屬CMP,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,139,基本差異,傳統(tǒng)製程: 一個(gè)介電質(zhì)蝕刻和一個(gè)金屬蝕刻 雙重金屬鑲嵌銅製程:兩個(gè)介電質(zhì)蝕刻，不需要金屬蝕刻 雙重金屬鑲嵌銅製程最主要

58、的挑戰(zhàn)是介電質(zhì)蝕刻、金屬沉積和金屬CMP,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,140,PECVD 氮化矽/USG/氮化矽/USG,P型磊晶層,P型晶圓,N型晶圓,P型晶圓,n+,STI,p+,p+,USG,鎢,PSG,USG,n+,USG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,141,金屬窗光罩、蝕刻和光阻剝除,P型磊晶層,P型晶圓,N型晶圓,P型晶圓,n+,STI,p+,p+,USG,鎢,PSG,USG,n+,USG,Hong Xiao,

59、Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,142,溝槽光罩、蝕刻溝槽、剝除光阻,P型磊晶層,P型晶圓,N型晶圓,P型晶圓,n+,STI,p+,p+,USG,鎢,PSG,n+,USG,USG,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,143,PVD Ta 和 Cu, ECP 巨量 Cu, 退火,P型磊晶層,P型晶圓,N型晶圓,P型晶圓,n+,STI,p+,p+,USG,鎢,PSG,n+,USG,USG,銅,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx

60、.us/HongXiao/Book.htm,144,CMP Cu 和 Ta, PECVD 氮化矽,P型磊晶層,P型晶圓,N型晶圓,P型晶圓,n+,STI,p+,p+,USG,鎢,PSG,n+,USG,USG,銅,M1,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,145,銅金屬製程,氮化矽密封層阻止銅擴(kuò)散進(jìn)入氧化層和銅氧化 蝕刻停止於氮化矽使金屬層間接觸窗孔和溝槽蝕刻分開 鉭用作銅的阻擋層 PVD 銅種晶層 ECP 巨量銅,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book