西安交通大学微电子制造技术第九集成电路制造概况.ppt
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1、,微电子制造技术 第 9 章 IC 制造工艺概况,引 言,典型的半导体IC制造可能要花费68周时间,包括450甚至更多的步骤来完成所有的制造工艺,其复查程度是可想而知的。 本章简要介绍0.18m的CMOS集成电路硅工艺的主要步骤,使大家对芯片制造过程有一个较全面的了解。每个工艺的细节将在后面有关章节介绍。 芯片制造就是在硅片上执行一系列复查的化学或者物理操作。这些操作归纳为四大基本类型:薄膜制备(layer)、图形转移、刻蚀和掺杂。 由于是集成电路制造的概述,所以会接触到大量的术语和概念,这些将在随后的章节中得到详细阐述。,学 习 目 标,1. 熟悉典型的亚微米 CMOS IC 制造流程; 2
2、. 对6种主要工艺(扩散、离子注入、光刻、刻蚀、薄膜生长、抛光)在概念上有一个大体了解; 3. 熟悉CMOS制造工艺的14个基本步骤。,MOS晶体管工艺流程中的主要制造步骤,Figure 9.1,CMOS 工艺流程,硅片制造厂的分区概况 扩散 光刻 刻蚀 离子注入 薄膜生长 抛光 CMOS 制作步骤 参数测试,在亚微米CMOS制造厂 典型的硅片流程模型,完成的硅片,Figure 9.2,扩 散,扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散区的主要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。 高温扩散炉(见图9.3)可以在1200的高温下工作,并能完成多种工艺流程,包括氧化、扩散、淀积、退火及合金。
3、湿法清洗设备是扩散区中的辅助设施。硅片放入高温炉之前必须进行彻底地清洗,以除去硅片表面的沾污以及自然氧化层。,Figure 9.3 高温炉示意图,光 刻,光刻的目的是将掩膜版图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一种光敏的化学物质,它通过深紫外线曝光来印制掩膜版的图像。 涂胶/显影设备是用来完成光刻的一系列工具的组合。这一工具首先对硅片进行预处理、涂胶、甩胶、烘干,然后用机械臂将涂胶的硅片送入对准及曝光设备。步进光刻机用来将硅片与管芯图形阵列(掩膜版)对准。在恰当地对准和聚焦后,步进光刻机进行逐个曝光。 光刻工艺的污染控制格外重要,所以清洗装置以及光刻胶剥离机安排在制造厂的它区域。经过光
4、刻处理的硅片只流入两个区:刻蚀区和离子注入区。,Photo 9.1 亚微米制造厂的光刻区,刻 蚀,刻蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀区最常见的工具是等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。目前虽然仍采用一些湿法刻蚀工艺,但大多数步骤采用的是干法等离子体刻蚀(见图9.5)。 等离子体刻蚀机是一种采用射频(RF)能量在真空腔中离化气体分子的一种工具。 等离子体是一种由电激励气体发光的物质形态。等离子体与硅片顶层的物质发生化学反应。刻蚀结束后利用一种称为去胶机的等离子体装置,用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。,Figure 9.5 干法离子刻蚀机示意图,离子注入,离子
5、注入的目的是掺杂。离子注入机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体含有要掺入的杂质,例如砷(As)、磷(P)、硼(B)等在注入机中离化。采用高电压和磁场来控制并加速离子。高能杂质离子穿透光刻胶进入硅片表面薄层。离子注入完成后,进行去胶合彻底清洗硅片。,薄膜生长,薄膜生长工艺是在薄膜区完成的。是实现器件中所需的介质层和金属层的淀积。薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。 薄膜生长区中有很多不同的设备。所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作,包括化学气相淀积(CVD)和金属溅射工具(物理气相淀积PVD)。,薄膜金属化工作区,Photo courtesy of Advanced Micro
6、 Devices,Photo 9.2,抛 光,抛光也称化学机械平坦化(CMP),工艺的目的是使硅片表面平坦化,这是通过将硅片表面凸出的部分减薄到下凹部分的高度实现的。 硅片经过光刻工艺后表面变得凹凸不平,给后续加工带来了困难,而CMP使这种表面的不平整度降到最小。 抛光机是CMP区的主要设备,CMP用化学腐蚀与机械研磨相结合,以去除硅片顶部是其达到希望的厚度。,亚微米制造厂的抛光区,Photo courtesy of Advanced Micro Devices,Photo 9.3,CMOS 制作步骤,COMS技术 COMS是在同一衬底上制作nMOS和pMOS晶体管的混合,简单的COMS反相器
7、电路图如图所示。,1.双井工艺 2.浅槽隔离工艺 3.多晶硅栅结构工艺 4.轻掺杂(LDD)漏注入工艺 5.侧墙的形成 6.源/漏(S/D)注入工艺 7.接触孔的形成 8.局部互连工艺 9.通孔1和金属塞1的形成 10.金属1互连的形成 11.通孔2和金属塞2的形成 12.金属2互连的形成 13.制作金属3直到制作压点 及合金 14.参数测试,一、双井工艺 n-well Formation 1)外延生长 2)厚氧化生长 保护外延层免受污染;阻止了在注入过程中对硅片的过渡损伤;作为氧化物屏蔽层,有助于控制注入过程中杂质的注入深度。 3)第一层掩膜 4)n井注入(高能) 5)退火,Figure 9
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