半导体制程概论萧宏chapter13_精品文档.ppt

1、Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,1,Chapter 13製程整合,Hong Xiao,Ph.Dwww2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,2,目標,列出三種絕緣形成的方法描述側壁空間層製程和應用解釋臨界電壓 VT 調整佈植的目的列出三種用在MOSFET匣極的導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積體電路晶片中最常被用來當做最後鈍化層的材料,

2、Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,3,簡介,完成一個積體電路晶片的製造需要三十個光罩以及幾百個製程步驟.每一個步驟都和其他的步驟有關.CMOS 製程 前段 井區形成、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積體電路晶片是使用n型晶圓 1970年代中期之後,NMOS是使用

3、 p型晶圓由於歷史性的緣故，CMOS係從 NMOS製程發展，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、金屬以及連接墊區早期的CMOS IC製程多增加三道光罩步驟:n型井區(對p型基片),活化,匣極,n型源極/汲極,p型源極/汲極,接觸窗,金屬和連接墊區兩種製程都使用p型晶圓,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,6,NMOS,P型矽,多晶矽

4、,匣極氧化層,PSG,PSG,PSG,場區氧化層,氮化矽,鋁矽合金,場區氧化層,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,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,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深埋層有一些功率元件甚至需要

5、用懸浮帶區長晶法(floating zone method)製造的晶圓當CMOS晶片速度不是非常高時，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無氧的基片而達到很高的元件速度,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.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

6、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 Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,12,井區形成,單井區自我對準式

7、的雙井區雙井區,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,13,單井區,早期CMOS IC製程p型晶圓上的N型井區 n型晶圓上的P型井區高能量低電流的離子佈植加熱退火/驅入,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,14,N型井區的形成步驟,晶圓清洗,屏蔽氧化層成長,井區光罩,離子佈植(a),光阻剝除,退火及驅入(b),屏蔽氧化層(c),P型矽,N型井區,(a),(b),(c),Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/Hong

8、Xiao/Book.htm,15,帶有P型井區的CMOS,N型矽,P型井區,n+,n+,場區氧化層,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,SiO,2,多晶矽匣極,LOCOS,匣極氧化層,絕緣佈植,n,+,n,+,p,+,p,+,帶有N型井區的CMOS,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,17,自我對準式的雙井區,設計者有更多的彈性自我對準製程可以節省一道光罩步驟LPCVD氮化矽

9、(Si3N4)是非常緻密的薄膜阻絕離子佈植穿透p型井區防止在p型井區產生氧化反應在n型井區上的厚氧化層可以阻擋形成P型井區的離子佈植,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,18,自我對準式的雙井區,晶圓清洗,成長襯墊氧層,沉積氮化矽(a),N型井區光罩,蝕刻氮化矽,剝除光阻,N型井區佈植(b),退火/驅入及氧化(c),剝除氮化矽,P型井區佈植(d),退火及 驅入,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/HongX

10、iao/Book.htm,19,自我對準式的雙井區,優點:減少一個光罩步驟降低成本改善IC晶片良率.缺點:晶圓表面不再平坦N型井區總是比P型井區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,自我對準式的雙井區,先形成N型井區磷在單晶矽擴散速率要比硼低如果p型井區先佈植，在n型井區的退火及摻雜物驅入期間，硼的擴散會失去控制,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,21,雙井區,兩個光罩步驟平坦表面常見在先進的CMOS

11、IC晶片製造高能量低電流的佈植機高溫爐執行井區的退火和驅入製程,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,22,雙井區,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,23,絕緣技術,整面全區覆蓋式氧化層矽的局部氧化(LOCOS)淺溝槽絕緣(STI),Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,24,整面全區覆蓋式氧化層,用在早期的積體電路工業簡單又直接的製程氧化和蝕刻厚度由場區臨界電壓VFT決定 V

12、FT 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LOCOS(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.

13、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.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.c

14、c.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.,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.a

15、ustin.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,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

16、,Hong Xiao,Ph.D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,39,矽局部氧化的問題,鳥嘴二氧化矽內部的等向性擴散所引起在氮化矽層下成長浪費許多矽表面區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,元件區,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,剝除襯墊氧化層、多晶矽及氮化矽,Hong Xiao,Ph.D.,