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CMOS集成電路工藝流程與CMOS電路版圖舉例 1. CMOS工藝流程 1) 簡化N阱CMOS工藝演示flash 2) 清華工藝錄像:N阱硅柵CMOS工藝流程 3) 雙阱CMOS集成電路的工藝設(shè)計 4) 圖解雙阱硅柵CMOS制作流程 2. 典型N阱CMOS工藝的剖面圖 3. Simplified CMOS Process Flow 4. CMOS電路版圖舉例 1) 簡化N阱CMOS工藝演示 氧化層生長 曝光 氧化層的刻蝕 N阱注入 形成N阱 氮化硅的刻蝕 場氧的生長 去除氮化硅 重新生長二氧化硅(柵氧) 生長多晶硅 刻蝕多晶硅 刻蝕多晶硅 P+離子注入 N+離子注入 生長磷硅玻璃PSG 光刻接觸孔 刻鋁 刻鋁 2) 工藝錄像 N阱硅柵CMOS工藝流程側(cè)視圖 初始氧化 光刻1,刻N阱 N阱形成 Si3N4淀積 光刻2,刻有源區(qū),場區(qū)硼離子注入 場氧1 光刻3 場氧2 多晶硅淀積 光刻4,刻NMOS管硅柵,磷離子注入形成NMOS管 光刻5,刻PMOS管硅柵,硼離子注入及推進(jìn),形成PMOS管 磷硅玻璃淀積 光刻6,刻孔、磷硅玻璃淀積回流(圖中有誤,沒刻出孔) 蒸鋁、光刻7,刻鋁、光刻8,刻鈍化孔(圖中展示的是刻鋁后的圖形) Expert版圖設(shè)計軟件畫版圖 Process (Inverter)p-sub Layout and Cross-Section View of Inverter A Complete CMOS Inverter 離子注入的應(yīng)用 Process N阱硅柵CMOS工藝流程 形成N阱 初始氧化,形成緩沖層,淀積氮化硅層 光刻1,定義出N阱 反應(yīng)離子刻蝕氮化硅層 N阱離子注入,先注磷31P+ ,后注砷75As+ 形成P阱 在N阱區(qū)生長厚氧化層,其它區(qū)域被氮化硅層保護(hù)而不會被氧化 去掉光刻膠及氮化硅層 P阱離子注入,注硼 推阱 退火驅(qū)入,雙阱深度約1.8μm 去掉N阱區(qū)的氧化層 形成場隔離區(qū) 生長一層薄氧化層 淀積一層氮化硅 光刻2場隔離區(qū),非隔離區(qū)被光刻膠保護(hù)起來 反應(yīng)離子刻蝕氮化硅 場區(qū)硼離子注入以防止場開啟 熱生長厚的場氧化層 去掉氮化硅層 閾值電壓調(diào)整注入 光刻3,VTP調(diào)整注入 光刻4,VTN調(diào)整注入 形成硅化物 淀積氧化層 反應(yīng)離子刻蝕氧化層,形成側(cè)壁氧化層(spacer, sidewall) 淀積難熔金屬Ti或Co等 低溫退火,形成C-47相的TiSi2或CoSi 去掉氧化層上的沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Ti或Co 高溫退火,形成低阻穩(wěn)定的TiSi2或CoSi2 形成接觸孔 化學(xué)氣相淀積BPTEOS硼磷硅玻璃層 退火和致密 光刻8,接觸孔版 反應(yīng)離子刻蝕磷硅玻璃,形成接觸孔 形成第一層金屬 淀積金屬鎢(W),形成鎢塞 形成第一層金屬 淀積金屬層,如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 光刻9,第一層金屬版,定義出連線圖形 反應(yīng)離子刻蝕金屬層,形成互連圖形 形成穿通接觸孔 化學(xué)氣相淀積PETEOS, 等離子增強(qiáng)正硅酸四乙酯熱分解 Plasma Enhanced TEOS :tetraethylorthosilicate [Si-(OC2H5)4] -- 通過化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化 光刻穿通接觸孔版 反應(yīng)離子刻蝕絕緣層,形成穿通接觸孔 形成第二層金屬 淀積金屬層,如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 光刻10,第二層金屬版,定義出連線圖形 反應(yīng)離子刻蝕,形成第二層金屬互連圖形 合金 形成鈍化層 在低溫條件下(小于300℃)淀積氮化硅 光刻11,鈍化版 刻蝕氮化硅,形成鈍化圖形 測試、封裝,完成集成電路的制造工藝 CMOS集成電路采用(100)晶向的硅材料 4) 圖解雙阱硅柵CMOS制作流程 首先進(jìn)行表面清洗,去除wafer表面的保護(hù)層和 雜質(zhì),三氧化二鋁必須以高速粒子撞擊,并 用化學(xué)溶液進(jìn)行清洗。 然后在表面氧化二氧化硅膜以減小后一步氮化硅對晶圓的表面應(yīng)力。 涂覆光阻(完整過程包括,甩膠→預(yù)烘→曝光→顯影→后烘→腐蝕→去除光刻膠)。其中二氧化硅以氧化形成,氮化硅LPCVD沉積形成(以氨、硅烷、乙硅烷反應(yīng)生成)。 光刻技術(shù)去除不想要的部分,此步驟為定出P型阱區(qū)域。 (所謂光刻膠就是對光或電子束敏感且耐腐蝕能力強(qiáng)的材料,常用的光阻液有S1813,AZ5214等)。光刻膠的去除可以用臭氧燒除也可用專用剝離液。氮化硅用180℃的磷酸去除或含CF4氣體的等離子刻蝕(RIE)。 在P阱區(qū)域植入硼(+3)離子,因硅為+4價,所以形成空洞,呈正電荷狀態(tài)。(離子植入時與法線成7度角,以防止發(fā)生溝道效應(yīng),即離子不與原子碰撞而直接打入)。每次離子植入后必須進(jìn)行退火處理,以恢復(fù)晶格的完整性。(但高溫也影響到已完成工序所形成的格局)。 LOCOS (local oxidation of silicon)選擇性氧化:濕法氧化二氧化硅層,因以氮化硅為掩模會出現(xiàn)鳥嘴現(xiàn)象, 影響尺寸的控制。二氧化硅層在向上生成的同時也向下移動,為膜厚的0.44倍,所以在去除二氧化硅層后,出現(xiàn)表面臺階現(xiàn)象。濕法氧化快于干法氧化,因OH基在硅中的擴(kuò)散速度高于O2。硅膜越厚所需時間越長。 去除氮化硅和表面二氧化硅層。露出N型阱區(qū) 域。(上述中曝光技術(shù)光罩與基片的距離分為接觸式、接近式和投影式曝光三種,常用投影式又分為等比和微縮式。曝光會有清晰度和分辯率,所以考慮到所用光線及波長、基片表面平坦度、套刻精度、膨脹系數(shù)等)。 離子植入磷離子(+5),所以出現(xiàn)多余電子,呈現(xiàn)負(fù)電荷狀態(tài)。電荷移動速度高于P型約0.25倍。以緩沖氫氟酸液去除二氧化硅層。 在表面重新氧化生成二氧化硅層,LPCVD沉積 氮化硅層,以光阻定出下一步的field oxide區(qū)域。 在上述多晶硅層外圍,氧化二氧化硅層以作為保護(hù)。涂布光阻,以便利用光刻技術(shù)進(jìn)行下一步的工序。 形成NMOS,以砷離子進(jìn)行植入形成源漏極。 此工序在約1000℃中完成,不能采用鋁柵極工藝,因鋁不能耐高溫,此工藝也稱為自對準(zhǔn)工藝。砷離子的植入也降低了多晶硅的電阻率(塊約為30歐姆)。還采用在多晶硅上沉積高熔點金屬材料的硅化物(MoSi2、WSi2、TiSi2等),形成多層結(jié)構(gòu) 以類似的方法,形成PMOS,植入硼(+3)離子。 (后序中的PSG或BPSG能很好的穩(wěn)定能動鈉離子,以保證MOS電壓穩(wěn)定)。 后序中的二氧化硅層皆是化學(xué)反應(yīng)沉積而成,其中加入PH3形成PSG (phospho-silicate-glass),加入B2H6形成BPSG (boro-phospho-silicate-glass)以平坦表面。所謂PECVD (plasma enhanced CVD) 在普通CVD反應(yīng)空間導(dǎo)入電漿(等離子),使氣體活化以降低反應(yīng)溫度)。 光刻技術(shù)定出孔洞,以濺射法或真空蒸發(fā)法,依次沉積鈦+氮化鈦+鋁+氮化鈦等多層金屬。(其中還會考慮到鋁的表面氧化和氯化物的影響)。由于鋁硅固相反應(yīng),特別對淺的PN結(jié)難以形成漏電流 (leak current)小而穩(wěn)定的接觸,為此使用TiN等材料,以抑制鋁硅界面反應(yīng),并有良好的歐姆,這種材料也稱為勢壘金屬(barrier metal)。 RIE刻蝕出布線格局。以類似的方法沉積第二層金屬,以二氧化硅絕緣層和介電層作為層間保 護(hù)和平坦表面作用。 為滿足歐姆接觸要求,布線工藝是在含有5~10%氫的氮氣中,在400~500℃溫度下熱處理15~30分鐘(也稱成形forming),以使鋁和硅合金化。最后還要定出PAD接觸窗,以便進(jìn)行bonding工作。 (上述形成的薄膜厚度的計算可采用光學(xué)衍射、傾斜研磨、四探針法等方法測得)。 2. 典型P阱CMOS工藝的剖面圖 CMOS process Process (Inverter)p-sub Layout and Cross-Section View of Inverter Process N-well, Active Region, Gate Oxide Poly-silicon Layer N+ and P+ Regions SiO2 Upon Device & Contact Etching Metal Layer – by Metal Evaporation A Complete CMOS Inverter FET Transistor - Layout layers Via and Contacts Inverter Example 4. MOS電路版圖舉例 1) 鋁柵CMOS電路版圖設(shè)計規(guī)則 2) 鋁柵、硅柵MOS器件的版圖 3) 鋁柵工藝CMOS版圖舉例 4) 硅柵工藝MOS電路版圖舉例 5) P阱硅柵單層鋁布線CMOS集成電路的工藝過程 6) CMOS IC 版圖設(shè)計技巧 7) CMOS反相器版圖流程 1) 鋁柵CMOS電路 版圖設(shè)計規(guī)則 該圖的說明 a 溝道長度 3λ b GS/GD覆蓋λ c p+,n+最小寬度3λ d p+,n+最小間距3λ e p阱與n+區(qū)間距2λ f 孔距擴(kuò)散區(qū)最小間距 2λ g Al覆蓋孔λ 孔 2λ× 3λ或 3λ× 3λ h Al柵跨越p+環(huán)λ i Al最小寬度4λ j Al最小間距3λ 2) 鋁柵、硅柵MOS器件的版圖 Source/Drain: Photomask (dark field) Gate: Photomask (dark field) Contacts: Photomask (dark field) Metal Interconnects: Photomask (light field) 硅柵硅柵MOS器件工藝的流程Process (1)刻有源區(qū) Process (2)刻多晶硅與自對準(zhǔn)摻雜 Process (3)刻接觸孔、反刻鋁 制備耗盡型MOS管 在MOS集成電路中,有些設(shè)計需要采用耗盡型MOS管,這樣在MOS工藝過程中必須加一塊光刻掩膜版,其目的是使非耗盡型MOS管部分的光刻膠不易被刻蝕,然后通過離子注入和退火、再分布工藝,改變耗盡型MOS管區(qū)有源區(qū)的表面濃度,使MOS管不需要柵電壓就可以開啟工作。 然后采用干氧-濕氧-干氧的方法進(jìn)行場氧制備,其目的是使除有源區(qū)部分之外的硅表面生長一層較厚的SiO2層,防止寄生MOS管的形成。 硅柵P阱CMOS反相器版圖設(shè)計舉例 5) P阱硅柵單層鋁布線CMOS的工藝過程 下面以光刻掩膜版為基準(zhǔn),先描述一個P阱硅柵單層鋁布線CMOS集成電路的工藝過程的主要步驟,用以說明如何在CMOS工藝線上制造CMOS集成電路。(見教材第7--9頁,圖1.12) CMOS集成電路工藝--以P阱硅柵CMOS為例 1、光刻I---阱區(qū)光刻,刻出阱區(qū)注入孔 2、阱區(qū)注入及推進(jìn),形成阱區(qū) 3、去除SiO2,長薄氧,長Si3N4 4、光II---有源區(qū)光刻,刻出PMOS管、NMOS管的源、柵和漏區(qū) 5、光III---N管場區(qū)光刻,N管場區(qū)注入孔,以提高場開啟,減少閂鎖效應(yīng)及改善阱的接觸。 6、長場氧,漂去SiO2及Si3N4,然后長柵氧。 7、光Ⅳ---p管場區(qū)光刻(用光I的負(fù)版),p管場區(qū)注入, 調(diào)節(jié)PMOS管的開啟電壓,然后生長多晶硅。 8、光Ⅴ---多晶硅光刻,形成多晶硅柵及多晶硅電阻 9、光ⅤI---P+區(qū)光刻,刻去P管上的膠。P+區(qū)注入,形成PMOS管的源、漏區(qū)及P+保護(hù)環(huán)(圖中沒畫出P+保護(hù)環(huán))。 10、光Ⅶ---N管場區(qū)光刻,刻去N管上的膠。 N管場區(qū)注入,形成NMOS的源、漏區(qū)及N+保護(hù)環(huán)(圖中沒畫出)。 11、長PSG(磷硅玻璃)。 12、光刻Ⅷ---引線孔光刻。 13、光刻Ⅸ---引線孔光刻(反刻Al)。 8.7 RS觸發(fā)器 p.154 2、單元配置恰當(dāng) (1)芯片面積降低10%,管芯成品率/圓片 可提高1520%。 (2)多用并聯(lián)形式,如或非門,少用串聯(lián)形式,如與非門。 (3)大跨導(dǎo)管采用梳狀或馬蹄形,小跨導(dǎo)管采用條狀圖形,使圖形排列盡可能規(guī)整。 5、雙層金屬布線時的優(yōu)化方案 (1)全局電源線、地線和時鐘線用第二層金屬線。 (2)電源支線和信號線用第一層金屬線(兩層金屬之間用通孔連接)。 (3)盡可能使兩層金屬互相垂直,減小交疊部分得面積。 7) CMOS反相器 版圖流程 CMOS反相器版圖流程(1) CMOS反相器版圖流程(2) CMOS反相器版圖流程(2) CMOS反相器版圖流程(3) CMOS反相器版圖流程(4) CMOS反相器版圖流程(4) CMOS反相器版圖流程(5) CMOS反相器版圖流程(6) CMOS反相器版圖流程(7) CMOS反相器版圖流程(8) 1. 阱——做N阱和P阱封閉圖形處,窗口注入形成P管和N管的襯底 2. 有源區(qū)——做晶體管的區(qū)域(G、D、S、B區(qū)),封閉圖形處是氮化硅掩蔽層,該處不會長場氧化層 3. 多晶硅——做硅柵和多晶硅連線。封閉圖形處,保留多晶硅 4. 有源區(qū)注入——P+、N+區(qū)(select)。做源漏及阱或襯底連接區(qū)的注入 5. 接觸孔——多晶硅,注入?yún)^(qū)和金屬線1接觸端子。 6. 金屬線1——做金屬連線,封閉圖形處保留鋁 7. 通孔——兩層金屬連線之間連接的端子 8. 金屬線2——做金屬連線,封閉圖形處保留鋁 1. 有源區(qū)和場區(qū)是互補(bǔ)的,晶體管做在有源區(qū)處,金屬和多晶連線多做在場區(qū)上。 2. 有源區(qū)和P+,N+注入?yún)^(qū)的關(guān)系:有源區(qū)即無場氧化層,在這區(qū)域中可做N型和P型各種晶體管,此區(qū)一次形成。 3. 至于以后何處是NMOS晶體管,何處是PMOS晶體管,要由P+注入?yún)^(qū)和N+注入?yún)^(qū)那次光刻決定。 4. 有源區(qū)的圖形(與多晶硅交疊處除外)和P+注入?yún)^(qū)交集處即形成P+有源區(qū), P+注入?yún)^(qū)比所交有源區(qū)要大些。 5. 有源區(qū)的圖形(與多晶硅交疊處除外)和N+注入?yún)^(qū)交集處即形成N+有源區(qū), N+注入?yún)^(qū)比所交有源區(qū)要大些。 6. 兩層半布線 金屬,多晶硅可做連線,所注入的有源區(qū)也是導(dǎo)體,可做短連線(方塊電阻大)。三層布線之間,多晶硅和注入有源區(qū)不能相交布線,因為相交處形成了晶體管,使得注入有源區(qū)連線斷開。 7. 三層半布線 金屬1,金屬2 ,多晶硅可做連線,所注入的有源區(qū)也是導(dǎo)體,可做短連線(方塊電阻大)。四層線之間,多晶硅和注入有源區(qū)不能相交布線,因為相交處形成了晶體管,使得注入有源區(qū)連線斷開。
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