集成电路设计小论文

电子学与集成电路设计小论文

论文题目：半导体制造工艺综述

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二〇一三年五月十五日

摘要

典型的集成电路硅片制造工艺可能要花费六到八周的时间，包括350或者更

多步骤来完成所有的制造工艺。这种工艺的复杂性是无以复加的。大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几微米以内。这一有源区对应于工艺流程的顶层工艺。所有硅上方的材料都是互联芯片上各个器件所需的分层结构的一部分。为了增加多层金属及绝缘层，工艺流程要求在不同工艺步骤中循环。集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作、刻印、刻蚀和掺杂。

关键词：集成电路、工艺、硅片

一、简述

大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几微米以内。这一有源区对应于工艺流程的高端工艺。所有硅上方的材料都是互连芯片上各个器件所需的分层结构的一部分。为了增加多层金属及绝缘层，工艺流程要求硅片在不同的工艺步骤中循环。了解了工艺流程，就会认识到要制造一块高性能微芯片，只需要多次运用有限的几种工艺。

集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作，这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作（layer）、刻印（pattern）、刻蚀和掺杂。基本流程如图1所示。即使制造单个MOS管也不例外。由于CMOS技术在工艺家族中最具有代表性，我们以它为例介绍硅片制造流程。

图1 CMOS工艺流程中的主要制造步骤

二、COMS制作工艺流程

1，双阱工艺

在一般的CMOS流程中，第一步往往是定义MOSFET的有源区，现在的亚0.25um的工艺通常采用双阱工艺（也称双管）来定义nMOS和pMOS晶体管的有源区。通常采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性，这一技术采用高能量、

大剂量的注入，深入外延层大概一微米左右。随后的阱注入在相同区域里，只是注入能量、结深以及掺杂剂量都有大幅度减小。阱注入决定了晶体管的阈值工作电压同时避免CMOS电路常见的一些问题。形成n阱的5个主要步骤：a，外延生长。硅片在到达扩散区之前已经有了一个薄的外延层。外延层与衬底有完全相同的晶格结构，只是纯度更高，晶格缺陷更少而已。外延层已经进行了轻的p 型杂质掺杂。b，原氧化生长。在扩散区，硅片在一些列化学溶液中清洗以去除颗粒、有机物和无机物玷污以及自然氧化层。硅片漂洗、甩干之后放入高温炉中。工艺腔中通入氧气使之与硅发生反应，得到氧化层c，第一层掩膜，n阱注入。光刻中，硅片在涂胶、显影机中经历了一系列的工艺步骤。涂胶、显影机，预处理硅片的上表面涂胶、甩胶、烘焙。设备内部的自动传送装置将硅片在各操作位之间转移。另一套传送装置将经过涂胶处理的硅片每次一片地送人对准与曝光系统。光刻机将特定掩膜的图形直接刻印在涂胶的硅片上。d，n阱注入（高能）。刻印后的硅片来到离子注入区。光刻胶图形覆盖了硅片上的特定区域，将其保护起来免于离子注入。未被光刻胶覆盖的区域允许高能杂质阳离子穿透外延层的上表面。在这一步中掺入的杂质为磷。离子注入机是其注入区的主要设备。其主要目的是离化杂质原子，使其加速获得高能，选出最恰当的元素注入，并聚焦离子成为极窄的一束，最后扫描使硅片不受光刻胶保护的区域得到均匀掺杂。e，退火。P阱的形成主要有三个步骤：a，第二层掩膜，p阱注入b，p阱注入c，退火

2，浅槽隔离工艺

浅槽隔离（STI）是在衬底上制作的晶体管有源区之间隔离区的一种可选工艺。这一方法在制作亚0.25um器件时尤为有效。尽管复杂，浅槽隔离在ULSI 芯片制造中仍得到了广泛的应用。浅槽隔离主要有三个步骤，分别是：槽刻蚀、氧化物填充和氧化物平坦化。

STI槽刻蚀STI槽刻蚀主要有四个步骤：

1.隔离氧化层。硅片到达扩散区后，进行清洗以除去玷污和氧化。经过漂

洗和甩干之后，硅片进入高温氧化设备。又一层氧化层生长在硅片表面。

这层氧化物将作隔离层保护有源区在去掉氮化物的过程中免受化学玷

污。

2.氮化物沉积。硅片被放入高温的低压化学气相淀积设备。在设备的腔体

中氮气和二样硅烷发生反应，在硅片表面生成一薄层氮化硅。

3.第三层掩膜，浅槽隔离。硅片从扩散转移到光刻区。这一光刻步骤与先

前的光刻步骤非常相似，唯一的差别是采用了不同的掩膜版。由于光刻的尺度更小，此次光刻的要求比第一次光刻更加苛刻。光刻后的硅片检测包括特征尺寸检测、缺陷检测以及目检。这一系列测量要求检测相对于既定标准的对准曝光系统的精度。

4.STI槽刻蚀。要求光刻胶的刻印图形保护硅片上那些不需要刻蚀的区域。

没有光刻胶保护的区域被离子和强腐蚀性的化学物质刻蚀掉氮化硅、氧化硅以及硅。能够有效刻蚀出深沟的设备是干法离子刻蚀机。可实际利用大功率的射频能量在真空反应腔中将氟基或氯基的气体离化。

图2 STI槽刻蚀

STI氮化物填充STI氮化物填充（如图3所示）的基本步骤主要是：

1.沟槽衬垫氧化硅

2.沟槽CVD氧化物填充

图3 STI氧化硅填充

STI氧化层抛光——氮化物去除硅片表面的平坦化可以通过多种方法实

现。过去能够通过使用SOG填充间隙实现硅片平坦化，SOG由80%的溶剂与20%的二氧化硅构成。沉积之后烘焙SOG，蒸发掉溶剂，将二氧化硅留在间隙当中。也可以进行全部表面的反刻，以减少整个硅片的厚度。但是目前为止，CMP（也称抛光）是最有效的一种平坦化技术。如图4所示

图4 STI的形成

基本步骤：

1.沟槽氧化物抛光

2.氮化物去除

3，多晶硅栅结构工艺

晶体管中栅结构的制作是流程中最关键的一步，因为它包括了最薄的栅氧化层的热生长以及多晶硅栅的刻印和刻蚀，而后者是整个集成电路工艺中物理尺寸最小的结构。多晶硅栅的宽度通常是整个硅片上最关键的CD线宽。多晶硅栅结构的制作基本步骤：a，栅氧化层的生长。清洗硅片，除掉玷污和氧化层。这一步必须在硅片进入氧化炉钱的几个小时内进行。只要暴露在空气中，硅表面就会被其中的氧气氧化。当硅片进入氧化炉后，硅片表面生长了一薄层二氧化硅。B，多晶硅沉积。硅片被立即转入低压化学气相沉淀设备，该设备的工艺腔中通入硅烷。硅烷分解，多晶硅沉积在硅片表面。沉积过后马上进行一种叫做多晶硅掺杂的操作。c，第四层掩膜，多晶硅栅。在光刻区，利用深紫外线光刻技术刻印多晶硅栅的精细结构。在多晶硅与光刻胶之间通常有一种抗反射涂层以减少不希望的反射。用于定义栅光刻胶的宽度是整个集成电路上最窄的结构，因此必须进行各种不同的质量检测，包括特征尺寸检测、套准精度检测盒缺陷检测。d，多晶硅栅刻蚀。集成电路中最精细的一步刻蚀工艺要求使用芯片厂内最好的异向等离子体刻蚀机。

4，轻掺杂漏注入工艺

随着栅的宽度不断减小，栅结构下的沟道长度也不短减小。晶体管中沟道长

度的减少增加了源漏间电荷穿通的可能性，并引起不希望的沟道漏电流。可以用一些技术手段来减少这些沟道漏电流的发生。接下来的一些列离子注入步骤开始定义晶体管的源漏极。每个晶体管都要经过两次注入，一次是称为轻掺杂漏（LDD）注入的浅注入，随后是中等或高剂量的源/漏注入。

5，侧墙的形成

侧墙用来环绕多晶硅，防止更大剂量的源漏注入国语接近沟道以致可能发生源漏穿通。侧墙的形成有两步主要工艺。首先，在整个硅片表面沉积一层二氧化硅，随后利用法刻蚀工艺反刻掉这层二氧化硅。由于所用的各向异性刻蚀工具使用离子溅射掉了绝大部分二氧化硅，故反刻不需要掩膜。当多晶硅露出来之后停止反刻。但并不是所有的二氧化硅都出去了。多晶硅栅的侧墙上保留了一部分二氧化硅。

6，源/漏注入工艺

为了完成倒掺杂技术，用中等剂量的掺杂稍稍超过LDD的结深，但是比最初的双阱掺杂的结深浅。上一步形成的侧墙能够保护沟道，在注入过程中阻止掺杂原子的进入。

7，接触（孔）的形成

接触形成工艺的目的是在所有硅的有源区形成金属接触。这层接触可以使硅和随后沉积的导电材料更加紧密地结合起来。钛是做金属接触的理想材料，也是可行的选择。钛的电阻很低，同时能够和硅发生充分反应。当温度大于700度时，钛和硅发生反应生成钛的硅化物。钛和二氧化硅不发生反应，因此这两种物质不会发生化学的键合或者物理聚集。因此钛能够轻易地从二氧化硅表面除去，而不需要额外掩膜。钛的硅化物在所有有源硅的表面保留了下来。

8，局部互连工艺

集成电路工艺流程的下一步是在晶体管以及其他钛硅化物接触之间布金属连接线。在下面的工艺流程中用到的方法称为局部互连。形成局部互连的步骤与形成浅槽隔离的步骤一样复杂。工艺首先要求沉积一层介质薄膜，接下来是化学机械抛光、刻印、刻蚀和钨金属淀积，最后以金属层抛光结束。这种工艺称为大马士革。形成局部互连氧化硅介质的步骤：1，氮化硅化学气相淀积。用化学气相淀积工艺先淀积一层氮化硅作为阻挡层。这层氮化硅将硅有源区保护起来，使

之与随后的掺杂淀积层隔绝。2，掺杂氧化物的化学气相淀积。局部互连结构中的局部互连介质成分是由化学气相淀积的二氧化硅提供的。二氧化硅要用磷或硼轻掺杂。二氧化硅中引入杂质能够提高玻璃的介电特性。随后的快速退火能够使玻璃流动，得到更加平坦的表面。3，氧化层抛光。利用化学机械抛光工艺平坦化局部互连的氧化层。4，第九层掩膜，局部互连刻蚀。硅片在光刻区刻印然后在刻蚀区刻蚀。在局部互连的氧化层中制作出窄沟槽，这些沟槽定义了局部互连金属的路径形式。

9，通孔1和钨塞1的形成

层间介质（ILD）充当了各层金属间以及第一层金属与硅之间的介质材料。层间介质上有许多小的通孔，这些层间介质上的细小开口为相邻的金属层之间提供了电学通道。通孔中有导电金属填充，钨塞放置在适当的位置，以形成金属层间的电学通路。制作通孔1的主要步骤如下：1，第一层层间介质氧化物淀积。在薄膜区利用化学气相淀积设备在硅片表面淀积一层氧化物。这层氧化物将充当介质材料，通孔就制作在这一层介质上。2，氧化物磨抛。用化学机械抛光的方法磨抛第一层层间介质氧化物。清洗硅片除去抛光工艺中引入的颗粒。3，第十层掩膜，第一层层间介质刻蚀。硅片先在光刻区刻印然后在刻蚀区刻蚀。直径不到0.25um的小孔刻蚀在第一层层间介质氧化物上。这一步要进行严格的CD、OL以及缺陷检测。如图5所示。

图5 通孔1的形成

制作第一层钨塞的主要步骤：1，金属淀积钛阻挡层（PVD）。在薄膜区利用物理气相淀积设备在整个硅片表面淀积一薄层钛。钛衬垫于通孔的底部及侧壁上。钛充当了将钨限制在通孔当中的粘合剂。2，淀积氮化钛（CVD）。在钛的上表面淀积一薄层氮化钛。在下一步淀积中，氮化钛充当了钨的扩散阻挡层。3，

淀积钨（CVD）。用另一台化学气相淀积设备在硅片上淀积钨。钨填满小的开口形成钨塞。4，磨抛钨。磨抛被钨涂覆的硅片直到第一层层间介质的上表面。如图6所示。

图6 钨塞1的形成

10，第一层金属互连的形成

制作金属1互连的步骤：1，金属钛阻挡层淀积。与其他金属工艺一样，钛是淀积于整个硅片上的第一层金属。它提供了钨塞和下一层金属铝之间的良好键合。同样它与层间介质材料的结合也非常紧密，提高了金属叠加结构的稳定性。2，淀积铝铜合金。在薄膜区利用物理气相淀积设备将铝铜合金溅射在有钛覆盖的硅片上。铝中加入了1%的铜提高了铝的稳定性。3，淀积氮化钛。在铝铜金层上淀积以薄层氮化钛充当下一次光刻中的抗反射层。4，第十一层掩膜，金属刻蚀。先用光刻胶刻印硅片，然后用等离子体刻蚀机刻蚀三明治金属结构。如图7所示。

图7 金属1互连的形成

11，通孔2和钨塞2的形成

接下来操作的结果是形成了第二层层间介质（ILD-2）和其上的通孔。除了要填充第一层金属上刻蚀出的或大或小的间隙，第二层层间介质的制作与第一层层间介质的制作非常相似。间隙的填充使用介电材料填充间隙，这些材料能够进

入细小的空间从而避免了能够影响电学性能的空洞和其他缺陷的形成。有两种常见的方法填充间隙：SOG反刻和高浓度等离子体化学气相淀积（HDPCVD）。在亚0.25um工艺中更常用的是高浓度等离子体化学气相淀积。间隙填满以后，可利用等离子体优化的化学气相淀积。间隙填满以后，可利用等离子体优化的化学气相淀积系统完成剩余的ILD-2氧化物的淀积。ILD-2淀积完成后，氧化物被平坦化、刻印，然后刻蚀形成钨塞所需的通孔。制作通孔2 的主要步骤：1，ILD-2间隙填充。在ULSI器件中，最新的间隙填充方法是利用高浓度等离子体工艺交替地淀积和刻蚀层间介质氧化物，刻蚀是与淀积同时进行的，最后在金属的间隙间形成了没有空洞或空洞极少的致密氧化物。2，ILD-2氧化物淀积。利用等离子体增强化学气相淀积系统淀积ILD-2氧化层剩余的部分。3，ILD-2氧化物平坦化。在下一步刻印步骤前磨抛硅片，平坦化其表面。4，第十二层掩膜，ILD-2刻蚀。利用光刻胶刻印硅片，随后利用等离子体刻蚀机刻蚀ILD-2氧化物。如图8所示。

图8 通孔2的形成

制作第二层钨塞的主要步骤：1，金属淀积钛阻挡层。与其他金属工艺一样，在硅片上淀积的第一层金属是钛。钛可以使钨塞和铝之间紧密地结合起来。同样，它与层间介质材料的结合也非常紧密，所以它能够提高金属叠加结构的稳定性。2，淀积氮化物。一薄层氮化钛淀积在钛层的上表面。氮化钛充当钨淀积过程中的阻挡层。3，淀积钨。利用另一台化学气相淀积设备在硅片上淀积钨。钨填充细小的通孔，形成钨塞。4，磨抛钨。磨抛有钨涂覆的硅片直到ILD-2氧化物的上表面，留下瞳孔中的钨塞。如图9所示。

图9 钨塞2的形成

12，第二层金属（金属2）互连的形成

制作金属2互连的步骤：1，淀积、刻蚀金属2。金属2三明治结构的淀积与金属1三明治结构的淀积完全一样。三明治结构由三层构成：钛、铝铜合金和氮化钛。利用等离子体刻蚀机通过刻印后光刻胶中的窗口刻蚀金属2线。2，填充第三层层间介质间隙。金属2刻蚀以后，利用HDPCVD设备填充金属间隙，得到致密的二氧化硅填充物。3，淀积、平坦化ILD-3氧化物。利用等离子体优化的方法淀积ILD-3氧化物。随后平坦化氧化物得到平整的表面。4，刻蚀通孔3，淀积钛/氮化钛，淀积钨，平坦化。首先刻蚀通孔3，接着淀积金属阻挡层（钛/氮化钛）。在硅片的整个表面淀积钨。平坦化钨直到ILD-3氧化物的上表面。通孔中留下的钨塞为金属2和金属3间提供互连。

13，制作第三层金属（金属3）直到制作压点和合金

重复工艺制作第三层和第四层金属后，完成第四层金属的刻蚀，紧接着利用薄膜工艺淀积第五层层间介质氧化物（ILD-5）。由于所刻印的结构比先前工艺中行成的0.25um尺寸要大很多，所以这一层介质不需要进行化学机械抛光。刻蚀ILD-5使得在第五层金属的淀积过程中通孔能够被金属填充。第五层金属淀积的厚度比先前的金属三明治结构厚一些。刻蚀第五层金属，在需要的地方形成压焊点，在不需要的地方将金属除去。

工艺的最后一步包括再次生长二氧化硅（第六层层间介质）以及随后生长顶层氮化硅。这一层氮化硅称为钝化层。它的目的是保护产品免受潮气、划伤以及玷污的影响。最后，在扩散炉中进行低温合金步骤。这一步加热过程有助于提高互连金属间的冶金接触，从而提高器件的电学性能和可靠性。在这一步合金操作中必须特别小心以免产品过加热，这可能引起永久性的结构缺陷。

14，参数测试

硅片要进行两次测试以确定产品的功能可靠性：第一次在首层金属刻蚀完成后进行，第二次是在完成芯片制造的最后一步工艺后进行。金属刻蚀完成以后，利用电学测试设备的微型探针仪测试硅片上特定电学参数。这种在线参数测量的程序称为硅片电学测试或WET。

芯片厂大概可以分为6个主要生产区域：扩散区、光刻区、刻蚀区、离子注入区、薄膜区和抛光区，加上工艺最后的片上测试和拣选。扩散是针对高温工艺、光刻利用光刻胶在硅片表面刻印；刻印将光刻的图形复制在硅片上；离子注入对硅片掺杂；薄膜区淀积介质层和金属层；抛光平坦化硅片的上表面。