CMOS集成電路的基本制造工藝

文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要介紹CMOS集成電路基本制造工藝，特別聚焦于0.18μm工藝節(jié)點(diǎn)及其前后的變化，分述如下：前段工序（FrontEnd）；0.18μmCMOS前段工序詳解；0.18μmCMOS后段鋁互連工藝；0.18μmCMOS后段銅互連工藝。

CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)自1963年由Wanlass和Sah提出以來(lái)，已發(fā)展成為半導(dǎo)體制造的主流工藝技術(shù)。隨著硅的局部氧化工藝、離子注入技術(shù)、光刻技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，CMOS工藝得以廣泛應(yīng)用，并遵循摩爾定律，持續(xù)縮小特征尺寸，提高集成度。

CMOS集成電路的基本制造工藝

前段工序（FrontEnd）

在0.18μm及以下工藝中，CMOS集成電路的前段工序主要形成器件的源漏區(qū)域。

隔離方式：

0.18μm以上：采用局部氧化（LOCOS）隔離。

0.18μm及以下：采用淺溝槽（STI）隔離，以減小隔離區(qū)的寄生電容，提高電路性能。

阱的形成：在0.18μm工藝中，阱采用倒退阱（Retrogradewell）技術(shù)，以優(yōu)化器件性能。

后段工序（BackEnd）

后段工序完成器件的金屬互連。

互連材料：

0.18μm以上：主要采用金屬鋁作為互連材料。

0.18μm及以下：雖然鋁仍可用于互連，但為降低電阻率，提高電路性能，大都采用銅作為互連材料。

互連工藝：包括多層金屬布線和通孔的形成，以及金屬與硅之間的接觸等。

0.18μmCMOS工藝的簡(jiǎn)化步驟

1.襯底準(zhǔn)備：選擇合適的硅襯底，進(jìn)行清洗和預(yù)處理。

2.氧化層生長(zhǎng)：在襯底上生長(zhǎng)一層薄氧化層，作為后續(xù)工藝的掩蔽層。

3.光刻與刻蝕：利用光刻技術(shù)形成圖形，并通過(guò)刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。

4.離子注入：根據(jù)器件需求，進(jìn)行不同種類的離子注入，形成源漏區(qū)域和阱等。

5.退火：對(duì)注入的離子進(jìn)行退火處理，以恢復(fù)晶格損傷并激活雜質(zhì)原子。

6.STI隔離：在需要隔離的區(qū)域刻蝕出淺溝槽，并填充氧化硅等材料形成隔離區(qū)。

7.金屬互連：形成多層金屬布線和通孔，完成器件的金屬互連。

8.鈍化與封裝：在器件表面形成鈍化層，并進(jìn)行封裝處理，以保護(hù)器件并提高可靠性。

0.18μm CMOS前段工序

有源區(qū)的形成

襯墊氧化層與氮化硅層的沉積：在P型硅襯底或P型外延層上，首先通過(guò)熱氧化生長(zhǎng)一層二氧化硅（SiO?），作為襯墊氧化層，用于緩解后續(xù)氮化硅（Si?N?）層與硅襯底之間的應(yīng)力。接著，沉積一層氮化硅，作為硬掩模層，用于后續(xù)的刻蝕步驟。

光刻與刻蝕：使用1光刻版進(jìn)行曝光和顯影，去除器件隔離區(qū)域的光刻膠。隨后，通過(guò)濕法或干法刻蝕，去除未被光刻膠覆蓋的氮化硅、襯墊氧化層和部分硅，形成淺槽隔離（STI）的初步結(jié)構(gòu)。

二氧化硅的熱生長(zhǎng)與平坦化：去除光刻膠后，通過(guò)熱氧化在淺槽底部和側(cè)壁生長(zhǎng)一層二氧化硅，稱為Roundingoxide，用于圓滑淺槽底部的尖角，減少擊穿電壓的降低和漏電的產(chǎn)生。接著，采用低壓氣相沉積（LPCVD）沉積一層二氧化硅，并進(jìn)行致密化處理。最后，通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）進(jìn)行平坦化處理，確保后續(xù)工藝的順利進(jìn)行。

去除氮化硅與最終氧化層的生長(zhǎng)：去除氮化硅層和部分二氧化硅層后，在900℃下生長(zhǎng)一層二氧化硅，作為后續(xù)離子注入的阻擋層。

N阱和P阱的形成

N阱的形成：使用2光刻版進(jìn)行曝光和顯影，去除N阱區(qū)域的光刻膠。隨后，進(jìn)行高能大劑量磷（P）離子的注入，形成N阱。接著，以較低的能量注入砷（As），用于防止PMOS源漏之間的穿通。最后，低能量注入As，用于調(diào)節(jié)PMOS的開(kāi)啟電壓。這種從高到低的能量與劑量分布，形成了所謂的倒退阱（Retrogradewell）。

P阱的形成：去除光刻膠后，使用3光刻版進(jìn)行P阱的光刻。隨后，進(jìn)行高能大劑量硼（B）離子的注入，形成P阱。接著，以較低的能量注入B，用于防止NMOS源漏之間的穿通。最后，低能量注入B，用于調(diào)節(jié)NMOS的開(kāi)啟電壓。

柵極的形成

柵氧化層的生長(zhǎng)與多晶硅的沉積：在N阱和P阱形成后，去除氧化層并對(duì)硅片進(jìn)行清洗。然后，在800℃下熱生長(zhǎng)柵氧化層。接著，沉積一層多晶硅作為柵極材料。

柵極光刻與腐蝕：使用4光刻版進(jìn)行柵極光刻，通過(guò)干法腐蝕去除不需要的多晶硅，形成器件的柵極及多晶互連。

輕摻雜源漏（LDD）的形成

NMOSLDD的形成：在柵極形成后，進(jìn)行多晶氧化，并在柵極多晶上熱生長(zhǎng)一層二氧化硅。使用5光刻版進(jìn)行NMOSLDD的光刻，隨后進(jìn)行低能量As離子的注入，形成NMOS的輕摻雜源漏區(qū)域（NLDD）。

PMOSLDD的形成：去除光刻膠后，使用6光刻版進(jìn)行PMOSLDD的光刻。接著，進(jìn)行低能量B離子的注入，形成PMOS的輕摻雜源漏區(qū)域（PLDD）。由于B的擴(kuò)散比As快，因此PLDD的注入能量要比NLDD的注入能量低。

Spacer的制作

沉積與腐蝕：在圓片上沉積一層TEOS（四乙氧基硅烷）作為Spacer的前驅(qū)體。隨后進(jìn)行各向同性的干法腐蝕，保留柵極多晶硅側(cè)壁的TEOS，形成Spacer。

快速熱退火：對(duì)注入后的LDD進(jìn)行高溫快速熱退火（RTA），以激活注入的雜質(zhì)原子并修復(fù)晶格損傷。Spacer的作用是為隨后的源漏注入做阻擋，實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)工藝。

NMOS和PMOS源漏的形成

NMOS源漏的注入：在Spacer制作完成后，熱生長(zhǎng)一層薄氧化層作為注入阻擋層。使用7光刻版進(jìn)行NMOS源漏的光刻，隨后進(jìn)行高能量As離子的注入，形成NMOS的源漏區(qū)域。

PMOS源漏的注入：去除光刻膠后，使用8光刻版進(jìn)行PMOS源漏的光刻。接著，進(jìn)行BF?離子的注入（BF?是B的一種化合物，用于提高PMOS源漏的摻雜濃度），形成PMOS的源漏區(qū)域。由于BF?離子的質(zhì)量較大，因此注入能量相對(duì)較低。

至此，0.18μmCMOS前段工序的主要步驟已完成，包括有源區(qū)的形成、N阱和P阱的制作、柵極的形成、輕摻雜源漏的形成、Spacer的制作以及NMOS和PMOS源漏的形成。這些步驟共同構(gòu)成了CMOS集成電路的基本結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的后段工序（金屬互連等）提供了基礎(chǔ)。

0.18μmCMOS后段鋁互連工藝

在后段鋁互連工藝中，主要進(jìn)行的是金屬互連的制作，以下是6層鋁互連的詳細(xì)步驟：

接觸孔（Contact）的制作

介質(zhì)沉積與平坦化：首先，沉積一層TEOS（四乙氧基硅烷）作為基礎(chǔ)介質(zhì)層，隨后沉積摻雜B和P的TEOS（BPSG），以提高介質(zhì)的流動(dòng)性和臺(tái)階覆蓋率。最后，通過(guò)CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）進(jìn)行平坦化處理，使圓片表面更加平坦。

接觸孔光刻與腐蝕：使用特定的光刻版進(jìn)行接觸孔的光刻，然后通過(guò)干法腐蝕去除未被光刻膠覆蓋的介質(zhì)層，形成接觸孔。

接觸孔填充：沉積Ti（鈦）、TiN（氮化鈦）和W（鎢），其中Ti和TiN作為粘附層和阻擋層，W作為填充材料。通過(guò)W的CMP去除表面多余的W，只保留接觸孔內(nèi)的W，形成最終的接觸孔結(jié)構(gòu)。

第一層金屬的制作

金屬沉積：在接觸孔制作完成后，沉積Ti、AlCu（鋁銅合金）及TiN，其中AlCu作為主要的導(dǎo)電材料，Ti和TiN分別作為粘附層和阻擋層。

第一層金屬光刻與刻蝕：使用第一層金屬的光刻版進(jìn)行光刻，然后通過(guò)刻蝕去除未被光刻膠覆蓋的金屬層，形成第一層金屬的互連結(jié)構(gòu)。

通孔與后續(xù)金屬層的制作

通孔工藝：通孔的制作工藝與接觸孔類似，用于連接不同金屬層之間的電路。

金屬層工藝：從第二層金屬開(kāi)始，每一層金屬的制作都包括沉積金屬、光刻、刻蝕等步驟。隨著金屬層數(shù)的增加，為了承受更大的電流和提供更好的散熱性能，金屬層的厚度也會(huì)相應(yīng)增加。

最終金屬層與剖片：在完成所有金屬層的制作后，進(jìn)行器件的剖片處理，將圓片切割成單個(gè)的芯片。

鈍化與Pad的制作

鈍化層沉積：在頂層金屬完成后，沉積SiO?和Si?N?作為鈍化層，以保護(hù)芯片免受外界環(huán)境的損害。

Pad光刻與腐蝕：使用特定的光刻版進(jìn)行Pad的光刻，然后通過(guò)腐蝕去除需要打引線的Pad上的鈍化層，形成引線Pad區(qū)域。

0.18μmCMOS后段銅互連工藝

與鋁互連工藝相比，銅互連工藝的主要區(qū)別在于采用了銅作為金屬互連材料，并使用了低k介質(zhì)作為金屬層間的隔離材料。以下是銅互連工藝的詳細(xì)步驟：

金屬前介質(zhì)沉積

介質(zhì)沉積與平坦化：首先沉積未摻雜的TEOS作為基礎(chǔ)介質(zhì)層，隨后沉積BPSG并進(jìn)行高溫致密化和平坦化處理。接著再沉積一層未摻雜的TEOS作為最終的金屬前介質(zhì)層。

接觸孔的制作

接觸孔光刻與腐蝕：與鋁互連工藝類似，使用特定的光刻版進(jìn)行接觸孔的光刻，然后通過(guò)腐蝕去除未被光刻膠覆蓋的介質(zhì)層。

接觸孔填充：采用CVD（化學(xué)氣相沉積）方法沉積一層薄的Ti和TiN作為粘附層和阻擋層，隨后再沉積W進(jìn)行填充。通過(guò)W的CMP去除表面多余的W，形成最終的接觸孔結(jié)構(gòu)。

金屬層1的制作

低k介質(zhì)沉積：涂覆低k介質(zhì)以降低寄生電容。

金屬層光刻與刻蝕：沉積SiO?作為刻蝕的終點(diǎn)層，然后進(jìn)行金屬1的光刻和刻蝕，形成金屬1填充的凹槽。

銅填充與CMP：沉積Ta作為銅的浸潤(rùn)層，然后采用CVD方法沉積銅填充凹槽。通過(guò)CMP去除表面多余的銅，形成金屬1的互連結(jié)構(gòu)。

金屬層2的制作

刻蝕阻擋層與低k介質(zhì)沉積：沉積SiN作為刻蝕阻擋層，然后涂覆低k介質(zhì)和SiO?作為刻蝕的終點(diǎn)層和填充層。

通孔與金屬層光刻與刻蝕：進(jìn)行通孔1的光刻和刻蝕，形成通孔結(jié)構(gòu)。隨后進(jìn)行金屬2的光刻和刻蝕，形成金屬2的圖形。

銅填充與CMP：采用PVD沉積Ta浸潤(rùn)層，然后采用CVD沉積銅填充凹槽。通過(guò)CMP去除表面多余的銅，形成金屬2的互連結(jié)構(gòu)。

多層金屬互連與Pad的制作

后續(xù)金屬層制作：金屬3及其上層金屬的制作過(guò)程與金屬2類似，包括沉積刻蝕阻擋層、低k介質(zhì)、SiO?、光刻、刻蝕、銅填充和CMP等步驟。

鈍化與Pad制作：在頂層金屬完成后，采用PECVD方法沉積Si?N?和SiO?作為器件的鈍化保護(hù)層，再進(jìn)行Pad的光刻和腐蝕處理，形成引線Pad區(qū)域。

通過(guò)以上步驟，完成了0.18μmCMOS后段銅互連工藝的全部制作流程。