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