半导体制程工艺 萧宏 ch13

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帶有N型井區的CMOS
多晶矽匣極
p+ n+ n+ SiO2 p+ p+ N型井區 p+ LOCOS
P型基片
匣極氧化層 絕緣佈植
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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( 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
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光阻塗佈
襯墊氧化層 光阻 氮化矽
P型基片
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矽局部氧化光罩
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矽局部氧化光罩
晶圓準備
• CMOS IC晶片通常使用 <100> 方向的單晶矽 晶圓 • 雙載子和BiCMOS晶片通常使用 <111> 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 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
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N型井區的形成步驟
晶圓清洗 屏蔽氧化層成長 (a)
磷離子佈植
光阻
N型井區 P型矽
井區光罩
離子佈植 (a) 光阻剝除 退火及驅入 (b) (c)
N型井區 P型矽
(b)
N型井區 P型矽
屏蔽氧化層 (c)
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NMOS
鋁矽合金
氮化矽
場區氧 化層
PSG n+ P型矽
PSG 多晶矽 n+ 匣極氧化層
PSG
場區氧 化層
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(c)
SiO 2 p+ P型基片
p+
SiO 2
(d)
p+
p+ P型基片
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晶圓清洗
P型基片
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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
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• 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
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二氧化矽
N型井區 矽 二氧化矽 氮化矽
(c)
N型井區 矽
硼離子佈植
•退火及 驅入
•剝除氧化層 (e)
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(e)
N型井區
P型井區
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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.
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帶有P型井區的CMOS
多晶矽
n+ P型井區 n+
場區氧化層
p+
匣極氧化層
p+
N型矽
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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
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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 (b)
矽 磷離子 氮化矽 氮化矽
(a)
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) (d)
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井區形成
• 單井區 • 自我對準式的雙井區 • 雙井區
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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
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1980年代早期的CMOS
氮化矽 USG 多晶矽匣極 Al· Cu· Si BPSG SiO2 p+ 氮化矽
p+ 匣極氧 化層
n+
n+
p+
N型井區
p+
LOCOS
P型基片
絕緣佈植
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矽磊晶層
Chapter 13製程整合
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目標
雙井區
磷離子佈植 光阻 N型井區 P 型磊晶層 P型晶圓
硼離子 光阻 P型井區 N型井區 P 型磊晶層 P型晶圓
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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)
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剝除氮化矽、多晶矽及襯墊氧化層
p+
SiO2 p+ P型基片
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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
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• • • • • • • 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
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雙井區
• 兩個光罩步驟 • 平坦表面 • 常見在先進的CMOS 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
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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
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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 VFT >> V 防止鄰近電晶體的交互影響
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矽磊晶層
• RCA清潔製程用來移除矽晶圓表面的污染物 • 無水的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
P型基片
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蝕刻氮化矽
光阻 氮化矽
P型基片
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剝除光阻
氮化矽
P型基片
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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 <100>單晶矽晶圓 • 雙載子 IC晶片通常使用 <111> 晶圓
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矽局部氧化絕緣的形成
襯墊氧化層 氮化矽
晶圓清洗 成長襯墊氧化層 LPCVD 氮化矽 (a)
(a)
P型基片
氮化矽
光罩 1, LOCOS
蝕刻氮化矽
(b)
p+ P型基片
p+
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)
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襯墊氧化層
襯墊氧化層
P型基片
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LPCVD 氮化矽
襯墊氧化層
氮化矽
P型基片
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光阻 氮化矽
P型基片
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矽局部氧化光罩曝光
光阻 氮化矽
P型基片
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顯影
光阻 氮化矽
• 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
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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
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絕緣佈植
氮化矽 p+ P型基片 p+
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加熱氧化
氮化矽 p+
SiO2 p+ P型基片
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