第十章 半导体制程概论萧宏chapter13.ppt

Hong Xiao, Ph. D. www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm Chapter 13製程整合 Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@ www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm 目標 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 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 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 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 NMOS 1980年代早期的CMOS 矽磊晶層 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 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 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 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 井區形成 單井區 自我對準式的雙井區 雙井區 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 N型井區的形成步驟 帶有P型井區的CMOS 帶有N型井區的CMOS 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 自我對準式的雙井區 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. 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 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 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 雙井區 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) 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 矽局部氧化絕緣的形成 晶圓清洗 襯墊氧化層 LPCVD 氮化矽 光阻塗佈 矽局部氧化光罩 矽局部氧化光罩 矽局部氧化光罩曝光 顯影 蝕刻氮化矽 剝除光阻 絕緣佈植 加熱氧化 剝除氮化矽、多晶矽及襯墊氧化層 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 矽局部氧化的鳥嘴 多晶矽緩衝層(PBL) LOCOS 降低 “鳥嘴” 在LPCVD 氮化矽之前沉積多晶矽 橫向擴散的氧會被多晶矽層所消耗 把鳥嘴降低到 0.1 ~ 0.2 mm. 多晶矽緩衝層(PBL) LOCOS 淺溝槽絕緣(STI) LOCOS 和 PBL當圖形尺寸縮小到 0.