CMOS工艺基本流程

CMOSCMOS工艺工艺 1 CMOS 全称 全称Complementary Metal Oxide Semiconductor 即互补金属氧化物半导体 是一种 即互补金属氧化物半导体 是一种 大规模应用于集成电路芯片制造的原料 采用大规模应用于集成电路芯片制造的原料 采用CMOS 技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管 技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET 集成在一块硅片上 集成在一块硅片上 2 Silicon Substrate P 2um 725um Silicon Epi Layer P 选择衬底选择衬底 基础基础 晶圆的选择 掺杂类型 N或P 电阻率 掺杂浓度 晶向 高掺杂 P 的Si晶 圆 低掺杂 P 的Si外 延层 3 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Pad Oxide 热氧化 热氧化 形成一个SiO2薄层 厚度约20nm 高温 H2O或O2气氛 缓解后续步骤形成的Si3N4对Si衬底造成的应力 4 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Silicon Nitride Si3N4淀积 Si3N4淀积 厚度约250nm 化学气相淀积 CVD 作为后续CMP的停止层 5 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Silicon Nitride Photoresist 光刻胶成形 光刻胶成形 厚度约0 5 1 0um 光刻胶涂敷 曝光和显影 用于隔离浅槽的定义 6 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Silicon Nitride Photoresist Si3N4和SiO2刻蚀 Si3N4和SiO2刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀 RIE 7 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Silicon Nitride Photoresist Transistor Active Areas Isolation Trenches 隔离浅槽刻蚀 隔离浅槽刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀 RIE 定义晶体管有源区 8 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Silicon Nitride Transistor Active Areas Isolation Trenches 除去光刻胶 除去光刻胶 氧等离子体去胶 把光刻胶成分氧化为气体 9 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Silicon Nitride Future PMOS Transistor Silicon Dioxide Future NMOS Transistor No current can flow through here SiO2淀积 SiO2淀积 用氧化物填充隔离浅槽 厚度约为0 5 1 0um 和浅槽深度和几何形 状有关 化学气相淀积 CVD 10 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Silicon Nitride Future PMOS Transistor Future NMOS Transistor No current can flow through here 化学机械抛光 化学机械抛光 CMP CMP除去表面的氧化层 到Si3N4层为止 11 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Future PMOS Transistor Future NMOS Transistor 除去Si3N4 除去Si3N4 热磷酸 H3PO4 湿法刻蚀 约180 12 Trench Oxide Cross Section Bare Silicon 平面视图平面视图 浅槽隔离浅槽隔离 完成浅槽隔离 STI 13 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Future PMOS Transistor Future NMOS Transistor Photoresist 光刻胶成形 光刻胶成形 厚度比较厚 用于阻挡离子注入 用于N 阱的定义 14 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Future NMOS Transistor Photoresist N Well Phosphorous Ions 磷离子注入 磷离子注入 高能磷离子注入 形成局部N型区域 用于制造PMOS管 15 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Future NMOS Transistor N Well 除去光刻胶 16 Photoresist Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Future NMOS Transistor N Well 光刻胶成形 光刻胶成形 厚度比较厚 用于阻挡离子注入 用于P 阱的定义 17 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P Photoresist N Well Boron Ions P Well 硼离子注入 高能硼离子注入 形成局部P型区域 用于制造NMOS管 硼离子注入 18 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P N Well P Well 除去光刻胶 19 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well 退火 退火 在600 1000 的H2环境中加热 修复离子注入造成的Si表面晶体损伤 注入杂质的电激活 同时会造成杂质的进一步扩散 快速加热工艺 RTP 可以减少杂质的扩散 20 Trench Oxide N Well P Well Cross Section 完成N 阱和P 阱 平面平面视图视图 NN阱与阱与P P阱阱 21 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Sacrificial Oxide 牺牲氧化层生长牺牲氧化层生长 牺牲氧化层生长 厚度约25nm 用来捕获Si表面的缺陷 22 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well 除去牺牲氧化层 除去牺牲氧化层 HF溶液湿法刻蚀 剩下洁净的Si表面 23 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Gate Oxide 栅氧化层生长 栅氧化层生长 工艺中最关键的一步 厚度2 10nm 要求非常洁净 厚度精确 1 用作晶体管的栅绝缘层 24 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Polysilicon 多晶硅淀积 多晶硅淀积 厚度150 300nm 化学气相淀积 CVD 25 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist Channel Length Polysilicon 光刻胶成形 光刻胶成形 工艺中最关键的图形转移步骤 栅长的精确性是晶体管开关速度的首要决定 因素 使用最先进的曝光技术 深紫外光 DUV 光刻胶厚度比其他步骤薄 26 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist Channel Length 多晶硅刻蚀 多晶硅刻蚀 基于氟的反应离子刻蚀 RIE 必须精确的从光刻胶得到多晶硅的形状 27 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Gate Oxide Poly Gate Electrode 除去光刻胶 28 Trench Oxide N Well P Well Cross Section Polysilicon 平面平面视图视图 栅极栅极 完成栅极 29 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Gate Oxide Poly Gate Electrode Poly Re oxidation 多晶硅氧化 多晶硅氧化 在多晶硅表面生长薄氧化层 用于缓冲隔离多晶硅和后续步骤形成的 Si3N4 30 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist 光刻胶成形 光刻胶成形 用于控制NMOS管的衔接注入 31 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist Arsenic Ions N Tip NMOS管衔接注入 NMOS管衔接注入 低能量 浅深度 低掺杂的砷离子注入 衔接注入用于削弱栅区的热载流子效应 32 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well N Tip 除去光刻胶 33 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist N Tip 光刻胶成形 光刻胶成形 用于控制PMOS管的衔接注入 34 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist BF2 Ions N Tip P Tip PMOS管衔接注入 低能量 浅深度 低掺杂的BF2 离子注入 衔接注入用于削弱栅区的热载流子效应 PMOS管衔接注入 35 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well N Tip P Tip 除去光刻胶 36 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Silicon Nitride Thinner Here Thicker Here N Tip P Tip P Tip Si3N4淀积 Si3N4淀积 厚度120 180nm CVD 37 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Spacer Sidewall N Tip P Tip P Tip Si3N4刻蚀 Si3N4刻蚀 水平表面的薄层Si3N4被刻蚀 留下隔离侧墙 侧墙精确定位晶体管源区和漏区的离子注入 RIE 38 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist N Tip P Tip 光刻胶成形 光刻胶成形 用于控制NMOS管的源 漏区注入 39 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well Photoresist Arsenic Ions N Drain N Source P Tip NMOS管源 漏注入 NMOS管源 漏注入 浅深度 重掺杂的砷离子注入 形成了重掺杂的源 漏区 隔离侧墙阻挡了栅区附近的注入 40 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well N Drain N Source P Tip 除去光刻胶 41 Silicon Substrate P Silicon Epi Layer P P Well N Well N Drain N Source Photoresist P Ti