CMOS制作基本工艺

CMOS制作的基本工艺的详细介绍,让刚入门的你对CMOS乃至集成电路的制作有一个系统的认识。

CMOS制作基本步骤

CMOS的制作步骤是需要经过一系列的复杂的化学和物理操作最终形成集成电路。而做为一名集成电路版图（ic layout）工程师，对于这个在半导体制造技术中具有代表性的CMOS工艺流程有个系统的了解是有很大帮助的。个人认为只有了解了工艺的版工才会在IC Layout的绘制中考虑到你所画的版图对流片产生的影响。

芯片制造厂（Fab）大概分为：扩散区，光刻区，刻蚀区，离子注入区，薄膜区和抛光区。扩散是针对高温工艺，光刻利用光刻胶在硅处表面刻印，刻蚀将光刻胶的图形复制在硅片上，离子注入对硅片掺杂，薄膜区淀积介质层和金属层，抛光主要是平坦化硅片的上表面。

简化的CMOS工艺由14个生产步骤组成：（1）双阱注入在硅片上生成N阱和P阱。（2）浅槽隔离用于隔离硅有源区。（3）通过生长栅氧化层、淀积多晶硅和刻印得到栅结构。（4）LDD注入形成源漏区的浅注入。（5）制作侧墙在随后的源、漏注入当中保护沟道。（6）中等能量的源、漏注入，形成的结深大于LDD的注入深度。（7）金属接触形成硅化物接触将金属钨和硅紧密结合在一起。

（8）局部互连形成晶体管和触点间的第一层金属线。（9）第一层层间介质淀积，并制作连接局部互连金属和第一层金属的通孔1。（10）用于第一次金属刻蚀的第一层金属淀积金属三明治结构并刻印该层金属。（11）淀积第二层层间介质并制作通孔2。（12）第二层金属通孔3淀积第二层金属叠加结构，并淀积和刻蚀第三层层间介质。（13）第三层金属到压点刻蚀、合金化重复这些成膜工艺直到第五层金属压焊淀积完毕，随后是第六层层间介质和钝化层的制作。（14）最后一步工艺是参数测试，验证硅片上每一个管芯的可靠性。

在之前的文章中以一个PMOS和一个NMOS构成的反相器为例，简单的分步介绍了CMOS制作的基本步骤，整个流程就是对上述步骤的详细解说。不同的是（9）

（10）被合在一起介绍，（11）（12）（13）被合在一起介绍，而（14）则没有列入到详解步骤中。这样CMOS制作步骤就对应到了以后10篇文章中：

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CMOS制作步骤（一）:双阱工艺

2011-3-3工艺流程双阱工艺

现在COMS工艺多采用的双阱工艺制作步骤主要表现为以下几个步骤：

N阱的形成

（1）外延生长 *外延层已经进行了轻的P型掺杂

（2）原氧化生长 这一氧化层主要是a)保护表面的外延层免受污染，b)阻止了在注入过程中对

（3）硅片过度损伤，c)作为氧化物层屏蔽层，有助于控制流放过程中杂质的注入深度

（4）第一层掩膜 ，n阱注入

（5）n阱注放（高能）

（6）退火 退火后的四个结果：

a)裸露的硅片表面生长了一层新的阴挡氧化层，

b)高温使得杂质向硅中扩散

c)注入引入的损伤得到修复，

d)杂质原子与硅原子间的共价键被激活，使得杂质原子成为晶格结构中的一部分。

P阱的形成

（1） 第二层掩膜， p阱注入 *P阱注入的掩膜与N阱注入的掩膜相反

（2） P阱注入（高能）

（3） 退火

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CMOS制作步骤（二）：浅槽隔离工艺（STI）

2010-11-28工艺流程STI、浅槽隔离工艺

相信很多在现在看工艺厂的相关文档时，会看到有些图上面标有STI的注释，STI是英文 shallow trench isolation的简称，翻译过来为 浅槽隔离 工艺。 STI通常用于0.25um以下工艺，通过利用氮化硅掩膜经过淀积、图形化、刻蚀硅后形成槽，并在槽中填充淀积氧化物，用于与硅隔离。

下面详细介绍一下浅槽隔离的步骤，主要包括：槽刻蚀、氧化物填充和氧化物平坦化。 槽刻蚀

（1）隔离氧化层。硅表面生长一层厚度约150埃氧化层；可以做为隔离层保护有源区在去掉氮化物的过程中免受化学沾污。

（2）氮化物淀积。硅表面生长一薄层氮化硅：a)由于氮化硅是坚固的掩膜材料，有助于在STI氧化物淀积过程中保护有源区 b)在CMP时充当抛光的阻挡材料。

（3）掩膜，浅槽隔离

（4）STI槽刻蚀。在经过上面的光刻之后把没有被光刻胶保护的区域用离子和强腐蚀性的化学物质刻蚀掉氮化硅、氧化硅和硅。需要注意的是会在沟槽倾斜的侧壁及圆滑的底面有助于提高填充的质量和隔离结构的电学特性

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氧化物填充

（1） 沟槽衬垫氧化硅

硅片再次清洗和去氧化物等清洗工艺后，高温下在曝露的隔离槽侧壁上生长150埃的氧化层，用以阻止氧分子向有源区扩散。同时垫氧层也改善硅与沟槽填充氧化物之间的界面特性

（2）沟槽CVD氧化物填充

氧化物平坦化

（1）化学机械抛光

（2）氮化物去除

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CMOS

制作步骤（三）：多晶硅栅结构工艺

2011-8-3工艺流程gate、polysilicon

晶体管中的多晶硅栅(polysilicon gate)结构的制作是整个CMOS流程中最关键的一步，它的实现要经过栅氧层的形成和多晶硅栅刻蚀这两个基本过程，多晶硅栅的最小尺寸决定着一个工艺的特征尺寸，同进也为下面的源漏注入充当掩膜的作用，这也是做为IC版图工程师需要掌握的基础知识。

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多晶硅栅结构制作基本步骤一：栅氧化层的生长。清洗掉硅片曝露在空气中沾染的杂质和形成的氧化层。进入氧化炉生长一薄层二氧化硅。

多晶硅栅结构制作基本步骤二：多晶硅淀积。硅片转入通有硅烷的低压化学气相淀积设备，硅烷分解从而在硅片表面淀积一层多晶硅，之后可以对poly进行掺杂。

多晶硅栅结构制作基本步骤三：多晶硅光刻。 在光刻区利用深紫外线光刻技术刻印多晶硅结构。

多晶硅栅结构制作基本步骤四：多晶硅刻蚀。利用异向等离子体记刻蚀机对淀积的多晶硅进行刻蚀，得到垂直剖面的多晶硅栅。

CMOS制作步骤（四）：轻掺杂漏(LDD)注入工艺 2011-8-4工艺流程LDD、轻掺杂漏

随着栅的宽度不断减小，栅结构下的沟道长度也不断的减小， 为了有效的防止短沟道效应，在集成电路制造工艺中引入了轻掺杂漏工艺（LDD），当然这一步的作用不止于此，大质量材料和表面非晶态的结合形成的浅结有助于减少源漏间的沟道漏电流效应。同时LDD也是集成电路制造基本步骤的第四步。

N-轻掺杂漏注入(nLDD)

（1）N-LDD光刻

刻印硅片，得到N-区注入的光刻胶图形，其它所有的区域被光刻胶保护

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（2）N-LDD注入

在未被光刻胶保护的区域进入砷离子注入，形成低能量浅结（砷的分子量大有利于硅表面非晶化，在注入中能够得到更均匀的掺杂深度）

P-轻掺杂漏注入（pLDDG）

（1）P-LDD光刻

刻印硅片，得到P-区注入的光刻胶图形，其它所有的区域被光刻胶保护

（2）P-LDD注入

采用更易于硅表面非晶化的氟化硼进入注入，形成的也是低能量的浅结

CMOS制作步骤（五）：侧墙的形成

2011-8-5工艺流程

为了防止大剂量的源漏注入过于接近沟道从而导致沟道过短甚至源漏连通，在CMOS的LDD注入之后要在多晶硅栅的两侧形成侧墙。侧墙的形成主要有两步：1. 在薄膜区利用化学气相淀积设备淀积一层二氧化硅。2. 然后利用干法刻蚀工艺刻掉这层二氧化硅。由于所用的各向异性，刻蚀工具使用离子溅射掉了绝大部分的二氧化硅，当多晶硅露出来之后即可停止反刻，但这时并不是所有的二氧化硅都除去了，多晶硅的侧墙上保留了一部分二氧化硅。这一步是不需要掩膜的。

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CMOS制作步骤（六）：源/漏注入工艺

2011-8-9工艺流程S/D

在侧墙形成后，需要进行的就是源/漏注入工艺。先要进行的是n+源/漏注入，光刻出n型晶体管区域后，进行中等剂量的注入，其深度大于LDD的结深，且二氧化硅构成的侧墙阻止了砷杂质进入狭窄的沟道区。接下来进行P+源/漏注入，在光刻出了要进行注入的P型晶体管区域后，同样进行中等剂量注入，形成的结深比LDD形成的结深略大，侧墙起了同样的阻挡作用。注入后的硅片在快速退火装置中退火，在高温状态下，对于阻止结构的扩展以及控制源/漏区杂质的扩散都非常重要。源/漏注入工艺 的基本过程如下图所示：

n+源/漏注入

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p+源/漏注入

CMOS制作步骤（七）：接触（孔）形成工艺

2011-8-12工艺流程

接触孔形成工艺的目的是在所有硅的有源区形成金属接触。这层金属接触可以使硅和随后沉积的导电材料更加紧密地结合起来（如下图）。硅片表面的沾污和氧化物被清洗掉后，会利用物理气相沉积(PVD)在硅片表面沉积一层金属，即在一个等离子的腔体中带电的氩离子轰击金属靶，释放出金属原子，使其沉积在硅片表面。之后对硅片进行高温退火，金属和硅在高温下形成金属硅化物,最后用化学方法刻蚀掉没有发生反应的金属，将金属的硅化物留在了硅表面。

接触（孔）形成工艺

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钛是做金属接触的理想材料，它的电阻很低，

可以与硅发生反应形成TiSi(钛化硅)，而钛和二氧化硅不发2

生反应，因此这两种物质不会发生化学的键合或者物于是聚集。因此钛能够轻易地从二氧化硅表面除去，而不需要额外的掩膜。钛的硅化物在所有有源硅的表面保留了下来（如源、漏和栅）。

CMOS制作步骤（八）：局部互连工艺

2011-8-16工艺流程局部互连

CMOS制作步骤中接触孔形成后下一步便是在晶体管以及其它钛硅化物接触之间布金属连接线。在下面的工艺流程中用的方法称为局部互连（LI）。形成局部互连的步骤与形成浅槽隔离的步骤一样复杂。工艺首先要求淀积一层介质薄膜，接下来是化学机械抛光、刻印、刻蚀和钨金属淀积，最后以金属层抛光结束（图1和图2）。这种工艺称为大马士革（damascene），名字取自几千年前叙利亚大马士革的一位艺术家发明的一种技术。这步工艺的最后结果是在硅片表面得到了一种类似精制的镶嵌首饰或艺术品的图案。图3描绘了这些金属线是如何嵌入氧化物侧壁之间的。

形成局部互连氧化硅介质的步骤

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（1）氮化硅化学气相淀积 用化学气相淀积工艺先淀积一层氧化硅作为阻挡层。这层氮化硅将硅有源区保护起来，使之与随后的掺杂淀积层隔绝

（2）掺杂氧化物的化学气相淀积 局部互连结构中的局部互连介质成分是由化学气相沉积的二氧化硅提供的。二层氧化硅要用磷或硼轻掺杂。二氧化硅中引入杂质能够提高下班的介电特性。随后的快速退火能够使下班流动，得到更加平坦的表面

（2） 氧化层抛光 利用化学机械抛光工艺平坦化局部互连的氧化层。

（4）第九层掩膜，局部互连刻蚀 硅片在光刻区刻印然后在刻蚀区刻蚀。在局部互连的氧化层中制作出窄沟槽，这些沟槽定义了局部互连金属的路径形式 制作局部互连金属的步骤

（1）金属钛淀积（PVD工艺） 一薄阻挡层金属钛衬垫于局部互连沟道的底部和侧壁上，这一层钛充当了钨与二氧化硅间的粘合剂。

（2）氮化钛沉积 钨化钛立即淀积于钛金属层的表面充当金属钨的扩散阻挡层

（3）钨淀积 钨填满局部互连的沟槽并覆盖硅片表面。之所以用钨而不是铝来做局部互连金属是因为钨能够无空洞地填充孔，形成钨塞。另一个原历是钨良好的磨抛特性

（4）磨抛钨 钨被磨抛到局部互连介质层的上表面

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CMOS制作步骤（九）：Via-1, Plug-1及Metal-1互连的形成

2011-8-17工艺流程metal、plug、via

层间介质（ILD）充当了各层金属间以及第一层金属与硅之间的介质材料。层间介质上有许多小的通孔，这些层间介质上的细小开口为相邻的金属层之间提供了电学通道。通孔中有导电金属（通常是钨，称为钨塞）填充，钨塞放置在适当的位置，以形成金属层间的电学通路（见图1，图2）。第一层层间介质是下面将要介绍的一系列互连工艺的第一步。

Via-1形成的主要步骤

（1）第一层ILD氧化物 在薄膜区利用CVD设备在硅片表面淀积一层氧化物。这层氧化物（第一层IDL）将充当介质材料，通孔就制作在这一层介质上

（3） 氧化物磨抛 用CMP的方法磨抛第一层ILD氧化物，清洗硅片除去抛光工艺中引入的颗粒

（3）第十层掩膜，第一层ILD刻蚀 硅片先在光刻区刻印然后在刻蚀区刻蚀。直径不到0.25 um的小孔刻蚀在第一层ILD氧化物上。这一步要进行严格的CD、OL以及缺陷检测

Plug-1形成的主要步骤

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Plug-1形成的主要步骤

（1） 金属淀积Ti阻挡层（PVD）

在薄膜区利用PVD设备在整个硅片表面淀积一薄层Ti。Ti衬垫于能孔的底部及侧壁上。Ti充当了将钨限制在通孔当中的粘合剂

（2） 淀积氮化钛（CVD)

在Ti的上表面淀积一薄层氮化钛。在下一步沉积中，氮化钛充当了钨的扩散阻挡层

（3） 淀积钨（CVD）

用另一台CVD设备在硅片上淀积钨。钨填满小的开口形成plug

（4） 磨抛钨

磨抛被钨涂覆的硅片直到第一层ILD的上表面

第一层金属互连的形成

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（1） 金属钛阻挡层淀积（PVD）

与其它金属工艺一样，钛是淀积于整个硅片上的第一层金属。它提供了Plug和下一层Metal之间的良好键合。同样它与ILD材料的结合也非常紧密，提高了金属叠加结构的稳定性

（2） 淀积铝铜合金（PVD）

在薄膜区利用PVD设备将铝铜合金溅射在有钛覆盖的硅片上。铝中加入1%的铜提高了铝的稳定性

（3） 淀积氮化钛（PVD）

在铝铜合金层上淀积一薄层氮化钛充当下一次光刻中的抗反射层

（4） 第十一层掩膜，金属刻蚀

先用光刻胶刻印硅片，然后用等离子体刻蚀机刻蚀sandwich结构

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