1、CMOS反相器的制造工藝流程院系：交通科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)號(hào): 11131066姓名 ： 姬勃2013年12月9日摘要：雖然集成電路制造工藝在快速發(fā)展,但始終都是以幾種主要的制造工藝為基礎(chǔ)。文章介紹了 CMOS反相器的主要工藝流程，并對(duì)集成電路的主要制造工藝作了簡要分析。關(guān) 鍵 詞： CMOS反相器 、工作原理、工藝流程1.1 CMOS反相器 介紹CMOS反相器由一個(gè)P溝道增強(qiáng)型MOS管和一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管串聯(lián)組成.通常P溝道管作為負(fù)載管，N溝道管作為輸入管。這種配置可以大幅降低功耗，因?yàn)樵趦煞N邏輯狀態(tài)中,兩個(gè)晶體管 中的一個(gè)總是截止的。處理速率也能得到很好的提高，因?yàn)榕cNMOS型和PMOS

2、型反相器相比，CMOS反相器的電阻 相對(duì)較低1.1工作原理兩個(gè)MOS管的開啟電壓VGS(th）P<0， VGS（th）N >0,通常為了保證正常工作，要求VDD|VGS(th）P+V GS（th）N.若輸入vI為低電平(如0V)，則負(fù)載管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近VDD。若輸入vI為高電平(如VDD），則輸入管導(dǎo)通,負(fù)載管截止,輸出電壓接近0V。綜上所述，當(dāng)vI為低電平時(shí)vo為高電平；vI為高電平時(shí)vo為低電平,電路實(shí)現(xiàn)了非邏輯運(yùn)算，是非門-反相器。1。1 CMOS 的制造流程CMOS 是集成電路的最基本單元，它的制作流程可分為前段和后段，前段流 程主要完成

3、元件的制作，包括組件隔離區(qū)的形成、阱的植入、柵極的制成、LDD 的植入、源極和漏極的制成.后段流程主要完成元件之間的互連，包括第一層金 屬的制成、第二層金屬的制成、保護(hù)層和焊墊的制成。以 0。25 微米制程為例， 具體分為以下步驟。1。1.1 組件隔離區(qū)的形成1。 初始清洗 初始清洗就是將晶圓放入清洗槽中，利用化學(xué)或物理的方法將在晶圓表面的塵粒，或雜質(zhì)去除,防止這些雜質(zhì)塵粒,對(duì)后續(xù)的制程造成影響，使得組件無法正常工作。表 2.1 是半導(dǎo)體制程中所用到的標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟.表 2.1 半導(dǎo)體制程中所用到的標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟步驟化學(xué)溶劑清洗溫度清除之污染物1H2SO4+H2O2 （4:1）120有機(jī)污染物2D

4、.I Water室溫洗清3NH4OH+H2O2+H2O80-90微塵4D。I Water室溫洗清5HCL+H2O2+H2O （1：1:5)80-90金屬離子6D.I Water室溫洗清7HF+H2O (1:50)室溫原生氧化層8D.I Water室溫洗清2. 前置氧化 圖 2。2 為前置氧化示意圖。先長一層薄薄的二氧化硅，目的是為了降低后續(xù) 制程中的應(yīng)力，因?yàn)橐诰A的表面形成一層厚的氮化硅，而氮化硅具有很強(qiáng)的 應(yīng)力,會(huì)影響晶圓表面的結(jié)構(gòu)，因此在這一層氮化硅及硅晶圓之間，加入一層二 氧化硅減緩氮化硅的應(yīng)力，因?yàn)榈杈哂欣Χ趸杈哂袕埩Γ虼思尤?一層二氧化硅可以平衡掉硅晶圓表面的應(yīng)力.

5、 圖 2。2 前置氧化3沉積氮化硅圖 2。3 為沉積氮化硅示意圖。利用 PECVD 的技術(shù)沉積氮化硅，用來隔絕氧氣 與硅的接觸,以定義出組件隔離的區(qū)域，使不被氮化硅所覆蓋的區(qū)域，被氧化而 形成組件隔離區(qū)。離子布植離子布植是將所需的注入元素(如砷）電離成正離子,并使其獲得 所需的能量，以很快的速度射入硅芯片的技術(shù)。而這個(gè)固體材料主要是由原子核 和電子組成的。圖 2。3 沉積氮化硅4。組件隔離區(qū)的光罩形成 圖 2。4 是組件隔離區(qū)的光罩形成示意圖，利用微影的技術(shù)，上光阻，將要氧化絕緣的區(qū)域的光阻去除，而定義出組件隔離區(qū)。圖 2。4 組件隔離區(qū)的光罩形成5.氮化硅的蝕刻 圖 2.5 是氮化硅的蝕刻示

6、意圖，將需要氧化區(qū)域的氮化硅利用活性離子蝕刻法去除。接著再將光阻去除.圖 2。5 氮化硅的蝕刻6。元件隔離區(qū)的氧化 圖 2.6 是元件隔離區(qū)的氧化示意圖，利用氧化技術(shù),在組件隔離區(qū)長成一層厚厚的二氧化硅，形成組件的隔離區(qū). 注：氧化-二氧化硅(SiO2)的制作方法有:1。熱氧化法;2。沉積法；3。陽極氧化法;4。氧離子注入氧化法。其中較常用的熱氧化法又可分為 1。干氧化法；2。濕氧化法；3。純水氧化法；4.摻氯氧化法 .而濕氧化法又有普通濕氧氧化法及 氫氧合成濕氧化法。圖 2.6 元件隔離區(qū)的氧化7。去除氮化硅 圖 2.7 是去除氮化硅示意圖，利用活性離子蝕刻技術(shù)將氮化硅去除。圖 2.7 去除

7、氮化硅1.1。2 阱的植入1.N 型阱的形成圖 2.8 是 N 型阱的形成示意圖，將光阻涂在芯片上之后，利用微影技術(shù)，將 所要形成的 N 型阱區(qū)域的圖形定義出來，即將所要定義的 N 型阱區(qū)域的光阻去 除掉.利用離子布植的技術(shù)，將磷打入晶圓中，形成 N 型阱。圖 2。8 N 型阱的形成2.P 型阱的形成圖 2。9 是 P 型阱的形成示意圖,將光阻涂在芯片上之后，利用微影技術(shù)，將 所要形成的 P 型阱區(qū)域的圖形定義出來，即將所要定義的 P 型阱區(qū)域的光阻去 除掉。利用離子布植的技術(shù),將硼打入晶圓中，形成 P 型阱。接著再利用有機(jī)溶 劑將光阻去除。圖 2.9 P 型阱的形成3。退火及氧化層的形成 圖

8、 2.10 是退火及氧化層的形成示意圖，離子布植之后會(huì)嚴(yán)重地破壞了晶格的完整性。所以，摻雜離子布植之后的晶圓必須經(jīng)過合理的退火。退火就是利用 各種形式的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量來消除晶圓中晶格缺陷和內(nèi)應(yīng)力，以恢復(fù)晶格的完 整性.同時(shí)使使注入雜質(zhì)原子進(jìn)入到替代位置而有效的活化加入的雜質(zhì).圖 2.10 退火及氧化層的形成4.去除二氧化硅 圖 2.11 是去除二氧化硅示意圖，利用濕式蝕刻的方法將芯片表面的二氧化硅予以去除。圖 2。11 去除二氧化硅1.1.3 柵極的制成1. 柵極（gate)氧化層的形成 圖 2.12 是柵極(gate)氧化層的形成示意圖,利用熱氧化形成良好品質(zhì)的二 氧化硅，作為柵極的氧化層

9、,此道步驟為制作 CMOS 的關(guān)鍵步驟。 圖 2。12 柵極(gate）氧化層的形成2。多晶硅的沉積圖 2.13 是多晶硅的沉積示意圖，利用 LPCVD 的技術(shù)沉積多晶硅在晶圓表面， 以達(dá)到在閘極的區(qū)域有好的電性接觸點(diǎn).注：LPCVD-低壓化學(xué)氣相沉積。低壓化學(xué)氣相沉積是在爐管中完成的，是 將氣體反應(yīng)物通入爐管中,加以反應(yīng)形成所需的物質(zhì)在芯片上.圖 2。13 多晶硅的沉積3柵極光罩的形成 圖 2。14 是柵極光罩的形成示意圖，先上光阻，再利用微影技術(shù)將柵極的區(qū)域定義出來。圖 2。14 柵極光罩的形成4.活性離子蝕刻 圖 2。15 是活性離子蝕刻示意圖,利用活性離子蝕刻將柵極區(qū)域以外，再用LPC

10、VD 所成長的多晶硅及在形成柵極時(shí)所生長的二氧化硅給蝕刻。圖 2.15 活性離子蝕刻5. 熱氧化 圖 2。16 是熱氧化示意圖,利用氧化技術(shù)，在晶圓表面形成一層氧化層. 圖 2。16 熱氧化1。1.4 LDD 的植入1。NLDD 植入圖 2.17 是 NLDD 植入示意圖.首先上光阻,利用微影技術(shù)將 NMOS 的源 極及漏極區(qū)域的光罩形成之后，在 NMOS 的源極和漏極(source and drain）植入一 層很薄的 LDD，然后去光阻.注：在次微米 MOS 中要用低摻雜漏極(LDD)來抑制熱載流子效應(yīng).，因?yàn)?熱載流子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致元件劣化且影響晶片的可靠度。LDD 為高濃度的 source

11、 and drain 提供了一個(gè)擴(kuò)散緩沖層，抑制了熱載流子效應(yīng)。圖 2。17 NLDD 植入3. PLDD 植入 圖 2。18 是 PLDD 植入示意圖,首先上光阻,利用微影技術(shù)將 PMOS 的源極 及漏極區(qū)域的光罩形成之后,.在 PMOS 的源極和漏極同樣植入一層很薄的 LDD， 然后去光阻.圖 2。18 PLDD 植入1。1.5 源極及漏極的形成1.沉積氮化硅 圖 2。19 是沉積氮化硅示意圖，用化學(xué)氣相沉積方法沉積一層氮化硅。圖 2.19 沉積氮化硅2蝕刻氮化硅 圖 2。20 是蝕刻氮化硅示意圖，蝕刻掉氮化硅,但會(huì)在側(cè)壁留下一些殘余物，被稱為 spacer。圖 2。20 蝕刻氮化硅3。N

12、MOS 的源極及漏極區(qū)域制成圖 2.21 是 NMOS 的源極及漏極區(qū)域制成示意圖,首先上光阻，利用微影技術(shù) 將 NMOS 的源極及漏極區(qū)域的光罩形成之后，再利用離子布植技術(shù)將砷元素打 入源極及漏極的區(qū)域，接著做退火的處理 圖 2.21 NMOS 的源極及漏極區(qū)域制成4.PMOS 的源極及漏極的制成圖 2.22 是 PMOS 的源極及漏極的制成示意圖，首先利用微影技術(shù)將 PMOS 的源 極及漏極區(qū)域的光罩形成（p-channel Source/Drain Mask）之后,再利用離子布 植的技術(shù)將硼元素打入源極及漏極的區(qū)域。圖 2.22 PMOS 的源極及漏極的制成5.沉積 Ti 并形成 TiS

13、i2圖 2.23 是沉積 Ti 并形成 TiSi2 示意圖，Ti 在高溫下與 Si 反應(yīng)生成 TiSi2。圖 2.23 沉積 Ti 并形成 TiSi26。Ti 的蝕刻圖 2。24 是 Ti 的蝕刻示意圖，把柵極側(cè)壁的 Ti 蝕刻掉。圖 2。24 Ti 的蝕刻1。1。6 第一層互連的制作1。沉積含硼磷的氧化層（BPSG)圖 2。25 是沉積含硼磷的氧化層（BPSG)示意圖，由于加入硼磷的氧化層熔 點(diǎn)會(huì)比較低，當(dāng)其加熱后會(huì)有些微流動(dòng)的性質(zhì),所以可以利用其來做初級(jí)平坦化.圖 2。25 沉積含硼磷的氧化層(BPSG)2。第一層接觸金屬之接觸洞之形成圖 2.26 是第一層接觸金屬之接觸洞之形成示意圖,上

14、光阻之后，利用微影 技術(shù)將第一層接觸金屬的光罩形成。再利用活性離子蝕刻將接觸點(diǎn)上的材料去掉 （Contact RIE Etch），去掉光阻，再將晶圓放置于加熱 爐管中，升高溫度，使 ASG 產(chǎn)生些微的流動(dòng)，即初級(jí)平坦化。圖 2.26 第一層接觸金屬之接觸洞之形成3形成 TiN 層圖 2.27 是形成 TiN 層示意圖，利用濺鍍的技術(shù),濺鍍上一層 TiN.圖 2.27 形成 TiN 層4沉積鎢圖 2.28 是沉積鎢示意圖,沉積鎢并添滿接觸洞，然后用 CMP（化學(xué)機(jī)械研 磨）的方法去掉表面的鎢。圖 2。28 沉積鎢5。第一層金屬的制成圖 2.29 是第一層金屬的制成示意圖，利用濺鍍的技術(shù)，濺鍍上一

15、層鋁金屬.但在鋁的上下表面也要做 Ti/TiN 層。圖 2。29 第一層金屬的制成6.第一層金屬的蝕刻圖 2。30 是第一層金屬的蝕刻示意圖，利用微影技術(shù)，定義出第一層金屬的 光罩。接著將鋁金屬利用化學(xué)蝕刻的技術(shù),將不要的部份去除.圖 2.30 第一層金屬的蝕刻 1.1.7 第二層互連的制成 1. 沉積第一層介電膜（IMD1) 圖 2。31 是沉積 IMD1 示意圖，沉積一層介電膜（IMD)主要成分是硅玻璃。 然后用化學(xué)機(jī)械研磨的方法做表面平坦化處理. 圖 2.31 沉積 IMD12第二層接觸金屬連接線形成 圖 2。32 是第二層接觸金屬的連接線的形成示意圖,利用微影技術(shù)將第二層接觸金屬的圖形

16、制造出來，再利用活性離子蝕刻法來做接觸點(diǎn)的蝕刻（Contact Etch).之后去掉光阻.然后沉積鎢并添滿接觸洞，用 CMP（化學(xué)機(jī)械研磨）的 方法去掉表面的鎢。圖 2.32 第二層接觸金屬的連接線的形成3.第二層金屬的制成圖 2。33 是第二層金屬的制成示意圖，先將第二層金屬沉積（2nd Metal Deposition）上去，接著利用微影技術(shù)將第二層金屬的光罩形成 (2nd Metal Masking)，接著將鋁金屬蝕刻(Aluminum Etch）。圖 2。33 第二層金屬的制成 1.1.8 保護(hù)層與焊墊的制成 1. 保護(hù)氧化層和氮化硅的沉積 圖 2。34 是保護(hù)氧化層和氮化硅的沉積示意圖，接著利用 PECVD 沉積保護(hù)的氧 化層。再利用 PECVD 沉積氮化硅，形成保護(hù)層. 圖 2。34 保護(hù)氧化層和氮化硅的沉