第五章工艺集成ppt课件.ppt
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1、工艺集成 Process Integration,大规模集成电路制造工艺,2,知识回顾,3,工艺集成,集成电路的工艺集成: 运用各类单项工艺技术(外延、氧化、气相沉积、光刻、扩散、离子注入、刻蚀以及金属化等工艺)形成电路结构的制造过程。,薄膜形成,光刻,掺杂、刻蚀,4,工艺集成,形成薄膜:化学反应,PVD,CVD,旋涂,电镀;光刻:实现图形的过渡转移;改变薄膜:注入,扩散,退火;,刻蚀:最后图形的转移;,器件的制备:各种工艺的集成 MOS,CMOS,BJT,BiCMOS,MESFET,工艺目的:,5,工艺的选择,工艺条件:温度, 压强, 时间, 功率, 剂量,气体流量, ,工艺参数:厚度, 介
2、电常数, 应力, 浓度, 速度,器件参数:阈值电压, 击穿电压, 漏电流, 增益,6,工艺的限制,MOS:阈值电压束缚了氧化层厚度;BJT:电流增益束缚了基区宽度;内连线:RC延迟束缚了电阻率;,Al的存在限制了工艺温度;刻蚀的选择比限制了材料的选择;,器件特性要求对工艺的限制:,工艺兼容性的限制:,7,集成电路中器件的隔离,由于MOSFET的源、漏与衬底的导电类型不同, 所以本身就是被PN结所隔离,即自隔离(self-isolated);,MOSFET晶体管是自隔离,可有较高的密度, 但邻近的器件会有寄生效应;,8,LOCOS 隔离,希望场区的VT大,保证寄生MOSFET的电流小于1pA;,
3、增加场区VT 的方法: 场氧化层增厚:栅氧化层的7-10倍; 增加场氧化区下面掺杂浓度(Channel-Stop Implant, 沟道阻断注入);,9,LOCOS隔离工艺,10,LOCOS隔离工艺,Birds Beak,11,改进的LOCOS工艺 PBL: polybuffered LOCOS,在LPCVD Si3N4前, 先淀积一层多晶硅,让多晶硅消耗场氧化时横向扩散的O。鸟嘴可减小至0.1-0.2um。,12,浅阱隔离(Shallow Trench Isolation),与LOCOS相比,STI尺寸按比例缩小更容易!,13,MESFET器件制备工艺流程,GaAs优点: 电子迁移率高; 更
4、高的饱和漂移速度; 衬底可以实现半绝缘;,GaAs缺点: 体缺陷多; 少子寿命短; 氧化物质量差;,光刻胶,外延生长n型有源层;外延生长n+接触层;,Mask #1 刻蚀形成隔离,14,MESFET器件制备工艺流程,Mask #2 形成源漏欧姆接触,金属蒸发沉积,Lift-off工艺形 成金属图形;蒸发沉积金属;,Mask #3 刻蚀n+层GaAs, 源漏间形成断路;,光刻胶,光刻胶,光刻胶,15,MESFET器件制备工艺流程,Mask #4 将沟道区刻薄; 定义栅极图形;,金属蒸发沉积,光刻胶,光刻胶,Lift-off工艺形成栅电极,16,npn型BJT器件制备工艺流程,npn BJT:基区
5、为p型半导体,少数载流子为电子, 具有更高的迁移率,器件工作速度更快;,横向隔离用SiO2,相对于pn结隔离,寄生电容更小;纵向利用n+p结隔离;n+埋层,也可以减少集电极的串联电阻;,17,npn型BJT器件制备工艺流程,Mask #1 定义埋层注入区,杂质注入+扩散;n型外延层生长, 避免埋层杂质扩散;,18,npn型BJT器件制备工艺流程,Mask #2 形成隔离,减压SiO2生长;Si3N4沉积;硅阱刻蚀;沟道阻挡离子注入;,隔离SiO2形成;Si3N4去除;,19,npn型BJT器件制备工艺流程,Mask #3 基区注入掺杂,Mask #4 薄氧化层刻蚀,Mask #5 基区接触p+
6、注入掺杂,20,npn型BJT器件制备工艺流程,n+发射极/集电极接触区,P/As离子注入,Mask #6 发射极注入; 集电极金属接触区注入; 低能量,高剂量注入;,绝缘层,21,npn型BJT器件制备工艺流程,PECVD SiNx 钝化层,内连金属,纵向npnBJT,Mask #7 开接触孔;,Mask #8 形成金属电极;,8次光刻5次注入7次成膜5次刻蚀,22,NMOS制备工艺流程,Mask #1 定义有源区,(沟道阻止注入),23,NMOS制备工艺流程,LOCOS隔离,去除Si3N4;去除压力释放氧化层;,24,NMOS制备工艺流程,多晶硅,栅氧化层,自对准源/漏/栅注入,n结,沟道
7、,栅,开栅接触孔 多晶硅区,栅氧化层生长;多晶硅层沉积;,Mask #2 形成栅极,25,NMOS制备工艺流程,内连金属(Al-Si-Cu),内连绝缘层,接触孔,Mask #3 开接触孔;,Mask #4 形成金属电极,金属半导体,26,NMOS制备工艺流程,源漏接触,外联接触,钝化层PECVD SiNx,Mask #5 开外联接触窗口,27,基于LOCOS的CMOS工艺,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,28,CMOS集成电路制造工艺I,技术特点: LOCOS隔离工艺;平坦化层:PSG, re-flow at 1100oCAl-Si金属作为内联金属;最小图形
8、尺寸:30.8um,29,P型基片,基于LOCOS的CMOS工艺,30,释放压力氧化层,P型基片,生长释放压力氧化層,31,释放压力氧化层,P型基片,氮化硅,LPCVD沉积氮化硅,32,P型基片,光刻胶,氮化硅,光刻胶旋涂,33,Mask #1, LOCOS隔离,34,P型基片,光刻胶,氮化硅,Mask #1, LOCOS隔离,35,P型基片,光刻胶,氮化硅,对准和曝光,36,氮化硅,P型基片,光刻胶,显影,37,氮化硅,P型基片,光刻胶,刻蚀氮化硅,38,氮化硅,P型基片,去除光刻胶,39,氮化硅,P型基片,p+,p+,沟道阻止注入,40,P型基片,氮化硅,p+,p+,SiO2,氧化形成LO
9、COS,41,P型基片,p+,p+,SiO2,去除氮化硅/压力释放氧化硅,清洗,42,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,生长遮蔽氧化层,43,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,光刻胶旋涂,44,Mask#2, N型阱区,45,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,Mask#2, N型阱区,46,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,曝光,47,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,显影,48,磷离子注入,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,N型阱区,N型阱区注入(预沉积),49,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,N型阱区,去除光刻胶,50,
10、P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,N型阱区驱入(Drive-in),51,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,去除遮蔽氧化层,52,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,生长栅极氧化层,53,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,栅极氧化层,沉积多晶硅,54,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,光刻胶旋涂,55,Mask #3,栅极图形,56,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,多晶硅,Mask #3,栅极图形,57,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,曝光,58,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,显影,59,P型
11、基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,光刻胶,多晶硅栅极,刻蚀多晶硅,光刻胶,60,多晶硅栅极,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,去除光刻胶,61,多晶硅栅极,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,光刻胶旋涂,62,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,Mask #4 NMOS源漏注入,63,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,曝光,64,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,显影,65,P型基片,p+,p+,SiO2,磷/砷离子注入,NMOS源漏栅自对准注入,66,P型基片,p+,p+,SiO2,去除光刻胶,67,P型基片,p+,p+,SiO
12、2,光阻旋涂,68,P型基片,p+,p+,SiO2,Mask #5 PMOS源漏注入,69,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,显影,70,硼离子注入,P型基片,p+,p+,SiO2,P型源漏栅自对准注入,71,P型基片,p+,p+,SiO2,去除光阻,72,p+,p+,P型基片,SiO2,n+,n+,p+,p+,退火,73,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,LPCVD氮化硅阻挡层沉积,74,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,CVD沉积PSG/BPSG,75,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,PSG Re-Flow,76,PSG,p+,
13、p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,光刻胶旋涂,77,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,Mask #6 形成接触孔,78,BPSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,显影,79,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,接触孔刻蚀,80,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,去除光刻胶,81,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,金属沉积,82,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,光刻胶旋涂,83,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,Ma
14、sk #7 形成金属连线,84,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,显影,85,AlCuSi,BPSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,金属刻蚀,86,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,去除光刻胶,#,87,CMOS集成电路制造II,技术特点: 消除单晶硅衬底内氧杂质的影响,外延生长器件层;STI绝缘替代LOCOS绝缘;引入LDD结构减小热载流子效应利用金属硅化物减小寄生电阻;利用BPSG作为金属前电介质,减小Re-Flow温度;RTP活化注入杂质;最小图形尺寸:0.80.13um,P型硅衬底准备,P型硅衬底,轻掺
15、杂外延生长,硅外延层,P型硅衬底,90,Mask #1: N型阱区,N型阱区注入,- 外延层,P型衬底,光刻胶,N型阱区,磷离子,Mask #2: P型阱区,93,P型阱区注入,硼离子,P型阱区,N型阱区,光刻胶,94,杂质扩散,N型阱区,P型阱区,95,生长氧化层, LPCVD 沉积氮化硅,N型阱区,P型阱区,氮化硅,96,Mask #3: 浅沟槽绝缘(STI),刻蚀沟槽,N型阱,P型阱,氮化硅,氮化硅,98,HDP-CVD 沉积USG 填充沟道,N型阱,P型阱,氮化硅,氮化硅,USG,USG,99,CMP USG, 停止于氮化硅层,N型阱,P型阱,Nitride,Nitride,USG,1
16、00,去除氧化硅/氮化硅,N型阱,P型阱,USG,STI,101,Mask #4: NMOS沟道 VT 调整掺杂,102,光刻胶,磷离子,N型阱,P型阱,USG,STI,NMOS沟道 VT 调整掺杂,103,Mask #5: PMOS沟道 VT 调整掺杂,104,光刻胶,硼离子,N型阱,P型阱,STI,USG,PMOS沟道 VT 调整掺杂,105,热氧化层生长/LPCVD沉积多晶硅,多晶硅,N型阱,P型阱,STI,USG,106,Mask #6: 栅极,107,刻蚀多晶硅,多晶硅栅极,N型阱,P型阱,STI,USG,光刻胶,栅极氧化层,108,Mask #7: NMOS LDD掺杂,109,N
17、MOS LDD掺杂,光刻胶,砷离子,N型阱,P型阱,USG,STI,110,Mask #8: PMOS LDD掺杂,111,PMOS LDD掺杂, BF2+,光刻胶,BF2+ 离子,N型阱,P型阱,STI,USG,112,侧壁层(Spacer),栅极氧化层,n,-,LDD,n,-,LDD,侧壁层,侧壁层,多晶硅栅极,多晶硅栅极,栅极氧化层,n,-,LDD,n,-,LDD,113,Mask #9: NMOS源漏注入,114,NMOS源漏注入,光刻胶,磷离子,N型阱,P型阱,n+,n+,STI,p-,p-,USG,115,Mask #9: PMOS 源漏注入,116,PMOS 源漏注入,光刻胶,硼
18、离子,N型阱,P型阱,n+,n+,STI,p+,p+,USG,117,金属硅化物制备,多晶硅栅极,侧壁层,侧壁层,栅极氧化层,n,-,n,-,n,+,n,+,Ar,+,Ar,+,Ti,多晶硅栅极,n,-,n,-,n,+,n,+,TiSi,2,TiSi,2,Ti,多晶硅栅极,n,-,n,-,n,+,n,+,TiSi,2,TiSi,2,多晶硅栅极,n,-,n,-,n,+,n,+,118,钛金属沉积,RTP 硅化物形成,未反应钛去除,硅,硅,硅,STI,侧壁层,钛,钛金属硅化物,多晶硅,栅极氧化层,钛自对准金属硅化物形成,119,硼磷硅玻璃沉积(BPSG)和再流动 (Re-Flow),n+,n+,p
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