第六章-工艺集成选编课件.ppt
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1、工艺集成 Process Integration,大规模集成电路制造工艺,工艺集成,2,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,工艺集成,3,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,MESFET,BiCMOS,,工艺目的:,工艺的选择,4,工艺条件:温度,压强,时间,功率,剂量,气体流量,工艺参数:厚度,介电常数,应力,浓度,速度,器
2、件参数:阈值电压,击穿电压,漏电流,增益,工艺的限制,5,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:,集成电路中器件的隔离,6,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;,LOCOS 隔离,7,希望场区的VT大,保证寄生MOSFET的电流小于1pA;,增加场区VT 的方法:场氧化层增厚:栅氧化层
3、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);,LOCOS隔离工艺,8,LOCOS隔离工艺,9,改进的LOCOS工艺 PBL:polybuffered LOCOS,10,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O2。鸟嘴可减小至0.1-0.2um。,浅阱隔离(Shallow Trench Isolation),11,与LOCOS相比,STI尺寸按比例缩小更容易!,MESFET器件制备工艺流程,12,GaAs优点:电子迁移率高;更高的饱和漂移速度;衬底可以实现半绝缘;,GaAs缺点:体缺陷多;少子寿命短;氧化
4、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,MESFET器件制备工艺流程,13,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,MESFET器件制备工艺流程,14,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,npn型BJT器件制备工艺流程,15,npn BJT:基区为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
5、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;,npn型BJT器件制备工艺流程,16,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;,npn型BJT器件制备工艺流程,17,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;,npn型BJT器件制备工艺流程,18,Mask#3 基区注入掺杂,Mask#4 薄氧化层刻蚀,Mask#5 基区接触p+注入掺杂,npn型BJT器件制备工艺流程,19,n+发射极/集电极接触区,P/As离子注入,Mask#6 发射极注
6、入;集电极金属接触区注入;低能量,高剂量注入;,绝缘层,npn型BJT器件制备工艺流程,20,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,p+,n+,n+,n+,NMOS制备工艺流程,21,Mask#1 定义有源区,(沟道阻止注入),NMOS制备工艺流程,22,LOCOS隔离,去除Si3N4;去除压力释放氧化层;,NMOS制备工艺流程,23,多晶硅,栅氧化层,自对准源/漏/栅注入,源漏,沟道,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,NMOS制备工艺流程
7、,24,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,NMOS制备工艺流程,25,源漏接触,外联接触,钝化层PECVD SiNx,Mask#5 开外联接触窗口,基于LOCOS的CMOS工艺,26,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,CMOS集成电路制造工艺I,27,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;最小图形尺寸:30.8um,P型基片,基于LOCOS的CMOS工艺,28,29,释放压力氧化层,P型基片,生长释放压力氧化
8、層,P型基片,氮化硅,LPCVD沉积氮化硅,30,P型基片,光刻胶,氮化硅,光刻胶旋涂,31,Mask#1,LOCOS隔离,32,P型基片,光刻胶,氮化硅,Mask#1,LOCOS隔离,33,P型基片,光刻胶,氮化硅,对准和曝光,34,氮化硅,P型基片,光刻胶,显影,35,氮化硅,P型基片,光刻胶,刻蚀氮化硅,36,氮化硅,P型基片,去除光刻胶,37,氮化硅,P型基片,p+,p+,沟道阻止注入,38,P型基片,氮化硅,p+,p+,SiO2,氧化形成LOCOS,39,P型基片,p+,p+,SiO2,去除氮化硅/压力释放氧化硅,清洗,40,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,生长遮蔽氧化层,41
9、,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,光刻胶旋涂,42,Mask#2,N型阱区,43,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,Mask#2,N型阱区,44,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,曝光,45,光刻胶,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,显影,46,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),47,P型基片,p+,p+,p+,SiO2,N型阱区,去除光刻胶,48,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,N型阱区驱入(Drive-in),49,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,去除遮蔽氧化层,50,P
10、型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,生长栅极氧化层,51,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,栅极氧化层,沉积多晶硅,52,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,光刻胶旋涂,53,Mask#3,栅极图形,54,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,多晶硅,Mask#3,栅极图形,55,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,曝光,56,多晶硅,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,显影,57,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,光刻胶,多晶硅栅极,刻蚀多晶硅,光刻胶,58,多晶硅栅极,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,去除光刻胶,5
11、9,多晶硅栅极,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,光刻胶旋涂,60,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,Mask#4 NMOS源漏注入,61,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,曝光,62,光刻胶,P型基片,p+,p+,N型阱,SiO2,显影,63,P型基片,p+,p+,SiO2,磷/砷离子注入,NMOS源漏栅自对准注入,64,65,P型基片,p+,p+,SiO2,去除光刻胶,P型基片,p+,p+,SiO2,光刻胶旋涂,66,P型基片,p+,p+,SiO2,Mask#5 PMOS源漏注入,67,P型基片,p+,p+,N型阱区,SiO2,显影,68,硼离子注
12、入,P型基片,p+,p+,SiO2,P型源漏栅自对准注入,69,P型基片,p+,p+,SiO2,去除光刻胶,70,p+,p+,P型基片,SiO2,n+,n+,p+,p+,退火,71,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,LPCVD氮化硅阻挡层沉积,72,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,CVD沉积PSG/BPSG,73,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,PSG Re-Flow,74,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,光刻胶旋涂,75,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,Mask#6 形成接触孔,76,BPSG
13、,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,显影,77,PSG,p+,p+,SiO2,n+,n+,p+,p+,接触孔刻蚀,78,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,去除光刻胶,79,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,金属沉积,80,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,光刻胶旋涂,81,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,Mask#7 形成金属连线,82,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,显影,83,AlCuSi,BPSG,p+,p+,n+,n
14、+,p+,p+,SiO2,金属刻蚀,84,AlCuSi,PSG,p+,p+,n+,n+,p+,p+,SiO2,去除光刻胶,85,CMOS集成电路制造II,86,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;RTA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,轻掺杂外延生长,p-硅外延层,P型硅衬底,89,Mask#1:N型阱区,N型阱区注入,p-外延层,P型衬底,光刻胶,N型阱区,磷离子,Mask#2:P型阱区,92,P型阱区注入,硼离子
15、,P型阱区,N型阱区,光刻胶,93,杂质扩散,N型阱区,P型阱区,94,生长氧化层,LPCVD 沉积氮化硅,N型阱区,P型阱区,氮化硅,95,Mask#3:浅沟槽绝缘(STI),刻蚀沟槽,N型阱,P型阱,氮化硅,氮化硅,97,HDP-CVD 沉积USG 填充沟道,N型阱,P型阱,氮化硅,氮化硅,USG,USG,98,CMP USG,停止于氮化硅层,N型阱,P型阱,Nitride,Nitride,USG,99,去除氧化硅/氮化硅,N型阱,P型阱,USG,STI,100,Mask#4:NMOS沟道 VT 调整掺杂,101,光刻胶,磷离子,N型阱,P型阱,USG,STI,NMOS沟道 VT 调整掺杂
16、,102,Mask#5:PMOS沟道 VT 调整掺杂,103,光刻胶,硼离子,N型阱,P型阱,STI,USG,PMOS沟道 VT 调整掺杂,104,热氧化层生长/多晶硅沉积,多晶硅,N型阱,P型阱,STI,USG,105,Mask#6:栅极(俯视图),106,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,107,Mask#7:NMOS LDD掺杂,108,NMOS LDD掺杂,光刻胶,砷离子,N型阱,P型阱,USG,STI,109,Mask#8:PMOS LDD掺杂,110,PMOS LDD掺杂,BF2+,光刻胶,BF2+离子,N型阱,P型阱,STI,USG,11
17、1,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,112,Mask#9:NMOS源漏注入,113,NMOS源漏注入,光刻胶,磷离子,N型阱,P型阱,n+,n+,STI,p-,p-,USG,114,Mask#9:PMOS 源漏注入,115,PMOS 源漏注入,光刻胶,硼离子,N型阱,P型阱,n+,n+,STI,p+,p+,USG,116,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,+
18、,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,+,117,BPSG沉积/回流(Re-Flow),n+,n+,p+,p+,STI,USG,BPSG,n+,n+,p+,p+,STI,USG,BPSG,118,Mask#10:接触孔,119,接触孔刻蚀,N型阱,P型阱,BPSG,n+,n+,p+,p+,STI,USG,120,CVD钨沉积,N型阱,P型阱,BPSG,n+,n+,p+,p+,STI,USG,钨,钛/氮化钛,121,金属沉积,N型阱,P型阱,BPSG,n+,n+,p+,p+,STI,US
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