CMOS电路制造的主要工艺流程解析

一、CMOS电路制造的主要工艺流程

有了对工艺步骤中核心要素和个主要工艺技术的理解，我们就可以通过一个具体的工艺流程对集成电路芯片制造有一个全面的认识。

图3-13是N阱、双层金属、硅栅CMOS电路的主要工艺流程。此工艺流程从初始氧化开始，经过多次的光刻、腐蚀工艺，形成栅氧化层、淀积多晶硅栅和形成源漏区，最后进行两次金属化并形成保护膜。在工艺过程中硅圆片还要经历多次的化学清洗。图3-13中个主要步骤为：（a）初始氧化；（b）N阱区光刻；（c）N阱离子注入；（d）Si3 N4层淀积；（e）有源区光刻，去除有源区外的氧化层和Si3 N4层；（f）生长场氧化区及去除Si3 N4层；（g）生长栅氧化；（h）多晶硅淀积；（i）多晶硅区光刻；（j）涂覆光刻胶，N沟区光刻，N沟源漏区离子注入；（k）涂覆光刻胶，P沟区光刻，P沟源漏区离子注入；（l）再次氧化（通常用LPCVD工艺淀积一层二氧化硅薄膜）；（m）接触孔光刻；（n）第一层金属淀积；（o）第一层金属区光刻；（p）金属间绝缘层淀积；（q）通孔光刻；（r）第二层金属淀积；（s）第二层金属区光刻；（t）保护膜形成。

图3-13　硅栅CMOS电路的主要工艺流程

最后还要进行压焊块窗口区的光刻，图中未画出。为了完成上述工艺步骤，用于确定窗口或图形的一整套掩膜版应有：①N阱区；②有源区；③栅极（多晶硅）；④N沟区；⑤P沟区；⑥硅接触孔和多晶硅接触孔；⑦第一层金属；⑧通孔；⑨第二层金属；⑩压焊块窗口区。

二、缺陷与成品率

通过前面的学习，已经知道了集成电路制造的基本工艺，在复杂的芯片制造工艺过程中，通常会出现各种缺陷。工艺制造中的缺陷有两类：一类是由于工艺参数偏离规定的上限值或下限值，或者由于光刻时的套刻误差超过规定值，这会使整个晶圆片报废；另一类是局部的缺陷，包括硅晶圆片本身的晶格缺陷、空气中的尘埃颗粒对硅晶圆片的污染、掩膜版上留有的缺陷、化学残留物等，这些是局部地、而且是随机地存在于晶圆片的表面。这些缺陷会造成某些晶体管失效、金属连线断裂或短路，因而影响晶圆片的成品率。成品率是指有效的芯片数占晶圆片上全部芯片数的百分比。

如果我们将这些局部缺陷看成是点缺陷且随机地分布在硅晶圆片上，并假设每一芯片区域中有这类点缺陷时就会失效，就可计算出相应的成品率，这示于图3-14。

在同样的缺陷数目和分布情况下，图3-14（a）的芯片成品率只有38%，而（b）的成品率可达79%。可以看出当芯片的面积增加4倍时（边长加倍），其成品率下降了50%以上。这就是为什么在设计集成电路芯片时要尽可能减小面积的原因之一。

为了提高晶圆片的成品率，需要采取各种措施以减小局部缺陷，除完善硅晶圆片和掩膜版本身外，对芯片制造厂的车间和设施要进行特殊设计。

图3-14　局部缺陷对成品率的影响

图3-15　芯片制造对超净和超纯的要求

芯片制造区必须是超净的。即空气需经过多次高效过滤，对光刻工艺房间的洁净度要求最高，空气中颗粒的直径应小于1/4的最小线宽。为此，所采取的一个措施是，室内的空气从顶部直接向下缓慢流动而从多孔式地板中流出。另一措施是尽量缩短晶圆片暴露于空气中的时间。进入制造车间的水、气体和化学药品也应是超纯的。图3-15是对这些要求的示意图。

芯片加工的要求是超细的。这些超细、超净和超纯的要求，是目前建造一个制造深亚微米级芯片的工厂需要巨额的资金（约需人民币十亿至上百亿元）。

小　结

1.芯片制造的任务归纳以来主要有两条：一是根据要求实现所需要的器件结构；二是完成各器件之间的内部连接（内部互连）以及在芯片四周形成与外部连接（与管壳端口的连接）的输入/输出压焊块。

2.为了在二氧化硅层上确定窗口以及在金属层和多晶硅层上确定图形，需要有相应的掩膜版（mask）。(www.xing528.com)

3.由于集成电路芯片制造过程需要多次确定掺杂窗口、接触孔窗口或通孔窗口，多次确定金属内连图形和多晶硅的图形，因此制作一个硅集成电路通常需要10块以上的掩膜版。

4.对硅晶圆片进行热氧化已形成二氧化硅的过程是一个重要的工艺步骤。

5.集成电路中对双极型晶体管和MOS管起着隔离作用的场氧化层是通过选择性氧化（或称场区氧化）工艺完成的。

6.早期的中、小规模集成电路制造中广泛采用热扩散掺杂技术，热扩散掺杂工艺通常也在水平石英炉管中完成。

7.在快速热处理系统中则采用单片处理方式，硅晶圆片正面向下（以便尽量减少尘埃颗粒污染），置于低热容量石英夹具上，硅晶圆片的上方分布着高强度（几十千瓦）的一组卤钨红外加热灯管，整个加热腔体的内壁由镀有难熔金属薄膜的反射镜面组成。

8.离子注入是高温热扩散掺杂方法的一个替代技术，它是直接将高能量的杂质离子注入到半导体晶圆片中。一台简单的离子注入机通常包括离子源、质量分析器、加速器、偏束器、扫描器、工作靶室以及真空排气系统和电子控制系统。

9.低压化学气相淀积技术可以广泛应用于各种薄膜材料的制备，如用于硅、多晶硅、氮化硅以及无定形的非晶硅薄膜的淀积。特别是用多晶硅薄膜的淀积工艺形成硅栅，在自对准多晶硅栅CMOS集成电路制造工艺中具有重要的作用。

10.在进行光刻曝光时，紫外线透过光刻掩膜版照射到硅晶圆片上的正性光刻胶上，使得曝光区域的光刻胶发生酸化反应，并与随后的碱性显影液发生反应生成可溶性盐类物质而被溶解掉，这就使光刻掩膜版上的图形转移到了硅晶圆片表面的光刻胶上。

11.经过涂胶、曝光、显影等工艺步骤在光刻胶上形成了所需窗口或图形后，就可以利用这层光刻胶作为屏蔽掩膜而对其下面的材料进行选择性腐蚀。

12.金属薄膜一般通过蒸发或者溅射等物理气相淀积方式形成，例如在硅晶圆片表面形成一层铝导电薄膜。

13.成品率是指有效的芯片数占晶圆片上全部芯片数的百分比。

思考与练习

1.集成电路制造中如何形成N型岛？又如何形成金属接触和连线呢，写出步骤？

2.写出掩膜在IC制造过程中的作用，比较整版掩膜和单片掩膜的区别，列出掩膜的制造方法。

3.写出光刻的作用，光刻有哪两种曝光方式？

4.离子注入机包括哪几部分，各起什么作用？

5.说出半导体工艺中掺杂的作用，举出两种掺杂的方法并比较其优缺点。

6.什么是化学气相淀积，集成电路制造中可以使用化学气相淀积制作哪些薄膜？

7.金属化工艺的定义是什么，主要用来制造什么薄膜？