cmos工艺流程ppt下载

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CMOS集成电路工艺流程与CMOS电路版图举例 1. CMOS工艺流程 1) 简化N阱CMOS工艺演示flash 2) 清华工艺录像：N阱硅栅CMOS工艺流程 3) 双阱CMOS集成电路的工艺设计 4) 图解双阱硅栅CMOS制作流程 2. 典型N阱CMOS工艺的剖面图 3. Simplified CMOS Process Flow 4. CMOS电路版图举例 1) 简化N阱CMOS工艺演示 氧化层生长 曝光 氧化层的刻蚀 N阱注入 形成N阱 氮化硅的刻蚀 场氧的生长 去除氮化硅 重新生长二氧化硅（栅氧） 生长多晶硅 刻蚀多晶硅 刻蚀多晶硅 P+离子注入 N+离子注入 生长磷硅玻璃PSG 光刻接触孔 刻铝 刻铝 2) 工艺录像 N阱硅栅CMOS工艺流程侧视图 初始氧化 光刻1，刻N阱 N阱形成 Si3N4淀积 光刻2，刻有源区，场区硼离子注入 场氧1 光刻3 场氧2 多晶硅淀积 光刻4，刻NMOS管硅栅，磷离子注入形成NMOS管 光刻5，刻PMOS管硅栅，硼离子注入及推进，形成PMOS管 磷硅玻璃淀积 光刻6，刻孔、磷硅玻璃淀积回流（图中有误，没刻出孔) 蒸铝、光刻7，刻铝、光刻8，刻钝化孔（图中展示的是刻铝后的图形） Expert版图设计软件画版图 Process (Inverter)p-sub Layout and Cross-Section View of Inverter A Complete CMOS Inverter 离子注入的应用 Process N阱硅栅CMOS工艺流程 形成N阱 初始氧化，形成缓冲层，淀积氮化硅层 光刻1，定义出N阱 反应离子刻蚀氮化硅层 N阱离子注入，先注磷31P+ ，后注砷75As+ 形成P阱 在N阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化 去掉光刻胶及氮化硅层 P阱离子注入，注硼 推阱 退火驱入，双阱深度约1.8μm 去掉N阱区的氧化层 形成场隔离区 生长一层薄氧化层 淀积一层氮化硅 光刻2场隔离区，非隔离区被光刻胶保护起来 反应离子刻蚀氮化硅 场区硼离子注入以防止场开启 热生长厚的场氧化层 去掉氮化硅层 阈值电压调整注入 光刻3，VTP调整注入 光刻4，VTN调整注入 形成硅化物 淀积氧化层 反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层（spacer， sidewall） 淀积难熔金属Ti或Co等 低温退火，形成C-47相的TiSi2或CoSi 去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Co 高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或CoSi2 形成接触孔 化学气相淀积BPTEOS硼磷硅玻璃层 退火和致密 光刻8，接触孔版 反应离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔 形成第一层金属 淀积金属钨(W)，形成钨塞 形成第一层金属 淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 光刻9，第一层金属版，定义出连线图形 反应离子刻蚀金属层，形成互连图形 形成穿通接触孔 化学气相淀积PETEOS， 等离子增强正硅酸四乙酯热分解 Plasma Enhanced TEOS ：tetraethylorthosilicate [Si-(OC2H5)4] -- 通过化学机械抛光进行平坦化 光刻穿通接触孔版 反应离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔 形成第二层金属 淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 光刻10，第二层金属版，定义出连线图形 反应离子刻蚀，形成第二层金属互连图形 合金 形成钝化层 在低温条件下(小于300℃)淀积氮化硅 光刻11，钝化版 刻蚀氮化硅，形成钝化图形 测试、封装，完成集成电路的制造工艺 CMOS集成电路采用(100)晶向的硅材料 4) 图解双阱硅栅CMOS制作流程 首先进行表面清洗，去除wafer表面的保护层和 杂质，三氧化二铝必须以高速粒子撞击，并 用化学溶液进行清洗。 然后在表面氧化二氧化硅膜以减小后一步氮化硅对晶圆的表面应力。  涂覆光阻(完整过程包括，甩胶→预烘→曝光→显影→后烘→腐蚀→去除光刻胶)。其中二氧化硅以氧化形成，氮化硅LPCVD沉积形成(以氨、硅烷、乙硅烷反应生成)。 光刻技术去除不想要的部分，此步骤为定出P型阱区域。 (所谓光刻胶就是对光或电子束敏感且耐腐蚀能力强的材料，常用的光阻液有S1813，AZ5214等)。光刻胶的去除可以用臭氧烧除也可用专用剥离液。氮化硅用180℃的磷酸去除或含CF4气体的等离子刻蚀(RIE)。                  在P阱区域植入硼(+3)离子，因硅为+4价，所以形成空洞，呈正电荷状态。(离子植入时与法线成7度角，以防止发生沟道效应，即离子不与原子碰撞而直接打入)。每次离子植入后必须进行退火处理，以恢复晶格的完整性。(但高温也影响到已完成工序所形成的格局)。   LOCOS (local oxidation of silicon)选择性氧化：湿法氧化二氧化硅层，因以氮化硅为掩模会出现鸟嘴现象，  影响尺寸的控制。二氧化硅层在向上生成的同时也向下移动，为膜厚的0.44倍，所以在去除二氧化硅层后，出现表面台阶现象。湿法氧化快于干法氧化，因OH基在硅中的扩散速度高于O2。硅膜越厚所需时间越长。                   去除氮化硅和表面二氧化硅层。露出N型阱区 域。(上述中曝光技术光罩与基片的距离分为接触式、接近式和投影式曝光三种，常用投影式又分为等比和微缩式。曝光会有清晰度和分辩率，所以考虑到所用光线及波长、基片表面平坦度、套刻精度、膨胀系数等)。 离子植入磷离子(+5)，所以出现多余电子，呈现负电荷状态。电荷移动速度高于P型约0.25倍。以缓冲氢氟酸液去除二氧化硅层。   在表面重新氧化生成二氧化硅层，LPCVD沉积 氮化硅层，以光阻定出下一步的field oxide区域。 在上述多晶硅层外围，氧化二氧化硅层以作为保护。涂布光阻，以便利用光刻技术进行下一步的工序。    形成NMOS，以砷离子进行植入形成源漏极。 此工序在约1000℃中完成，不能采用铝栅极工艺，因铝不能耐高温，此工艺也称为自对准工艺。砷离子的植入也降低了多晶硅的电阻率(块约为30欧姆)。还采用在多晶硅上沉积高熔点金属材料的硅化物(MoSi2、WSi2、TiSi2等)，形成多层结构  以类似的方法，形成PMOS，植入硼(+3)离子。 (后序中的PSG或BPSG能很好的稳定能动钠离子，以保证MOS电压稳定)。  后序中的二氧化硅层皆是化学反应沉积而成，其中加入PH3形成PSG (phospho-silicate-glass)，加入B2H6形成BPSG (boro-phospho-silicate-glass)以平坦表面。所谓PECVD (plasma  enhanced CVD) 在普通CVD反应空间导入电浆(等离子)，使气体活化以降低反应温度)。 光刻技术定出孔洞，以溅射法或真空蒸发法，依次沉积钛+氮化钛+铝+氮化钛等多层金属。(其中还会考虑到铝的表面氧化和氯化物的影响)。由于铝硅固相反应，特别对浅的PN结难以形成漏电流 (leak current)小而稳定的接触，为此使用TiN等材料，以抑制铝硅界面反应，并有良好的欧姆，这种材料也称为势垒金属(barrier metal)。   RIE刻蚀出布线格局。以类似的方法沉积第二层金属，以二氧化硅绝缘层和介电层作为层间保 护和平坦表面作用。 为满足欧姆接触要求，布线工艺是在含有5~10%氢的氮气中，在400~500℃温度下热处理15~30分钟(也称成形forming)，以使铝和硅合金化。最后还要定出PAD接触窗，以便进行bonding工作。 (上述形成的薄膜厚度的计算可采用光学衍射、倾斜研磨、四探针法等方法测得)。   2. 典型P阱CMOS工艺的剖面图 CMOS process Process (Inverter)p-sub Layout and Cross-Section View of Inverter Process N-well， Active Region， Gate Oxide Poly-silicon Layer N+ and P+ Regions SiO2 Upon Device & Contact Etching Metal Layer – by Metal Evaporation A Complete CMOS Inverter FET Transistor - Layout layers Via and Contacts Inverter Example 4. MOS电路版图举例 1) 铝栅CMOS电路版图设计规则 2) 铝栅、硅栅MOS器件的版图 3) 铝栅工艺CMOS版图举例 4) 硅栅工艺MOS电路版图举例 5) P阱硅栅单层铝布线CMOS集成电路的工艺过程 6) CMOS IC 版图设计技巧 7) CMOS反相器版图流程 1) 铝栅CMOS电路 版图设计规则 该图的说明 a 沟道长度 3λ b GS/GD覆盖λ c p+，n+最小宽度3λ d p+，n+最小间距3λ e p阱与n+区间距2λ f 孔距扩散区最小间距 2λ g Al覆盖孔λ 孔 2λ× 3λ或 3λ× 3λ h Al栅跨越p+环λ i Al最小宽度4λ j Al最小间距3λ 2) 铝栅、硅栅MOS器件的版图 Source/Drain: Photomask (dark field) Gate: Photomask (dark field) Contacts: Photomask (dark field) Metal Interconnects: Photomask (light field) 硅栅硅栅MOS器件工艺的流程Process (1)刻有源区 Process (2)刻多晶硅与自对准掺杂 Process (3)刻接触孔、反刻铝 制备耗尽型MOS管 在MOS集成电路中，有些设计需要采用耗尽型MOS管，这样在MOS工艺过程中必须加一块光刻掩膜版，其目的是使非耗尽型MOS管部分的光刻胶不易被刻蚀，然后通过离子注入和退火、再分布工艺，改变耗尽型MOS管区有源区的表面浓度，使MOS管不需要栅电压就可以开启工作。 然后采用干氧－湿氧－干氧的方法进行场氧制备，其目的是使除有源区部分之外的硅表面生长一层较厚的SiO2层，防止寄生MOS管的形成。 硅栅P阱CMOS反相器版图设计举例 5) P阱硅栅单层铝布线CMOS的工艺过程 下面以光刻掩膜版为基准，先描述一个P阱硅栅单层铝布线CMOS集成电路的工艺过程的主要步骤，用以说明如何在CMOS工艺线上制造CMOS集成电路。（见教材第7--9页，图1.12） CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例 1、光刻I---阱区光刻，刻出阱区注入孔 2、阱区注入及推进，形成阱区 3、去除SiO2，长薄氧，长Si3N4 4、光II---有源区光刻，刻出PMOS管、NMOS管的源、栅和漏区 5、光III---N管场区光刻，N管场区注入孔，以提高场开启，减少闩锁效应及改善阱的接触。 6、长场氧，漂去SiO2及Si3N4，然后长栅氧。 7、光Ⅳ---p管场区光刻（用光I的负版），p管场区注入， 调节PMOS管的开启电压，然后生长多晶硅。 8、光Ⅴ---多晶硅光刻，形成多晶硅栅及多晶硅电阻 9、光ⅤI---P+区光刻，刻去P管上的胶。P+区注入，形成PMOS管的源、漏区及P+保护环（图中没画出P+保护环）。 10、光Ⅶ---N管场区光刻，刻去N管上的胶。 N管场区注入，形成NMOS的源、漏区及N+保护环（图中没画出）。 11、长PSG（磷硅玻璃）。 12、光刻Ⅷ---引线孔光刻。 13、光刻Ⅸ---引线孔光刻（反刻Al）。 8.7 RS触发器 p.154 2、单元配置恰当 （1）芯片面积降低10%，管芯成品率/圆片 可提高1520%。 （2）多用并联形式，如或非门，少用串联形式，如与非门。 （3）大跨导管采用梳状或马蹄形，小跨导管采用条状图形，使图形排列尽可能规整。 5、双层金属布线时的优化方案 （1）全局电源线、地线和时钟线用第二层金属线。 （2）电源支线和信号线用第一层金属线（两层金属之间用通孔连接）。 （3）尽可能使两层金属互相垂直，减小交叠部分得面积。 7) CMOS反相器 版图流程 CMOS反相器版图流程(1) CMOS反相器版图流程(2) CMOS反相器版图流程(2) CMOS反相器版图流程(3) CMOS反相器版图流程(4) CMOS反相器版图流程(4) CMOS反相器版图流程(5) CMOS反相器版图流程(6) CMOS反相器版图流程(7) CMOS反相器版图流程(8) 1. 阱——做N阱和P阱封闭图形处，窗口注入形成P管和N管的衬底 2. 有源区——做晶体管的区域（G、D、S、B区)，封闭图形处是氮化硅掩蔽层，该处不会长场氧化层 3. 多晶硅——做硅栅和多晶硅连线。封闭图形处，保留多晶硅 4. 有源区注入——P+、N+区（select)。做源漏及阱或衬底连接区的注入 5. 接触孔——多晶硅，注入区和金属线1接触端子。 6. 金属线1——做金属连线，封闭图形处保留铝 7. 通孔——两层金属连线之间连接的端子 8. 金属线2——做金属连线，封闭图形处保留铝 1. 有源区和场区是互补的，晶体管做在有源区处，金属和多晶连线多做在场区上。 2. 有源区和P+，N+注入区的关系：有源区即无场氧化层，在这区域中可做N型和P型各种晶体管，此区一次形成。 3. 至于以后何处是NMOS晶体管，何处是PMOS晶体管，要由P+注入区和N+注入区那次光刻决定。 4. 有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和P+注入区交集处即形成P+有源区， P+注入区比所交有源区要大些。 5. 有源区的图形（与多晶硅交叠处除外）和N+注入区交集处即形成N+有源区， N+注入区比所交有源区要大些。 6. 两层半布线 金属，多晶硅可做连线，所注入的有源区也是导体，可做短连线（方块电阻大）。三层布线之间，多晶硅和注入有源区不能相交布线，因为相交处形成了晶体管，使得注入有源区连线断开。 7. 三层半布线 金属1，金属2 ，多晶硅可做连线，所注入的有源区也是导体，可做短连线（方块电阻大）。四层线之间，多晶硅和注入有源区不能相交布线，因为相交处形成了晶体管，使得注入有源区连线断开。Lsr红软基地

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