CMOS集成电路的基本制造工艺

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文主要介绍CMOS集成电路基本制造工艺，特别聚焦于0.18μm工艺节点及其前后的变化，分述如下：前段工序（FrontEnd）；0.18μmCMOS前段工序详解；0.18μmCMOS后段铝互连工艺；0.18μmCMOS后段铜互连工艺。

CMOS（互补金属氧化物半导体）技术自1963年由Wanlass和Sah提出以来，已发展成为半导体制造的主流工艺技术。随着硅的局部氧化工艺、离子注入技术、光刻技术等关键技术的不断发展和改进，CMOS工艺得以广泛应用，并遵循摩尔定律，持续缩小特征尺寸，提高集成度。

CMOS集成电路的基本制造工艺

前段工序（FrontEnd）

在0.18μm及以下工艺中，CMOS集成电路的前段工序主要形成器件的源漏区域。

隔离方式：

0.18μm以上：采用局部氧化（LOCOS）隔离。

0.18μm及以下：采用浅沟槽（STI）隔离，以减小隔离区的寄生电容，提高电路性能。

阱的形成：在0.18μm工艺中，阱采用倒退阱（Retrogradewell）技术，以优化器件性能。

后段工序（BackEnd）

后段工序完成器件的金属互连。

互连材料：

0.18μm以上：主要采用金属铝作为互连材料。

0.18μm及以下：虽然铝仍可用于互连，但为降低电阻率，提高电路性能，大都采用铜作为互连材料。

互连工艺：包括多层金属布线和通孔的形成，以及金属与硅之间的接触等。

0.18μmCMOS工艺的简化步骤

1.衬底准备：选择合适的硅衬底，进行清洗和预处理。

2.氧化层生长：在衬底上生长一层薄氧化层，作为后续工艺的掩蔽层。

3.光刻与刻蚀：利用光刻技术形成图形，并通过刻蚀工艺将图形转移到衬底上。

4.离子注入：根据器件需求，进行不同种类的离子注入，形成源漏区域和阱等。

5.退火：对注入的离子进行退火处理，以恢复晶格损伤并激活杂质原子。

6.STI隔离：在需要隔离的区域刻蚀出浅沟槽，并填充氧化硅等材料形成隔离区。

7.金属互连：形成多层金属布线和通孔，完成器件的金属互连。

8.钝化与封装：在器件表面形成钝化层，并进行封装处理，以保护器件并提高可靠性。

0.18μm CMOS前段工序

有源区的形成

衬垫氧化层与氮化硅层的沉积：在P型硅衬底或P型外延层上，首先通过热氧化生长一层二氧化硅（SiO₂），作为衬垫氧化层，用于缓解后续氮化硅（Si₃N₄）层与硅衬底之间的应力。接着，沉积一层氮化硅，作为硬掩模层，用于后续的刻蚀步骤。

光刻与刻蚀：使用1光刻版进行曝光和显影，去除器件隔离区域的光刻胶。随后，通过湿法或干法刻蚀，去除未被光刻胶覆盖的氮化硅、衬垫氧化层和部分硅，形成浅槽隔离（STI）的初步结构。

二氧化硅的热生长与平坦化：去除光刻胶后，通过热氧化在浅槽底部和侧壁生长一层二氧化硅，称为Roundingoxide，用于圆滑浅槽底部的尖角，减少击穿电压的降低和漏电的产生。接着，采用低压气相沉积（LPCVD）沉积一层二氧化硅，并进行致密化处理。最后，通过化学机械抛光（CMP）进行平坦化处理，确保后续工艺的顺利进行。

去除氮化硅与最终氧化层的生长：去除氮化硅层和部分二氧化硅层后，在900℃下生长一层二氧化硅，作为后续离子注入的阻挡层。

N阱和P阱的形成

N阱的形成：使用2光刻版进行曝光和显影，去除N阱区域的光刻胶。随后，进行高能大剂量磷（P）离子的注入，形成N阱。接着，以较低的能量注入砷（As），用于防止PMOS源漏之间的穿通。最后，低能量注入As，用于调节PMOS的开启电压。这种从高到低的能量与剂量分布，形成了所谓的倒退阱（Retrogradewell）。

P阱的形成：去除光刻胶后，使用3光刻版进行P阱的光刻。随后，进行高能大剂量硼（B）离子的注入，形成P阱。接着，以较低的能量注入B，用于防止NMOS源漏之间的穿通。最后，低能量注入B，用于调节NMOS的开启电压。

栅极的形成

栅氧化层的生长与多晶硅的沉积：在N阱和P阱形成后，去除氧化层并对硅片进行清洗。然后，在800℃下热生长栅氧化层。接着，沉积一层多晶硅作为栅极材料。

栅极光刻与腐蚀：使用4光刻版进行栅极光刻，通过干法腐蚀去除不需要的多晶硅，形成器件的栅极及多晶互连。

轻掺杂源漏（LDD）的形成

NMOSLDD的形成：在栅极形成后，进行多晶氧化，并在栅极多晶上热生长一层二氧化硅。使用5光刻版进行NMOSLDD的光刻，随后进行低能量As离子的注入，形成NMOS的轻掺杂源漏区域（NLDD）。

PMOSLDD的形成：去除光刻胶后，使用6光刻版进行PMOSLDD的光刻。接着，进行低能量B离子的注入，形成PMOS的轻掺杂源漏区域（PLDD）。由于B的扩散比As快，因此PLDD的注入能量要比NLDD的注入能量低。

Spacer的制作

沉积与腐蚀：在圆片上沉积一层TEOS（四乙氧基硅烷）作为Spacer的前驱体。随后进行各向同性的干法腐蚀，保留栅极多晶硅侧壁的TEOS，形成Spacer。

快速热退火：对注入后的LDD进行高温快速热退火（RTA），以激活注入的杂质原子并修复晶格损伤。Spacer的作用是为随后的源漏注入做阻挡，实现自对准工艺。

NMOS和PMOS源漏的形成

NMOS源漏的注入：在Spacer制作完成后，热生长一层薄氧化层作为注入阻挡层。使用7光刻版进行NMOS源漏的光刻，随后进行高能量As离子的注入，形成NMOS的源漏区域。

PMOS源漏的注入：去除光刻胶后，使用8光刻版进行PMOS源漏的光刻。接着，进行BF₂离子的注入（BF₂是B的一种化合物，用于提高PMOS源漏的掺杂浓度），形成PMOS的源漏区域。由于BF₂离子的质量较大，因此注入能量相对较低。

至此，0.18μmCMOS前段工序的主要步骤已完成，包括有源区的形成、N阱和P阱的制作、栅极的形成、轻掺杂源漏的形成、Spacer的制作以及NMOS和PMOS源漏的形成。这些步骤共同构成了CMOS集成电路的基本结构，为后续的后段工序（金属互连等）提供了基础。

0.18μmCMOS后段铝互连工艺

在后段铝互连工艺中，主要进行的是金属互连的制作，以下是6层铝互连的详细步骤：

接触孔（Contact）的制作

介质沉积与平坦化：首先，沉积一层TEOS（四乙氧基硅烷）作为基础介质层，随后沉积掺杂B和P的TEOS（BPSG），以提高介质的流动性和台阶覆盖率。最后，通过CMP（化学机械抛光）进行平坦化处理，使圆片表面更加平坦。

接触孔光刻与腐蚀：使用特定的光刻版进行接触孔的光刻，然后通过干法腐蚀去除未被光刻胶覆盖的介质层，形成接触孔。

接触孔填充：沉积Ti（钛）、TiN（氮化钛）和W（钨），其中Ti和TiN作为粘附层和阻挡层，W作为填充材料。通过W的CMP去除表面多余的W，只保留接触孔内的W，形成最终的接触孔结构。

第一层金属的制作

金属沉积：在接触孔制作完成后，沉积Ti、AlCu（铝铜合金）及TiN，其中AlCu作为主要的导电材料，Ti和TiN分别作为粘附层和阻挡层。

第一层金属光刻与刻蚀：使用第一层金属的光刻版进行光刻，然后通过刻蚀去除未被光刻胶覆盖的金属层，形成第一层金属的互连结构。

通孔与后续金属层的制作

通孔工艺：通孔的制作工艺与接触孔类似，用于连接不同金属层之间的电路。

金属层工艺：从第二层金属开始，每一层金属的制作都包括沉积金属、光刻、刻蚀等步骤。随着金属层数的增加，为了承受更大的电流和提供更好的散热性能，金属层的厚度也会相应增加。

最终金属层与剖片：在完成所有金属层的制作后，进行器件的剖片处理，将圆片切割成单个的芯片。

钝化与Pad的制作

钝化层沉积：在顶层金属完成后，沉积SiO₂和Si₃N₄作为钝化层，以保护芯片免受外界环境的损害。

Pad光刻与腐蚀：使用特定的光刻版进行Pad的光刻，然后通过腐蚀去除需要打引线的Pad上的钝化层，形成引线Pad区域。

0.18μmCMOS后段铜互连工艺

与铝互连工艺相比，铜互连工艺的主要区别在于采用了铜作为金属互连材料，并使用了低k介质作为金属层间的隔离材料。以下是铜互连工艺的详细步骤：

金属前介质沉积

介质沉积与平坦化：首先沉积未掺杂的TEOS作为基础介质层，随后沉积BPSG并进行高温致密化和平坦化处理。接着再沉积一层未掺杂的TEOS作为最终的金属前介质层。

接触孔的制作

接触孔光刻与腐蚀：与铝互连工艺类似，使用特定的光刻版进行接触孔的光刻，然后通过腐蚀去除未被光刻胶覆盖的介质层。

接触孔填充：采用CVD（化学气相沉积）方法沉积一层薄的Ti和TiN作为粘附层和阻挡层，随后再沉积W进行填充。通过W的CMP去除表面多余的W，形成最终的接触孔结构。

金属层1的制作

低k介质沉积：涂覆低k介质以降低寄生电容。

金属层光刻与刻蚀：沉积SiO₂作为刻蚀的终点层，然后进行金属1的光刻和刻蚀，形成金属1填充的凹槽。

铜填充与CMP：沉积Ta作为铜的浸润层，然后采用CVD方法沉积铜填充凹槽。通过CMP去除表面多余的铜，形成金属1的互连结构。

金属层2的制作

刻蚀阻挡层与低k介质沉积：沉积SiN作为刻蚀阻挡层，然后涂覆低k介质和SiO₂作为刻蚀的终点层和填充层。

通孔与金属层光刻与刻蚀：进行通孔1的光刻和刻蚀，形成通孔结构。随后进行金属2的光刻和刻蚀，形成金属2的图形。

铜填充与CMP：采用PVD沉积Ta浸润层，然后采用CVD沉积铜填充凹槽。通过CMP去除表面多余的铜，形成金属2的互连结构。

多层金属互连与Pad的制作

后续金属层制作：金属3及其上层金属的制作过程与金属2类似，包括沉积刻蚀阻挡层、低k介质、SiO₂、光刻、刻蚀、铜填充和CMP等步骤。

钝化与Pad制作：在顶层金属完成后，采用PECVD方法沉积Si₃N₄和SiO₂作为器件的钝化保护层，再进行Pad的光刻和腐蚀处理，形成引线Pad区域。

通过以上步骤，完成了0.18μmCMOS后段铜互连工艺的全部制作流程。