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​半导体IC制作过程之前工序图解(以CMOS-IC为例)

2021-12-20 11:05| 发布者:Davis| 查看:933| 评论:0|原作者: 小小光08

摘要:本文以CMOS-IC为例,图解介绍了半导体IC制作过程的前工序的流程,包括扩散工序中的成膜、光刻、蚀刻、掺杂、CMP等工艺,以及BEOL中的芯片封装和检查筛选工序。其中涉及到SiO2膜、多晶硅、MOS晶体管、钨插头、嵌刻配线等技术。

 
半导体IC的制造工程,大致可分为前工序和后工序两个过程。
 
前工序,是将晶体管等元件以及连接它们的内部配线镶嵌到硅片上。
前工序又称为扩散工序,由上百个步骤组成,占整个IC制作的80%左右。
前工序又可以分为FEOL和BEOL两个工程。
FEOL(Front End Of Line)是将晶体管等元件嵌入到硅片上的工序。
BEOL(Back End Of Line)是将元件的配线(包括多层配线)连接起来的工序。
前工序包括成膜工艺、光刻工艺、蚀刻工艺、掺杂工艺、CMP、清洗干燥工艺、晶片检测工艺等。
 
后工序分为芯片封装工序以及检查筛选工序。
 
本文以最具代表的CMOS-IC为例,图解介绍半导体IC制作过程的前工序的流程。
 
(1)  准备直径300mm(12英寸)、厚度775um的p型硅晶片。


(2)  清洗完硅晶片后,提高温度,用热氧化法使硅和氧反应,形成二氧化硅(SiO2)膜。


(3)  将SiH4和氮气通过气相成长而形成四氮化三硅(Si3N4)膜。


(4)  在晶体表面涂上一层光刻胶(Photoresist,简称PR,又叫光阻)。


(5)  曝光:通过掩模(Mask)照射UV激光。例如,石英制作的掩模上图案由Cr薄膜形成。光刻胶上的投影尺寸为掩模的四分之一。有Cr薄膜的地方激光被遮挡,没有Cr薄膜的地方可以透过激光。


(6)  显影:通过显影处理光胶膜,在光刻胶上形成设计图案。
注意:实际上有两种类型的光刻胶,分别为正性光刻胶和负性光刻胶,原理相同。


(7)  利用光刻胶形成的掩模,依次将Si3N4、SiO2、硅表面蚀刻,在柜面形成浅槽。


(8)  剥离光刻胶后,用CVD在晶片表面形成SiO2厚膜。


(9)  利用化学或机械研磨,去除厚SiO2膜层,只在硅表面的浅槽里留下SiO2膜层。


(10)  利用化学或机械研磨,去除Si3N4膜层。


(11)  通过光刻工艺将一部分光刻胶覆盖,未覆盖部分的硅表面注入磷离子,形成n阱。磷离子会被光刻胶阻挡,因此只进入没有光刻胶的硅表面。
(12)  将光刻胶剥离后,再把晶片表面的SiO2膜除去,重新用热氧化法在硅表面形成一层SiO2膜。


(13)  用CVD方法,使SiH4气体在N2中热分解,在硅表面生成多晶体硅(poly-Si)。


(14)  使用光刻工艺,在多晶硅上形成栅极。


(15)  硅片表面一部分用光刻胶覆盖,未覆盖的部分注入磷离子,同栅极整合后就形成了n沟道MOS晶体管的源极和漏极的n型区域。重复以上同样过程,注入硼离子,可以形成p沟道晶体管的源极和漏极的p型区域。


(16)  去除光刻胶后,再生成一层厚的SiO2膜,通过有很强各向异性的刻蚀方法,在栅极的侧面形成SiO2侧壁。


(17)  p沟道侧面用光刻胶覆盖,将磷离子注入阱壁,n沟道的MOS晶体管的源极和漏极形成n+型区。重复同样的过程加入硼离子,p沟道的MOS晶体管的源极和漏极形成p+型区。


(18)  用溅射工艺形成一层镍薄膜。


(19)  经过热处理工艺,镍与硅以及多晶硅接触的部分形成NiSi2,剩下的部分还是以镍的状态存在。



(20)  使用稀释的氢氟酸去除镍膜,只剩下NiSi2,形成栅极和源极以及漏极区域表面的NiSi2膜的背面构造。


(21)  再形成一层SiO2厚膜,使用CMP,使材料表面完全平坦化。
以上21个步骤属于FEOL。
 


(22)  使用光刻工艺和干法刻蚀工艺,在SiO2厚膜上制作栅极和源极/漏极的接触型通道。


(23)  通过CVD,在接触型通道内镀上厚厚的钨,再通过CMP,使只在通道内有钨,这种埋入电极的方法称为插头式连接,也叫钨插头。


(24)  使用溅射技术形成一层铝膜,再使用光刻和干法刻蚀技术在铝膜上进行图案复制,就形成了栅极和源极点击。这是第一层金属配线的形成。


(25)  再形成一层SiO2厚膜,通过CMP平坦化后,在SiO2厚膜上使用光刻和干法刻蚀技术形成第二层配线用的沟槽,以及把第一层配线和第二层配线连接在一起的网眼通道。
 
 


(26)  使用溅射工艺,形成Ti和TiN薄膜,再通过电镀工艺,形成一层很厚的铜膜,并通过CMP,形成铜的第二层配线和埋入通孔的配线,这种配线结构称为嵌刻配线。


(27)  使用CVD技术,形成一层SiON保护膜。


以上6个步骤属于BEOL。
 
重复操作22-27步,就可以形成3层及以上的配线。
综上就是IC制作过程的前工序的主要流程。


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