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薄膜應用於高頻半導體元件

薄膜應用於高頻半導體元件. 指導老師 : 吳文端 學生 : 碩光電一甲 李彥勳 碩光電一甲 陳昶宏. 目錄. 各種半導體元件 CMOS 發展歷史 介紹 高頻元件操作頻寬 CMOS 結構 CMOS 製程 參考 資料. 各種半導體元件. CMOS 發展歷史. 1963 年，快捷半導體的 Frank Wanlass 發明了互補式金屬氧化物半導體電路。到了 1968 年，美國無線電公司一個由亞伯 · 梅德溫（ Albert Medwin ）領導的研究團隊成功研發出第一個互補式金屬氧化物半導體積體電路 。

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薄膜應用於高頻半導體元件

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Presentation Transcript

  1. 薄膜應用於高頻半導體元件 指導老師: 吳文端 學生: 碩光電一甲 李彥勳 碩光電一甲 陳昶宏

  2. 目錄 • 各種半導體元件 • CMOS發展歷史介紹 • 高頻元件操作頻寬 • CMOS結構 • CMOS製程 • 參考資料

  3. 各種半導體元件

  4. CMOS發展歷史 • 1963年，快捷半導體的Frank Wanlass發明了互補式金屬氧化物半導體電路。到了1968年，美國無線電公司一個由亞伯·梅德溫（Albert Medwin）領導的研究團隊成功研發出第一個互補式金屬氧化物半導體積體電路。 • 早期的CMOS元件雖然功率消耗比常見的電晶體-電晶體邏輯電路要來得低，但是因為操作速度較慢的緣故，所以大多數應用互補式金屬氧化物半導體的場合都和降低功耗、延長電池使用時間有關，例如電子錶。 • 經過長期的研究與改良，今日的互補式金屬氧化物半導體元件無論在使用的面積、操作的速度、耗損的功率，以及製造的成本上都比另外一種主流的半導體製程BJT（Bipolar Junction Transistor，雙載子電晶體）要有優勢，很多在BJT無法實現或是實作成本太高的設計，利用互補式金屬氧化物半導體皆可順利的完成。只要有任何開發進入到半導體的製程，往往都可以壓低成本。

  5. 高頻元件操作頻寬

  6. NMOSPMOS

  7. 半導體流程

  8. Passivation layer Bonding pad metal ILD-6 ILD-5 M-4 ILD-4 M-3 ILD-3 M-2 ILD-2 13 12 11 10 14 M-1 Via ILD-1 9 Poly gate LI oxide 3 LI metal p+ p+ n+ n+ p+ 5 2 STI n+ 4 6 n-well p-well 7 1 8 p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate CMOS的製造步驟分述如下： • 雙井製作 • 淺溝渠隔離之製程 • 多晶矽閘極結構之製程 • 輕摻雜汲極(LDD)植入製程 • 側壁間隙壁之形成 • 源／汲極離子植入製程 • 接觸形成 • 區域內連線製程 • 介質孔－1及插塞－1之形成 • 金屬－1內連線之形成 • 介質孔－2及插塞－2之形成 • 金屬－2內連線之形成 • 金屬－3至墊蝕刻及合金 • 參數測量

  9. n井之形成 磷植入 研磨 薄膜 光阻 氧化層 擴散 蝕刻 黃光 1.磊晶生長     *磊晶層已進行了輕的P型摻雜 2.原氧化生長 a)保護表面的磊晶層免受污染 b)阻止了在注入過程中對矽片過度損傷 c)作為氧化物層屏蔽層，有助於控制流放過程中雜質的注入深度 3.第一層光罩 ，n井注入(高能） 4.退火 退火后的四個结果： a)裸露的矽片表面生長了一層新的氧化層 b)高温使得雜質向矽中擴散 c)注入引入的損傷得到修復 d)雜質原子與矽原子間的共價鍵被激活，使雜質原子成為晶格結構中一部分。 磊晶層 植入 矽晶板 (直徑 = 200mm, ~2mm厚) n井

  10. p井之形成 硼植入 研磨 薄膜 光阻 擴散 n井 黃光 蝕刻 p井 氧化層 P井的形成 1.第二層光罩， p井注入  *P井注入的光罩與N井注入的光罩相反 2.P井注入（高能） 3.退火 p磊晶層 植入 P 矽基板

  11. STI溝渠蝕刻 磊晶層中選擇性開口隔離區域 離子 光阻 研磨 薄膜 氮化層 氧化層 黃光 擴散 蝕刻 n井 p井 1.隔離氧化層。矽表面生長一層厚度约150Å氧化層；可以做為隔離層保護工作區在去掉氮化物的過程中免受化學沾污。 2.氮化物沉積。矽表面生長一薄層氮化矽： a)由於氮化矽是堅固的光罩材料有助於在STI氧化物沉積過程中保護工作區 b)在CMP時充當抛光的阻擋材料。 3.光罩，浅槽隔離 4.STI槽蝕刻。在經過上面的光刻之后把没有被光阻護的區域用離子和强腐蝕性的化學物質蝕刻掉氮化矽、氧化矽和矽。需要注意的是会在沟槽倾斜的侧壁及圆滑的底面有助於提高填充的質量和隔離結構的電學特性 P磊晶層 STI溝渠 植入 P 矽基板

  12. STI氧化物充填 在溝渠上以化學氣相沈積充填氧化物 研磨 薄膜 溝渠CVD氧化物 氮化物 蝕刻 黃光 擴散 n井 p井 內側氧化層 p磊晶層 植入 1.氧化物填充 2.沟槽基板氧化矽矽片再次清洗和去氧化物等清洗過程后，高温下在曝露的隔離槽侧壁上生長150Å的氧化層，用以阻止氧分子向工作區擴散。同時內側氧化層也改善矽與沟槽填充氧化物之間的界面特性 3.沟槽CVD氧化物填充 P 矽基板

  13. STI形成 以化學機械研磨平坦化 薄膜 研磨 研磨後之STI氧化層 去除氮化層 擴散 蝕刻 黃光 n井 p井 內側氧化層 p磊晶層 植入 p+矽基板 1.氧化物平坦化 2.化學機械抛光 3.氮化物去除

  14. 多晶矽閘極結構製程 光阻 多晶矽閘極蝕刻 多晶矽沈積 研磨 薄膜 閘極氧化層 蝕刻 擴散 黃光 n井 p井 1.閘極氧化層的生長。清洗掉矽片曝露在空氣中沾染的雜質和形成的氧化層。進入高溫爐生長一薄層二氧化矽。 2.多晶矽沉積。矽片轉入通有矽烷的低壓化學氣相沉積設備，矽烷分解從而在矽片表面沉積一層多晶矽，之后可以對poly進行摻雜。 3.多晶矽光刻。 在光刻區利用深紫外线光刻技术刻印多晶矽結構。 4.多晶矽蝕刻。利用異向等離子体蝕刻機對沉積的多晶矽進行蝕刻，得到垂直剖面的多晶矽閘。 p磊晶層 植入 p+矽基板

  15. n LDD(汲極輕滲雜)植入 砷nLDD植入 光阻罩幕 薄膜 研磨 擴散 黃光 蝕刻 n井 p井 • N-LDD光刻刻印矽片，得到N-區注入的光阻圖形，其它所有的區域被光阻保護 • N-LDD注入，在未被光阻護的區域進入砷離子注入，形成低能量浅结（砷的分子量大有利於矽表面非晶化，在注入中能夠得到更均匀的摻雜深度） • P-輕摻雜注入(pLDD) p磊晶層 植入 p+矽基板

  16. p LDD植入 BF2 pLDD植入 光阻罩幕 薄膜 研磨 黃光 擴散 蝕刻 n井 p井 P-LDD光刻刻印矽片，得到P-區注入的光阻圖形，其它所有的區域被光阻護 P-LDD注入采用更易於矽表面非晶化的氟化硼進入注入，形成的也是低能量的浅结 p磊晶層 植入 p+矽基板

  17. 側壁間隙壁之形成 藉由異向性電漿蝕刻機將間隙壁回蝕 薄膜 研磨 側壁間隙壁 間隙壁氧化層 蝕刻 擴散 黃光 n井 p井 為了防止大劑量的摻雜注入過於接近沟道從而导致沟道過短甚至摻雜連通，在CMOS的LDD注入之后要在多晶矽閘的两侧形成侧墙。侧墙的形成主要有两步： 在薄膜區利用化學氣相沉積設備沉積一層二氧化矽。 然后利用乾法蝕刻過程刻掉這層二氧化矽。由於所用的各向異性，蝕刻工具使用離子濺射掉了绝大部分的二氧化矽，當多晶矽露出来之后即可停止反刻，但這時并不是所有的二氧化矽都除去了，多晶矽的侧墙上保留了一部分二氧化矽。這一步是不需要光罩的。 p磊晶層 植入 p+矽基板

  18. n源/汲區域離子植入 在侧墙形成后，需要進行的就是源/汲注入過程。 先要進行的是n+源/汲注入，光刻出n型晶体管區域后，進行中等劑量的注入，其深度大於LDD的结深，且二氧化矽构成的侧墙阻止了砷雜質進入狭窄的沟道區。 砷n+源／汲極植入 光阻罩幕 薄膜 研磨 蝕刻 擴散 黃光 n井 P井 p磊晶層 植入 p+矽基板

  19. P S/D植入 進行P+源/汲注入，在光刻出了要進行注入的P型晶体管區域后，同样進行中等劑量注入，形成的结深比LDD形成的结深略大，侧墙起了同样的阻擋作用。注入后的矽片在快速退火装置中退火，在高温状态下，對於阻止結構的擴展以及控制源/汲區雜質的擴散都非常重要。 硼p+ S/D擴散 光阻罩幕 薄膜 研磨 蝕刻 擴散 黃光 n井 p井 p磊晶層 植入 p+矽基板

  20. 接觸形成 鈦沈積 薄膜 研磨 鈦蝕刻 鈦接觸形成 (回火) 擴散 蝕刻 黃光 n井 p井 p磊晶層 植入 鈦是做金屬接触的理想材料，它的电阻很低，可以與矽發生反應形成TiSi2 (鈦化矽)，而鈦和二氧化矽不發生反應，因此這两种物質不会發生化學的键合或者物於是聚集。因此鈦能夠輕易地從二氧化矽表面除去，而不需要额外的光罩。鈦的矽化物在所有工作矽的表面保留了下来（如源、汲和閘）。 p+矽基板

  21. LI氧化物對於鑲嵌LI金屬為一介電質 LI金屬 LI氧化物 形成局部互連氧化矽介質的步骤

  22. LI氧化層介電質之形成 摻雜氧化層CVD SiN3 CVD 氧化層研磨 LI氧化層蝕刻 薄膜 研磨 LI氧化物 氮化矽化學氣相沉積 用化學氣相沉積過程先沉積一層氧化矽作為阻擋層。這層氮化矽将矽工作區護起来，使之與随后的摻雜沉積層隔绝 摻雜氧化物的化學氣相沉積 局部互連結構中的局部互連介質成分是由化學氣相沉積的二氧化矽提供的。二層氧化矽要用磷或硼輕摻雜。 氧化層抛光 利用化學機械抛光過程平坦化局部互連的氧化層。 第九層光罩，局部互連蝕刻 矽片在光刻區刻印然后在蝕刻區蝕刻。在局部互連的氧化層中制作出窄沟槽，這些沟槽定義了局部互連金屬的路径形式 擴散 黃光 蝕刻 p井 n井 p磊晶層 植入 p+矽基板

  23. LI Metal Formation Ti/TiN沈積 鎢沈積 LI鎢研磨 薄膜 研磨 LI氧化物 擴散 蝕刻 黃光 金屬鈦沉積（PVD過程） 一薄阻擋層金屬鈦基板於局部互連沟道的底部和侧壁上，這一層鈦充當了鎢與二氧化矽間的粘合劑。 氮化鈦沉積 鎢化鈦立即沉積於鈦金屬層的表面充當金屬鎢的擴散阻擋層 鎢沉積 鎢填滿局部互連的沟槽並覆蓋矽片表面。之所以用鎢而不是鋁来做局部互連金屬是因為鎢能夠無空洞地填充孔，形成鎢塞。另一個原因是鎢良好的磨抛特性 磨抛鎢 鎢被磨抛到局部互連介質層的上表面 n井 p井 Ti沈積 p磊晶層 植入 p+矽基板

  24. 介質孔-1形成 ILD-1氧化層蝕刻 (介質孔-1形成) ILD-1氧化物沈積 氧化層研磨 薄膜 研磨 LI氧化物 擴散 黃光 蝕刻 n井 p井 • 第一層ILD氧化物在薄膜區利用CVD設备在晶片表面沉積一層氧化物。這層氧化物（第一層ILD）将充當介質材料，通孔就制作在這一層介質上 • 氧化物磨抛 用CMP的方法磨抛第一層ILD氧化物，清洗矽片除去抛光過程中引入的颗粒 • 第十層光罩，第一層ILD蝕刻矽片先在光刻區刻印然后在蝕刻區蝕刻。直径不到0.25 um的小孔蝕刻在第一層ILD氧化物上。這一步要進行嚴格的CD、OL以及缺陷檢測 植入 p磊晶層 p+矽基板

  25. 插塞-1形成 Ti/TiN沈積 鎢沈積 鎢研磨(插塞-1) Ti沈積 薄膜 研磨 LI氧化物 擴散 黃光 蝕刻 p井 n井 • 金屬沉積Ti阻擋層（PVD） 在薄膜區利用PVD設備在整個矽片表面沉積一薄層Ti。Ti基板於能孔的底部及侧壁上。Ti充當了将鎢限制在通孔當中的粘合劑 • 沉積氮化鈦（CVD ）在Ti的上表面沉積一薄層氮化鈦。在下一步沉積中，氮化鈦充當了鎢的擴散阻擋層 • 沉積鎢（CVD ）用另一台CVD設備在矽片上沉積鎢。鎢填满小的开口形成plug • 磨抛鎢 磨抛被鎢塗覆的矽片直到第一層ILD的上表面 p磊晶層 植入 p+矽基板

  26. 金屬-1內連線形成 Al + Cu (1%)沈積 TiN沈積 Ti沈積 金屬-1蝕刻 研磨 薄膜 LI氧化物 擴散 蝕刻 黃光 n井 p井 金屬鈦阻擋層沉積（PVD）與其它金屬製程一樣，鈦是沉積於整個矽晶圓上的第一層金屬。它提供了Plug和下一層Metal之间的良好键合。同樣它與ILD材料的结合也非常緊密，提高了金屬叠加結構的穩定性 沉積鋁銅合金（PVD ）在薄膜區利用PVD設備將鋁銅合金濺射在有鈦覆蓋的矽晶圓上。鋁中加入1%的铜提高了鋁的穩定性 沉積氮化鈦（PVD ）在鋁銅合金層上沉積一薄層氮化鈦充當下一次光刻中的抗反射層 第十一層鍍膜，金屬蝕刻 先用光阻刻印矽晶圓，然后用等離子体蝕刻機蝕刻sandwich結構 p磊晶層 植入 p+矽基板

  27. Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering 微處理器之橫切面SEM圖

  28. 參考資料 http://www.chiplayout.net/cmos-double-well-process.html http://tech.hexun.com.tw/2011-11-04/134878813.html http://rdweb.adm.nctu.edu.tw/modules/mod_table/files/2011011710065875-2-0.pdf

  29. THANKFORYOURATTENTION

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