典型CMOS器件项目可行性研究报告

1.1集成电路制造工艺总述
完整的硅基cmos集成电路工艺流程包括数百至上千个工艺步骤，这类由单台设备或者单个反应腔室即可完成的工艺步骤称为单项工艺，如光刻、刻蚀、薄膜沉积等。在制造实践中，为了技术和管理上的便利性，将可以集合成由特定功能工艺模块的一组单项工艺称为模块工艺。更进一步，可以将这些工艺模块集合归类为前段工艺（FEOL）、中段工艺（MOL）和后段工艺（BEOL），这三段工艺属于前道制造流程，完整的半导体制造流程还包括后道封测。
前段工艺（Frontend of Line，FEOL）：形成芯片底层晶体管等有源MOS器件的过程，主要包括浅槽隔离、源漏极、栅极等。
中段工艺（Middle of Line，MOL）：中段工艺主要作用是连接前段器件与后段第一层金属，主要壁垒在于对接触孔钨栓塞的刻蚀和沉积。制程发展到45nm/28nm以后，为了提高晶体管的性能，采用高介电常数栅介质及金属栅极工艺，在晶体管源漏结构制备完成后增加替代栅工艺及局部互连工艺，这些工艺位于前段工艺和后段工艺之间，均为传统工艺中没有采用的工艺，因此成为中段工艺。
后段工艺（Back end of Line，BEOL）：形成能将电信号传输到各个器件的互连线，主要包括金属间介质层沉积、金属线条形成、引出焊盘（Pad，又称衬垫）等工艺。通孔（Via）是相邻两层金属互连线之间的连接通路，位于两层金属中间的介质层中，一般用铜等金属填充。

1.2 典型纳米级COMS工艺器件的前道工艺流程

接下来主要通过一个典型纳米级CMOS器件的工艺流程介绍前道制程

1、衬底制备：器件是在衬底上制造的，这是COMS工艺流程的第一步。一般选择P型裸片材料作为衬底。
2、有源区（Active Area）工艺：通过刻蚀去掉非有源区的区域的硅衬底而保留器件的有源区。
具体步骤：（1）清洗；（2）生长前置氧化层：利用炉管热氧化生长一层SiO2 薄膜，目的是缓解后续沉积Si3N4 层对衬底的应力；（3）利用LPCVD沉积Si3N4层，这层是有源区（AA）刻蚀的硬掩模版和后续STI（Shallow Trench Isolation，浅槽隔离）CMP的停止层、也是场区离子注入的阻挡层；（4）利用PECVD沉积 SiON 层，作为光刻的底部抗反射层；（5）AA光刻处理、测量AA光刻的关键尺寸、测量AA套刻、检查显影曝光后的图形；（6）AA硬膜版刻蚀；（7）去胶；（8）AA干法刻蚀形成AA图形和STI；（9）测量AA刻蚀关键尺寸；（10）检查刻蚀后的图形。

3、STI隔离工艺：利用氧化硅填充沟槽，在器件有源区之间嵌入很厚的氧化物，从而形成器件之间的隔离，利用STI隔离工艺可以改善寄生场效应晶体管和闩锁效应。
具体步骤：（1）清洗；（2）STI热氧化：利用炉管热氧化生成二氧化硅薄膜，该层二氧化硅薄膜可以保护硅衬底；（3）利用HDPCVD 沉积厚的SiO2 层 （HDPCVD台阶覆盖率非常好 ，可以有效填充 STI的空隙 ）；（ 4 ）RTA快速热退火 ， 修 复HDPCVD对衬底硅的损伤；（5）AR（Active Area Reverse）光刻处理；（6）测量AR套刻、检查显影后曝光的图形；（7）AR刻蚀：干法刻蚀去除大块AA区域的氧化硅，刻蚀停留在Si3N4层；（8）去胶；STI CMP；（9）清洗；（10）湿法刻蚀去除Si3N4层，刻蚀停在氧化硅上；（11）湿法刻蚀去除前置氧化层。

5、栅氧化工艺：通过热氧化形成高质量的栅氧化层具体步骤：（1）清洗；（2）炉管热氧化生长厚的SiO2氧化层；（3）厚栅氧光刻处理；（4）测量厚栅氧光刻套刻、检查显影后曝光的图形；（5）湿法刻蚀去除低压器件区域氧化层；（6）去胶、清洗；（7）利用炉管热氧化生长薄栅氧化层。在45nm以下的技术节点中，为了有效降低器件漏电流，高介电材料被引入替代二氧化硅材料，高k介质薄膜一般由ALD沉积。
6、多晶硅栅工艺：指形成MOS器件的多晶硅栅极，栅极的作用是控制器件的关闭或者导通。具体步骤：（1）LPCVD沉积多晶硅（沉积的多晶硅是未经掺杂的，它是通过后续的源漏离子注入进行掺杂，可以更容易控制器件的阈值电压）；（2）PECVD沉积SiON作为光刻的底部抗反射层；（3）栅光刻处理；测量栅极光刻关键尺寸、光刻套刻、检查显影后曝光的图形；（4）栅刻蚀：去除没有光刻胶覆盖的多晶硅形成器件的栅极，分两步刻蚀：1、利用CF4 和CHF3 去除SiON；2、利用Cl2 和HBr刻蚀多晶硅；（5）去胶；（6）去除SiON。
45nm及以下的工艺节点中，为避免硅栅耗尽效应，使用金属栅替代多晶硅，金属栅的沉积要使用ALD。

7、轻掺杂漏（LDD）离子注入工艺：在栅极的边界下方与源漏之间形成低掺杂的扩展区，目的是减弱短沟道效应。在45nm/28nm或者更先进的节点中，为了隔开和补偿由于LDD离子注入引起的横向扩散，需要增加补偿侧墙工艺。以65nm工艺技术为例，流程中采用两次侧墙结构工艺步骤，第一次是在LDD离子注入前，目的是减小栅极和源漏的有源区的交叠，从而减少它们之间的寄生电容，第二次是在LDD离子注入之后，是为了形成侧墙结构阻挡源漏重掺离子注入。
具体步骤：
（1）沉积SiO2和Si3N4作为第一重侧墙。利用LPCVD进行沉积
（2）侧墙干法刻蚀：利用干法刻蚀去除Si3N4层形成侧墙，因为在栅两边的氧化物在垂直方向比较厚，拐角处留下一些不能被刻蚀的氧化物，因此形成侧墙；
（3）NLDD光刻处理
（4）NLDD离子注入
（5）去胶
（6）PLDD光刻处理
（7）PLDD离子注入
（8）去胶、清洗
（9）LDD退火激活：快速热处理（RTP）修复离子注入对硅表面晶体的损伤，激活离子注入的杂质
（10）沉积ONO结构SiO2 / Si3N4 / SiO2 作为第二重隔离侧墙：LPCVD沉积ONO层，第一层SiO2(Si3N4的刻蚀停止层和应力缓解层)，第二层是Si3N4层，第三层SiO2层是侧墙结构的主体；
（11）侧墙干法刻蚀：刻蚀停留在底部的SiO2上，栅两边的氧化物在垂直方向较厚，在刻蚀同样厚度的情况下，拐角处留下一些不能被刻蚀的氧化物，因此形成侧墙。

8、源漏离子注入工艺：在形成器件的源漏区重掺杂，降低器件有源区的串联电阻，提高
器件的速度。
9、HRP工艺：指形成高阻值多晶硅电阻离子注入的工艺，利用离子注入来注入氟离子改变
多晶硅的物理特性，形成高阻抗的多晶硅电阻。

10、Salicide工艺：在没有氧化物覆盖的衬底硅和多晶硅上形成金属硅化物，从而得到低阻的有源区和多晶硅。
具体步骤：（1）沉积SAB（Salicide Block,金属硅化物阻挡层），利用PECVD沉积一层SiO2 ，目的是把不需要形成的金属硅化物的衬底硅和多晶硅覆盖;（2）光刻、量测、检查;（3）SAB刻蚀：干法刻蚀和湿法刻蚀相结合，清除没被光刻胶覆盖的SiO2 ;（4）去胶、清洗氧化层（为了后续沉积Co ）;（5）沉积Co和TiN：PVD溅射工艺;（6）第一步Salicide RTA-1，通入N2使Co与衬底硅和多晶硅反应生成高阻的金属硅化物Co2Si；（7） Co和TiN 的选择性刻蚀：利用湿法刻蚀清除TiN和没有与Si反应的Co，防止造成器件短路；（8）第二步Salicide RTA-2，把高阻态的金属硅化物Co2Si 转换成低阻态的CoSi2 ；（9）沉积SiON ，PECVD沉积SiON薄膜，防止下一步BPSG中的B和P析出扩散，影响器件性能

11、ILD工艺：指在器件与第一层金属之间形成的介质材料，形成电性隔离，可以有效隔离金属互连线与器件，降低金属和衬底材料之间的寄生电容，改善金属横跨不同区域而形成寄生的场效应晶体管。ILD的介质材料是氧化硅。
具体步骤:(1)PECVD沉积SiON保护器件；(2)SACVD沉积USG（不掺杂的SiO2 ），防止BPSG渗出的硼和磷污染衬底；(3)APCVD沉积BPSG（掺杂硼和磷的硅玻璃）；(4)BPSG回流（LPCVD）；(5)清洗；(6)SACVD沉积USG;(7)ILD CMP；(8)量测、清洗；(9)SACVD沉积USG；(10)PECVD沉积SiON ，作为光刻的底部抗反射层。

12、接触孔（Contact Hole）工艺：指在ILD介质层上形成很多细小的垂直通孔，是器件与第一层金属层的连接通道。通孔填充的材料是钨（W），沉积钨的工艺是MCVD（金属CVD），其具有优良的台阶覆盖率以及对高深宽比的接触通孔的无间隙填充。

具体步骤:(1)CT光刻处理；测量CT光刻的关键尺寸；测量CT光刻套刻、检查显影后曝光的图形；(2)CT干法刻蚀，利用CHF3 和CF4 等气体形成等离子体去除无光刻胶覆盖区域的氧化物，获得垂直的侧墙形成接触通孔，上一个工艺沉积的SiON作为该层刻蚀的缓冲层
使得刻蚀最终停止在硅上；(3)去胶、清洗、量测；(4) Ar 刻 蚀 ： PVD 前 使 用 ArF 离 子 溅 射 清 洁 表 面 ；(5)PVD沉积Ti/TiN层，可以防止钨与硅反应且有助于后续的钨层附着在氧化层上；(6)退火；(7)WCVD沉积钨层填充接触孔；(8)钨CMP；(9)去除表面的钨和Ti/TiN ，防止不同区域的接触孔短路；(10)清洗

13、IMD1工艺：指在第一层金属之间的介质隔离材料，使用材料是超低介电
（ULK，Ultra Low k）SiCOH材料。
具体 步骤 ： (1)PECVD 沉积 SiCN为刻蚀停止层 （ESL ）；(2)PECVD 沉 积SiCOH作为金属氧化物隔离层；(3)PECVD沉积USG，和TiN硬掩模一起防止后续的去胶工艺破坏ULK；(4)PVD沉积TiN ，作为硬掩模版层和抗反射层。
14、金属层1工艺：形成第一层金属互连线，目的是把不同区域的接触孔连接起来，以及把不同区域的通孔1连接起来。第一层金属层是大马士革的铜工艺，先在介质上挖槽，再利用电镀（ECP）的方式填充铜
具体步骤：(1)M1光刻；(2)测量光刻关键尺寸、测量M1套刻数据、检查显影后曝光的图形；(3)M1硬掩模干法刻蚀：去除没有光刻胶覆盖的TiN硬掩模；(4)去胶；(5)测量M1的关键尺寸；(6)M1干法刻蚀SiCOH层，(7) SiCN为刻蚀停止层（ESL）；(8)湿法刻蚀去除ESL SiCN层；(9)PVD沉积Ta/TaN，有助于铜的附着+防止铜扩散；(10)PVD沉积Cu铜薄籽晶层，PVD;(11)电镀（ECP）沉积铜；(12)铜CMP；(13)清洗
15、IMD2工艺：包括IMD2a工艺和IMD2b工艺，前者形成通孔1（VIA1，下个步骤涉及）的介质隔离，后者隔离第一层（M1）和第二层金属（M2）,IMD2工艺材料与IMD1相同，为ULK SiCOH材料。
具体步骤：(1)PECVD沉积SiCN刻蚀停止层和M1的覆盖层，防止铜扩散；(2)PECVD沉积IMD2a的SiCOH层；(3)PECVD沉积SiCN刻蚀停止层；(4)PECVD沉积IMD2b的SiCOH层；(5)PECVD沉积USG；(6)PVD沉积TiN硬掩模，同时作为抗反射层。
15、IMD2工艺：包括IMD2a工艺和IMD2b工艺，前者形成通孔1（VIA1，下个步骤涉及）的介质隔离，后者隔离第一层（M1）和第二层金属（M2）,IMD2工艺材料与IMD1相同，为ULK SiCOH材料。
具体步骤：(1)PECVD沉积SiCN刻蚀停止层和M1的覆盖层，防止铜扩散；(2)PECVD沉积IMD2a的SiCOH层；(3)PECVD沉积SiCN刻蚀停止层；(4)PECVD沉积IMD2b的SiCOH层；(5)PECVD沉积USG；(6)PVD沉积TiN硬掩模，同时作为抗反射层。

16、通孔1和金属层2工艺：通孔1（VIA1）工艺将第一层和第二层金属的通孔连接互连线，金属层2（M2）工艺指第二层金属互连线，目的是把不同区域的通孔1和连接起来，把不同区域的通孔2连起来。VIA1和M1工艺都是大马士革工艺。
具体步骤：（1）M2光刻，（2）M2量测、清洗、显影，（3）M2硬掩膜TiN刻蚀；（4）去胶；（5）VIA1光刻处理；（6）量测、检查；（7）VIA1干法刻蚀SiCOH层，SiCN为刻蚀停止层，（8）湿法刻蚀去除SiCN层（9）去胶（10）M2干法刻蚀SiCOH层， SiCN为刻蚀停止层,（11）湿法刻蚀去除SiCN层；（12） PVD沉积Ta/TaN ;（13） PVD沉积铜薄籽晶层;（14）电镀ECP沉积铜；（15）铜CMP；（16）清洗。
17、IMD3工艺，与IMD2工艺相似;
18、通孔2和金属层3工艺：与通孔1和金属层2工艺类似
19、IMD4工艺：与IMD3工艺类似，目的是形成TMV（Top Metal VIA，顶层金属孔）的介质材料，同时隔离第三层金属层和顶层金属层；
20、顶层金属Al工艺：形成顶层金属Al（Cu被氧化形成的氧化膜比较输送无法阻止进一步被氧化，且Cu是软金属，不能作为绑定金属，所以必须用Al作为顶层金属），该工艺还包括TMV工艺（形成第三层金属和顶层金属Al的通孔连接互连线），通孔工艺与之前工艺环节类似，进行顶层金属薄膜沉积时，PVD沉积Ti/TiN层、AlCu金属层、 Ti层，TM经过光刻、刻蚀后，使用PECVD沉积一层SiO2，保护金属，防止后续的HDPCVD损伤金属互连线。
21、钝化层工艺：钝化层可以有效阻挡水蒸气和可移动离子的扩散，保护芯片免于受潮、划伤和粘污。
具体步骤：（1） HDPCVD沉积PSG，加磷的作用是吸附杂质（2） PECVD沉积Si3N4，该膜硬度高致密性好，防止机械划伤的同时阻止钠金属离子渗入；（3）Pad窗口光刻处理；（4）Pad窗口刻蚀：去除没有被光刻胶覆盖的钝化层；（5）去胶；（6）利用高温炉管退
火和合金化，使钝化层增密。