集成電路制造工藝探析

眾所周知，大多數半導體流程都發生在硅片頂層的幾微米以內。這一有源區對應于工藝流程的前端工藝。所有硅上方的材料都是互聯芯片上各個器件所需的分層結構的一部分。為了增加多層金屬及絕緣層，工藝流程要求硅片在不同工藝步驟中循環。在制造一塊高性能的微芯片，只需要多次運用有限的幾種工藝。

集成電路制造就是在硅片上執行一系列復雜的化學或者物理操作。這些操作概括為四大基本類：薄膜制作（layer）、刻印（pattern）、刻蝕和摻雜。即使在制造一個簡單的單個MOS管也不例外，下面以0.18μmCMOS為例介紹硅片制造流程。

硅片上的氧化物通過生長或淀積的方法產生，在升溫的環境里，通過外部供給高純氧氣使之與硅襯底反應，可以在硅片上得到一層熱生長的氧化層。高溫氧化工藝發生在硅片制造廠的擴散區域，是硅片進入制造過程的第一步工藝。通常硅上熱生長氧化層的溫度在750°C~1100°C之間。硅上生長的氧化層稱為熱氧化硅（thermal oxide）或熱二氧化硅（SiO2）硅的氧化物只有這一種，這兩個詞可以互換。氧化膜在制造芯片過程中主要用途為：保護器件免劃傷和隔離玷污；限制帶點載流子場區隔離，達到表面鈍化；作為柵氧或儲存器單元結構中的介質材料；保證摻雜忠的注入掩蔽；成為金屬導電層的介質層。

光刻處于硅片加工過程的中心，也是集成電路制造的關鍵步驟，光刻的成本占整個硅片加工成本的30%，光刻要用到光敏光刻膠或光刻膠，光刻膠作為一種聚合可溶物被涂在襯底表面，然后光刻膠被烘焙出去溶劑，光刻膠是涂在硅片表面上的臨時材料，僅僅是為了圖形轉移，一旦圖形經過刻蝕或者離子注入就要被去掉。

投影掩模板是一個石英板，它包括了要在硅片上重復生成的圖形。就好像投影用的電影膠片的底片一樣。這種圖形可能僅包含一個管芯，也可能是一組管芯。先進的CMOS集成電路可能需要50塊以上的掩模板用于在管芯上形成多層圖形。每一個投影掩模板都有獨一無二的特別圖形和特征圖形，它被置于硅片表面并通過整個硅片來完成某一層。接下來要講進行光刻工藝，主要采取負性光刻和正性光刻，負性光刻把與掩模板上圖形相反的圖形復制到硅片表面。正性光刻把與掩模板上相同的圖形復制到硅片上。負性光刻的特征是曝光后，光刻膠會因交聯而變得不可溶解，并會硬化。一旦硬化，交聯的光刻膠就不能在溶劑中被洗掉。因為光刻膠上的圖形與投影掩模板上的圖形相反，負性光刻膠是最早應用在半導體光刻工藝中的光刻膠。在正性光刻工藝中，復制到硅片表面上的圖形與掩模板的圖形一樣的被紫外光曝光后的區域經歷了一種光化學反應，在顯影液中軟化并可溶解在其中。用這種方法，曝光的正性光刻膠區域將在顯影液中被除去，而不透明的掩模板下的沒有被曝光的光刻膠仍保留在硅片上。由于形成的光刻膠上的圖形與投影掩模板上的相同，所以這種光刻膠被稱為正性膠。保留下來的光刻膠在曝光前被硬化。它將留在硅片表面。作為后步工藝（如刻蝕）的保護層。無論采用正性光刻還是負性光刻都要經歷8個基本步驟：（1）氣相成底模處理，主要進行清洗、脫水，為了增強硅片和光刻膠的粘性。清洗主要包括濕法清洗和去離子水沖洗以去除玷污物，脫水至干烘焙在一個封閉腔內完成，以去除吸附在硅片表面的大部分水氣。（2）旋轉涂膠，成底模處理后，硅片要立即采用旋轉涂膠的方法涂上液相光刻膠材料。硅片被固定在一個真空載片臺上，它是一個表面上有很多真空孔以便固定硅片的平的金屬或四氯乙烯盤。一定數量的液體光刻膠滴在硅片上，然后硅片旋轉得到一層均勻的光刻膠涂層。不同的光刻膠要求不同的旋轉涂膠條件，例如最初慢速旋轉，接下來躍變到最大轉速3000rpm或者更高。一些光刻膠應用的重要質量指標是時間、速度、厚度、均勻性顆粒沾污以及光刻膠缺陷，如針孔。（3）光刻膠被涂到硅片表面后必須要經過軟烘，軟烘的目的是去除光刻膠中的溶劑。軟烘提高了粘附性，提升了光刻膠的均勻性，在刻蝕中得到了更好的線寬控制。（4）對準和曝光，就是把掩模板與涂了膠的硅片上的正確位置對準。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一層事先確定了的圖形。一旦對準，將掩模板和硅片曝光，把掩模板圖形轉移到涂膠的硅片上。光能激活了光刻膠中的光敏成分。對準和曝光的照耀質量指標是線寬分辨率、套準精度、顆粒和缺陷。（5）曝光后烘焙，這步應緊隨在光刻膠曝光后。（6）顯影，顯影是在硅片表面光刻膠忠產生圖形的關鍵步驟。光刻膠上的可溶解區域被化學顯影劑溶解，將可見島或者窗口圖形留在硅片表面。最通常的顯影方法是旋轉、噴霧、浸潤，然后顯影，硅片用去離子水沖洗后甩干。（7）堅膜烘焙，烘焙要求揮發掉存留的光刻膠溶劑，提高光刻膠對硅片表面的粘附性。這一步驟是穩固光刻膠。（8）顯影后檢查，一旦光刻膠在硅片上形成圖形，就要進行檢查以確定光刻膠圖形質量。檢查的目的：找出光刻膠有質量問題的硅片，描述光刻膠工藝性能以滿足規范要求，如果確定膠有缺陷，通過去膠可以把他們除去，硅片也可以進行返工。

所謂的淀積，就是在硅片襯底上生成薄膜，這層膜可以是二氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金屬，比如銅和難熔金屬（如鎢）等。在硅片加工中可以接受的膜必須具備需要的膜特性：好的臺階覆蓋能力；填充高的深寬比間隙能力；好的厚度均勻性；高純度和高密度；受控制的化學劑量；高度的結構完整性和低的膜應力；好的電學特性；對襯底材料或下層膜好的粘附性。目前用的膜淀積方法主要分為化學氣相淀積和物理氣相淀積。化學氣相淀積是指把含有構成薄膜元素的氣態反應劑或液態反應劑的蒸氣及反應所需其他氣體引入反應室，在襯底表面發生化學反應生成薄膜的過程。在超大規模集成電路中很多薄膜都是采用CVD方法制備。

化學氣相淀積特點：淀積溫度低，薄膜成分易控，膜厚與淀積時間成正比，均勻性，重復性好，臺階覆蓋性優良。化學氣相淀積是把含有構成薄膜元素的氣態反應劑引入反應室，在晶圓表面發生化學反應，從而生成所需的固態薄膜并淀積在其表面。

參考文獻：

［1］張興.微電子學概論.北京大學出版社，2004.

［2］楊之廉.超大規模集成電路設計方法學導論.清華大學出版社，2000.

（作者單位 大連職業技術學院）