【集成电路制造工艺探析】 集成电路制造工艺
众所周知，大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几微米以内。这一有源区对应于工艺流程的前端工艺。所有硅上方的材料都是互联芯片上各个器件所需的分层结构的一部分。为了增加多层金属及绝缘层，工艺流程要求硅片在不同工艺步骤中循环。在制造一块高性能的微芯片，只需要多次运用有限的几种工艺。 集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。这些操作概括为四大基本类：薄膜制作（layer）、刻印（pattern）、刻蚀和掺杂。即使在制造一个简单的单个MOS管也不例外，下面以0.18μmCMOS为例介绍硅片制造流程。
硅片上的氧化物通过生长或淀积的方法产生，在升温的环境里，通过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应，可以在硅片上得到一层热生长的氧化层。高温氧化工艺发生在硅片制造厂的扩散区域，是硅片进入制造过程的第一步工艺。通常硅上热生长氧化层的温度在750°C~1100°C之间。硅上生长的氧化层称为热氧化硅（thermal oxide）或热二氧化硅（SiO2）硅的氧化物只有这一种，这两个词可以互换。氧化膜在制造芯片过程中主要用途为：保护器件免划伤和隔离玷污；带点载流子场区隔离，达到表面钝化；作为栅氧或储存器单元结构中的介质材料；保证掺杂忠的注入掩蔽；成为金属导电层的介质层。
光刻处于硅片加工过程的中心，也是集成电路制造的关键步骤，光刻的成本占整个硅片加工成本的30%，光刻要用到光敏光刻胶或光刻胶，光刻胶作为一种聚合可溶物被涂在衬底表面，然后光刻胶被烘焙出去溶剂，光刻胶是涂在硅片表面上的临时材料，仅仅是为了图形转移，一旦图形经过刻蚀或者离子注入就要被去掉。
投影掩模板是一个石英板，它包括了要在硅片上重复生成的图形。就好像投影用的电影胶片的底片一样。这种图形可能仅包含一个管芯，也可能是一组管芯。先进的CMOS集成电路可能需要50块以上的掩模板用于在管芯上形成多层图形。每一个投影掩模板都有独一无二的特别图形和特征图形，它被置于硅片表面并通过整个硅片来完成某一层。接下来要讲进行光刻工艺，主要采取负性光刻和正性光刻，负性光刻把与掩模板上图形相反的图形复制到硅片表面。正性光刻把与掩模板上相同的图形复制到硅片上。负性光刻的特征是曝光后，光刻胶会因交联而
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变得不可溶解，并会硬化。一旦硬化，交联的光刻胶就不能在溶剂中被洗掉。因为光刻胶上的图形与投影掩模板上的图形相反，负性光刻胶是最早应用在半导体光刻工艺中的光刻胶。在正性光刻工艺中，复制到硅片表面上的图形与掩模板的图形一样的被紫外光曝光后的区域经历了一种光化学反应，在显影液中软化并可溶解在其中。用这种方法，曝光的正性光刻胶区域将在显影液中被除去，而不透明的掩模板下的没有被曝光的光刻胶仍保留在硅片上。由于形成的光刻胶上的图形与投影掩模板上的相同，所以这种光刻胶被称为正性胶。保留下来的光刻胶在曝光前被硬化。它将留在硅片表面。作为后步工艺（如刻蚀）的保护层。无论采用正性光刻还是负性光刻都要经历8个基本步骤：（1）气相成底模处理，主要进行清洗、脱水，为了增强硅片和光刻胶的粘性。清洗主要包括湿法清洗和去离子水冲洗以去除玷污物，脱水至干烘焙在一个封闭腔内完成，以去除吸附在硅片表面的大部分水气。（2）旋转涂胶，成底模处理后，硅片要立即采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。硅片被固定在一个真空载片台上，它是一个表面上有很多真空孔以便固定硅片的平的金属或四氯乙烯盘。一定数量的液体光刻胶滴在硅片上，然后硅片旋转得到一层均匀的光刻胶涂层。不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件，例如最初慢速旋转，接下来跃变到最大转速3000rpm或者更高。一些光刻胶应用的重要质量指标是时间、速度、厚度、均匀性颗粒沾污以及光刻胶缺陷，如针孔。（3）光刻胶被涂到硅片表面后必须要经过软烘，软烘的目的是去除光刻胶中的溶剂。软烘提高了粘附性，提升了光刻胶的均匀性，在刻蚀中得到了更好的线宽控制。（4）对准和曝光，就是把掩模板与涂了胶的硅片上的正确位置对准。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一层事先确定了的图形。一旦对准，将掩模板和硅片曝光，把掩模板图形转移到涂胶的硅片上。光能激活了光刻胶中的光敏成分。对准和曝光的照耀质量指标是线宽分辨率、套准精度、颗粒和缺陷。（5）曝光后烘焙，这步应紧随在光刻胶曝光后。（6）显影，显影是在硅片表面光刻胶忠产生图形的关键步骤。光刻胶上的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见岛或者窗口图形留在硅片表面。最通常的显影方法是旋转、喷雾、浸润，然后显影，硅片用去离子水冲洗后甩干。（7）坚膜烘焙，烘焙要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。这一步骤是稳固光刻胶。（8）显影后检查，一旦光刻胶在硅片上形成图形，就要进行检查以确定光刻胶图形质
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量。检查的目的：找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求，如果确定胶有缺陷，通过去胶可以把他们除去，硅片也可以进行返工。 所谓的淀积，就是在硅片衬底上生成薄膜，这层膜可以是二氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金属，比如铜和难熔金属（如钨）等。在硅片加工中可以接受的膜必须具备需要的膜特性：好的台阶覆盖能力；填充高的深宽比间隙能力；好的厚度均匀性；高纯度和高密度；受控制的化学剂量；高度的结构完整性和低的膜应力；好的电学特性；对衬底材料或下层膜好的粘附性。目前用的膜淀积方法主要分为化学气相淀积和物理气相淀积。化学气相淀积是指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其他气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。 化学气相淀积特点：淀积温度低，薄膜成分易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性，重复性好，台阶覆盖性优良。化学气相淀积是把含有构成薄膜元素的气态反应剂引入反应室，在晶圆表面发生化学反应，从而生成所需的固态薄膜并淀积在其表面。 参考文献：
［1］张兴.微电子学概论.北京大学出版社，20xx.
［2］杨之廉.超大规模集成电路设计方法学导论.清华大学出版社，2000. （作者单位 大连职业技术学院）
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