集成電路單元器件持續(xù)微小型化，是靠從微米到納米不斷創(chuàng)新的微細(xì)加工工藝技術(shù)實現(xiàn)的。自從集成電路發(fā)明以來，逐步建立了人類生產(chǎn)制造發(fā)展史上一種全新的加工技術(shù)半導(dǎo)體微細(xì)精密加工工藝。半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝,是由物理、化學(xué)、真空、薄膜等多種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域交叉與融合發(fā)展形成的新型技術(shù)學(xué)科。它與機械等傳統(tǒng)加工技術(shù)不同。它是通過氧化生長、圖形光刻、元素?fù)诫s、薄膜淀積、材料刻蝕等多種物理和化學(xué)過程,在硅片或其他襯底上形成各種不同性質(zhì)的微區(qū)結(jié)構(gòu)，從而形成具有特定功能的各種電子器件。器件微小型化所達(dá)到的水平是微細(xì)加工工藝技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，因而常用微米、亞微米、深亞微米、亞0.1微米、納米等來形容其不同時期所達(dá)到的技術(shù)水平。本書各章節(jié)將分別討論分析集成芯片主要微細(xì)加工工藝及其物理化學(xué)原理，本節(jié)概要分析說明微細(xì)加工工藝的主要技術(shù)特征。

1.4.1 物質(zhì)科學(xué)成果微細(xì)加工工藝技術(shù)的基礎(chǔ)

微細(xì)加工工藝是在實現(xiàn)集成器件微小型化目標(biāo)推動下逐步建立起來的，其發(fā)展一方面源于半導(dǎo)體器件與集成電路技術(shù)演進(jìn)需求,另一方面源于20世紀(jì)以來現(xiàn)代物理、化學(xué)、材料等物質(zhì)基礎(chǔ)科學(xué)的一系列研究成果,兩者緊密結(jié)合,促使這種全新加工技術(shù)面世與快速發(fā)展。回顧分析集成電路面世以來微細(xì)加工制造技術(shù)的變遷與優(yōu)化,可知這是不斷把物質(zhì)科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為精密微細(xì)加工技術(shù)的過程。例如,在離子與固體原子相互作用規(guī)律基礎(chǔ)上.發(fā)展成功離子注入摻雜技術(shù),在幾何光學(xué)與物理光學(xué)規(guī)律基礎(chǔ)上,發(fā)展了多代不斷改進(jìn)的圖形光刻技術(shù),在低能等離子體物理研究成果基礎(chǔ)上,發(fā)展了多種等離子體加工技術(shù),應(yīng)用真空科學(xué)與材料科學(xué)成果,發(fā)展了從蒸發(fā)到原子層淀積多種固體薄膜制造技術(shù),等等。集成芯片制造應(yīng)用的微細(xì)加工工藝,都是現(xiàn)代物理等物質(zhì)科學(xué)成果的技術(shù)結(jié)晶。

半導(dǎo)體等固體科學(xué)與器件物理是微結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步的基石。硅集成芯片制造技術(shù),從一開始就是根據(jù)半導(dǎo)體器件原理,為實現(xiàn)有序微結(jié)構(gòu)器件制作要求而逐步形成的。隨著單元器件尺寸持續(xù)縮微,器件結(jié)構(gòu)中的許多物理問題需要不斷深入研究,其研究結(jié)果促使微細(xì)加工工藝持續(xù)創(chuàng)新。近年在硅與其他半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上,正在為硅集成芯片制造開辟新途徑。例如,在PMOS與NMOS器件中分別應(yīng)用SiGe/Si、SiC/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成晶體管源漏區(qū),發(fā)展成功高遷移率應(yīng)變溝道工藝,在納米CMOS制造技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。未來納米集成芯片制造技術(shù)的新發(fā)展,仍將依賴半導(dǎo)體科學(xué)研究的新成果。正在活躍研究的多種單質(zhì)與化合物二維新型薄膜半導(dǎo)體,將有可能為納米微結(jié)構(gòu)器件制作技術(shù)拓展新方向。

1.4.2 能束技術(shù)微細(xì)加工工藝的核心技術(shù)

電子束、離子束、激光束和等離子體等多種能束(energybeam)技術(shù)，先后被引入集成芯片制造工藝,得到越來越多應(yīng)用，成為先進(jìn)微細(xì)加工工藝的核心技術(shù)。半導(dǎo)體器件制造工藝的關(guān)鍵問題,是如何在越來越大的硅片上,形成越來越小的微細(xì)尺寸圖形,并進(jìn)行微區(qū)刻蝕、微區(qū)摻雜、微區(qū)改性等加工,進(jìn)而形成功能器件微結(jié)構(gòu)。在集成芯片技術(shù)快速演進(jìn)過程中，正是應(yīng)用這些20世紀(jì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成果，開發(fā)成功一系列硅片精密微細(xì)加工工藝，用于實現(xiàn)各種愈益精細(xì)微區(qū)器件制作。

進(jìn)入超大規(guī)模集成電路發(fā)展階段后,電子束圖形發(fā)生器就開始用于制造線條越來越細(xì)的精密光刻掩模版。應(yīng)用波長越來越短的紫外光束,實現(xiàn)愈益縮微圖形光刻,不斷改進(jìn)的準(zhǔn)分子深紫外激光束技術(shù)，成功用于深亞微米與納米集成芯片光刻。多年大力研發(fā)的極紫外激光束(即軟X射線)已開始用于7nm與更精細(xì)技術(shù)代芯片線條光刻。集成芯片上摻雜元素、濃度、深度各異的晶體管微結(jié)構(gòu)，都可應(yīng)用離子束注入技術(shù)實現(xiàn)。各種波長激光束掃描輻照技術(shù)正在用于超淺結(jié)器件退火與其他精密加工。20世紀(jì)70年代后等離子體技術(shù)用于多種薄膜淀積與刻蝕工藝，成為形成各種芯片精密結(jié)構(gòu)的有效工具。這些能束不僅成功用于微細(xì)加工，由電子束、離子束、光束制造的各種顯微鏡、離子分析探針等多種精密測試儀器,也是表征、分析芯片及微加工效能的必要工具。而且這些能束微細(xì)加工與測試技術(shù),隨著器件微小型化進(jìn)程，總是不斷創(chuàng)新與升級換代。

1.4.3 微細(xì)加工工藝進(jìn)步依賴多種新材料研發(fā)

半導(dǎo)體集成芯片制造技術(shù)的創(chuàng)新,在很大程度上依賴于多種材料技術(shù)進(jìn)步。不斷引進(jìn)和應(yīng)用新材料，是微細(xì)加工工藝發(fā)展的主要特點之一。例如,在器件最小尺寸接近0.1um時，晶體管和集成電路分析表明，互連線寄生電阻電容造成的信號傳輸時間延遲，已超過有源器件本征時延,成為決定器件速度的主要因素，因而引起集成電路互連工藝重大變革，銅取代鋁成為互連的主要金屬材料,銅鑲嵌工藝取代了鋁刻蝕工藝,并且同時要求以低k介質(zhì)取代一般SiO2作為金屬間絕緣材料。

晶體管效應(yīng)最早在鍺襯底上發(fā)現(xiàn),其后晶體管和集成電路的迅速發(fā)展,主要得益于硅單取代一般SiO:作為金屬間絕緣材料。晶材料制備技術(shù)進(jìn)步。一代又一代器件微細(xì)加工工藝，總是需要硅晶體材料技術(shù)的相應(yīng)變化和創(chuàng)新。從小規(guī)模到極大規(guī)模集成,芯片制造涉及越來越多的元素與材料?，F(xiàn)今集成電路制造與化學(xué)周期表中很大部分元素都有密切關(guān)系。有的需要應(yīng)用，有的則要求清除至最低濃度。微細(xì)加工工藝中需要應(yīng)用越來越多的各種元素或其化合物,如硼、磷、砷、鍺、鋁、銅、鎢、鈷、鎳、鈦,還有各類氣體、多種氧化物、氮化物、金屬硅化物,以及多種化學(xué)試劑與有機化合物等。高純度是對微細(xì)加工工藝所用材料的共同要求,且隨著器件微小型化,對純度要求越來越高。所用許多材料中的雜質(zhì)含量要求降到Ppb量級,甚至更小。集成電路中所用材料有些已接近甚至達(dá)到其性能極限。例如,SiO2作為柵介質(zhì)厚度在器件尺寸縮微的進(jìn)程中,早已接近其可應(yīng)用極限,因而需要研究與應(yīng)用可替代的高k介質(zhì)材料。半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)的強勁發(fā)展極大地推動了薄膜材料技術(shù)進(jìn)步。半導(dǎo)體、介質(zhì)、金屬等許多材料薄膜淀積與刻蝕技術(shù),都在集成電路芯片制造技術(shù)需求推動下研發(fā)成功,并不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，在多個領(lǐng)域獲得應(yīng)用。引人一種新材料,常使器件性能與制造技術(shù)發(fā)生重大變化，如高k介質(zhì)、SiGe合金半導(dǎo)體等。

1.4.4 自對準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)和工藝形成微結(jié)構(gòu)的重要途徑

集成電路芯片制造技術(shù)發(fā)展過程中，在精密圖形光刻設(shè)備和工藝不斷完善和創(chuàng)新的同時,形成微結(jié)構(gòu)的另一重要途徑,是自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與工藝技術(shù)。雖然集成芯片的基本圖形布局及結(jié)構(gòu)，必須由多層次光刻與其他工藝結(jié)合形成,但不同層次光刻圖形之間的對準(zhǔn)，難免存在一些偏移,因而影響器件性能優(yōu)化。自對準(zhǔn)工藝技術(shù)則可在不同層次、區(qū)域間形成自相對準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。柵、源、漏3個區(qū)域自對準(zhǔn)的MOS晶體管制備工藝，就是一個極好范例,它在絕緣柵場效應(yīng)集成芯片制造技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

自對準(zhǔn)器件工藝都是應(yīng)用某些物理、化學(xué)基本原理與不同材料物質(zhì)特性,形成具有特定器件功能的微結(jié)構(gòu)。自對準(zhǔn)MOS器件制造工藝，就是利用多晶硅的高溫穩(wěn)定性和離子注人摻雜原理,經(jīng)過一次多晶硅薄膜柵光刻和離子注人，就可形成MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)。這種自對準(zhǔn)工藝成為MOS集成器件從毫米逐步縮微到納米量級的關(guān)鍵技術(shù)。隨著MOS器件自對準(zhǔn)工藝的成功,也以多晶硅與離子注人等技術(shù)密切結(jié)合，開發(fā)成功自對準(zhǔn)雙極晶體管制造工藝，經(jīng)過一次圖形光刻,可以形成基區(qū)、發(fā)射區(qū)以及它們的接觸區(qū)。這種自對準(zhǔn)工藝,也成為提高雙極型集成芯片集成度與速度的關(guān)鍵途徑。在本書討論集成芯片制造流程的相關(guān)章節(jié)中，可見還有多種其他精細(xì)微結(jié)構(gòu),也需采用自對準(zhǔn)工藝形成。例如，利用介質(zhì)薄膜淀積和隨后定向干法刻蝕，可以在多晶硅周邊形成垂直邊墻，從而可對源漏區(qū)域進(jìn)行相互對準(zhǔn)的濃度差別摻雜。又如,利用金屬/硅固相反應(yīng)與液相腐蝕兩種選擇性化學(xué)作用原理,可以在硅集成芯片上特定區(qū)域,形成自對準(zhǔn)的金屬硅化物低電阻接觸。多種自對準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)及工藝，對高性能集成芯片制造技術(shù)進(jìn)步，常發(fā)揮無法替代的關(guān)鍵作用。正在演進(jìn)中的納米器件加工技術(shù)，必將進(jìn)一步發(fā)展新型自對準(zhǔn)和自組織器件工藝。

1.4.5 集成芯片制造——多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的有機結(jié)合

硅片微細(xì)加工工藝在要求應(yīng)用超純材料的同時,還必須在超凈環(huán)境中進(jìn)行,而且對凈化級別要求越來越高。現(xiàn)今硅片加工設(shè)備,都是由計算機控制的高度自動化精密機械裝置。集成電路制造必須與計算機輔助設(shè)計(CAD)、器件與工藝計算機模擬分析、計算機輔助測試(CAT)等數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)密切結(jié)合。這些系統(tǒng)的硬件與軟件，在集成電路演進(jìn)過程中一直不斷優(yōu)化與升級。芯片封裝與可靠性技術(shù)，需要與芯片制造技術(shù)演進(jìn)密切結(jié)合、集成,隨著芯片集成度增長，也不斷升級換代,其發(fā)展也依賴引進(jìn)多種新材料、新技術(shù)。

圖1.6顯示集成電路芯片微細(xì)加工工藝與這些主要支撐技術(shù)之間的密切關(guān)系。這些技術(shù)也一代又一代不斷改進(jìn)、優(yōu)化，以適應(yīng)持續(xù)創(chuàng)新、演進(jìn)的芯片縮微加工技術(shù)需求。隨著集成芯片制造技術(shù)快速演進(jìn)，相關(guān)加工設(shè)備、儀器、材料研制與生產(chǎn)也相應(yīng)不斷演變，逐漸建立起一系列支撐集成電路發(fā)展的設(shè)計、封裝、測試、裝備、材料等專業(yè)化技術(shù)產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)今硅集成芯片制造與多種上下游支撐產(chǎn)業(yè)有機結(jié)合,已成為富有創(chuàng)新活力、持續(xù)快速發(fā)展的宏大半導(dǎo)體先進(jìn)科技產(chǎn)業(yè)體系。

半導(dǎo)體器件微細(xì)加工工藝是一種高度動態(tài)演進(jìn)的技術(shù)，隨著器件微小型化而不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，形成一代又一代新工藝。發(fā)展新一代器件工藝，就需要在前一代工藝基礎(chǔ)上，更新某些關(guān)鍵晶體管及互連工藝，并建立起新的工藝集成體系。為了建立一代新工藝，總是需要研制開發(fā)一代新材料和新設(shè)備。由深亞微米向納米CMOS工藝發(fā)展，必須通過工藝、材料、設(shè)備的許多變革，以突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件制造技術(shù)中的某些極限。這就需要在微細(xì)加工工藝技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)上述特點進(jìn)行更多創(chuàng)新研究和開發(fā)工作。在亞10 nm集成芯片制造技術(shù)演進(jìn)中，更加依賴光刻、薄膜等新型加工設(shè)備與材料技術(shù)的新突破。