微细加工工艺集成电路技术进步途径

集成电路单元器件持续微小型化，是靠从微米到纳米不断创新的微细加工工艺技术实现的。自从集成电路发明以来，逐步建立了人类生产制造发展史上一种全新的加工技术半导体微细精密加工工艺。半导体微细加工工艺,是由物理、化学、真空、薄膜等多种科学技术领域交叉与融合发展形成的新型技术学科。它与机械等传统加工技术不同。它是通过氧化生长、图形光刻、元素掺杂、薄膜淀积、材料刻蚀等多种物理和化学过程,在硅片或其他衬底上形成各种不同性质的微区结构，从而形成具有特定功能的各种电子器件。器件微小型化所达到的水平是微细加工工艺技术进步的标志，因而常用微米、亚微米、深亚微米、亚0.1微米、纳米等来形容其不同时期所达到的技术水平。本书各章节将分别讨论分析集成芯片主要微细加工工艺及其物理化学原理，本节概要分析说明微细加工工艺的主要技术特征。

1.4.1 物质科学成果微细加工工艺技术的基础

微细加工工艺是在实现集成器件微小型化目标推动下逐步建立起来的，其发展一方面源于半导体器件与集成电路技术演进需求,另一方面源于20世纪以来现代物理、化学、材料等物质基础科学的一系列研究成果,两者紧密结合,促使这种全新加工技术面世与快速发展。回顾分析集成电路面世以来微细加工制造技术的变迁与优化,可知这是不断把物质科学研究成果转化为精密微细加工技术的过程。例如,在离子与固体原子相互作用规律基础上.发展成功离子注入掺杂技术,在几何光学与物理光学规律基础上,发展了多代不断改进的图形光刻技术,在低能等离子体物理研究成果基础上,发展了多种等离子体加工技术,应用真空科学与材料科学成果,发展了从蒸发到原子层淀积多种固体薄膜制造技术,等等。集成芯片制造应用的微细加工工艺,都是现代物理等物质科学成果的技术结晶。

半导体等固体科学与器件物理是微结构技术进步的基石。硅集成芯片制造技术,从一开始就是根据半导体器件原理,为实现有序微结构器件制作要求而逐步形成的。随着单元器件尺寸持续缩微,器件结构中的许多物理问题需要不断深入研究,其研究结果促使微细加工工艺持续创新。近年在硅与其他半导体异质结构研究基础上,正在为硅集成芯片制造开辟新途径。例如,在PMOS与NMOS器件中分别应用SiGe/Si、SiC/Si异质结构形成晶体管源漏区,发展成功高迁移率应变沟道工艺,在纳米CMOS制造技术发展中发挥重要作用。未来纳米集成芯片制造技术的新发展,仍将依赖半导体科学研究的新成果。正在活跃研究的多种单质与化合物二维新型薄膜半导体,将有可能为纳米微结构器件制作技术拓展新方向。

1.4.2 能束技术微细加工工艺的核心技术

电子束、离子束、激光束和等离子体等多种能束(energybeam)技术，先后被引入集成芯片制造工艺,得到越来越多应用，成为先进微细加工工艺的核心技术。半导体器件制造工艺的关键问题,是如何在越来越大的硅片上,形成越来越小的微细尺寸图形,并进行微区刻蚀、微区掺杂、微区改性等加工,进而形成功能器件微结构。在集成芯片技术快速演进过程中，正是应用这些20世纪先进科学技术成果，开发成功一系列硅片精密微细加工工艺，用于实现各种愈益精细微区器件制作。

进入超大规模集成电路发展阶段后,电子束图形发生器就开始用于制造线条越来越细的精密光刻掩模版。应用波长越来越短的紫外光束,实现愈益缩微图形光刻,不断改进的准分子深紫外激光束技术，成功用于深亚微米与纳米集成芯片光刻。多年大力研发的极紫外激光束(即软X射线)已开始用于7nm与更精细技术代芯片线条光刻。集成芯片上掺杂元素、浓度、深度各异的晶体管微结构，都可应用离子束注入技术实现。各种波长激光束扫描辐照技术正在用于超浅结器件退火与其他精密加工。20世纪70年代后等离子体技术用于多种薄膜淀积与刻蚀工艺，成为形成各种芯片精密结构的有效工具。这些能束不仅成功用于微细加工，由电子束、离子束、光束制造的各种显微镜、离子分析探针等多种精密测试仪器,也是表征、分析芯片及微加工效能的必要工具。而且这些能束微细加工与测试技术,随着器件微小型化进程，总是不断创新与升级换代。

1.4.3 微细加工工艺进步依赖多种新材料研发

半导体集成芯片制造技术的创新,在很大程度上依赖于多种材料技术进步。不断引进和应用新材料，是微细加工工艺发展的主要特点之一。例如,在器件最小尺寸接近0.1um时，晶体管和集成电路分析表明，互连线寄生电阻电容造成的信号传输时间延迟，已超过有源器件本征时延,成为决定器件速度的主要因素，因而引起集成电路互连工艺重大变革，铜取代铝成为互连的主要金属材料,铜镶嵌工艺取代了铝刻蚀工艺,并且同时要求以低k介质取代一般SiO2作为金属间绝缘材料。

晶体管效应最早在锗衬底上发现,其后晶体管和集成电路的迅速发展,主要得益于硅单取代一般SiO:作为金属间绝缘材料。晶材料制备技术进步。一代又一代器件微细加工工艺，总是需要硅晶体材料技术的相应变化和创新。从小规模到极大规模集成,芯片制造涉及越来越多的元素与材料。现今集成电路制造与化学周期表中很大部分元素都有密切关系。有的需要应用，有的则要求清除至最低浓度。微细加工工艺中需要应用越来越多的各种元素或其化合物,如硼、磷、砷、锗、铝、铜、钨、钴、镍、钛,还有各类气体、多种氧化物、氮化物、金属硅化物,以及多种化学试剂与有机化合物等。高纯度是对微细加工工艺所用材料的共同要求,且随着器件微小型化,对纯度要求越来越高。所用许多材料中的杂质含量要求降到Ppb量级,甚至更小。集成电路中所用材料有些已接近甚至达到其性能极限。例如,SiO2作为栅介质厚度在器件尺寸缩微的进程中,早已接近其可应用极限,因而需要研究与应用可替代的高k介质材料。半导体微细加工技术的强劲发展极大地推动了薄膜材料技术进步。半导体、介质、金属等许多材料薄膜淀积与刻蚀技术,都在集成电路芯片制造技术需求推动下研发成功,并不断改进与创新，在多个领域获得应用。引人一种新材料,常使器件性能与制造技术发生重大变化，如高k介质、SiGe合金半导体等。

1.4.4 自对准器件结构和工艺形成微结构的重要途径

集成电路芯片制造技术发展过程中，在精密图形光刻设备和工艺不断完善和创新的同时,形成微结构的另一重要途径,是自对准结构与工艺技术。虽然集成芯片的基本图形布局及结构，必须由多层次光刻与其他工艺结合形成,但不同层次光刻图形之间的对准，难免存在一些偏移,因而影响器件性能优化。自对准工艺技术则可在不同层次、区域间形成自相对准的结构。栅、源、漏3个区域自对准的MOS晶体管制备工艺，就是一个极好范例,它在绝缘栅场效应集成芯片制造技术发展中发挥了关键作用。

自对准器件工艺都是应用某些物理、化学基本原理与不同材料物质特性,形成具有特定器件功能的微结构。自对准MOS器件制造工艺，就是利用多晶硅的高温稳定性和离子注人掺杂原理,经过一次多晶硅薄膜栅光刻和离子注人，就可形成MOS晶体管基本结构。这种自对准工艺成为MOS集成器件从毫米逐步缩微到纳米量级的关键技术。随着MOS器件自对准工艺的成功,也以多晶硅与离子注人等技术密切结合，开发成功自对准双极晶体管制造工艺，经过一次图形光刻,可以形成基区、发射区以及它们的接触区。这种自对准工艺,也成为提高双极型集成芯片集成度与速度的关键途径。在本书讨论集成芯片制造流程的相关章节中，可见还有多种其他精细微结构,也需采用自对准工艺形成。例如，利用介质薄膜淀积和随后定向干法刻蚀，可以在多晶硅周边形成垂直边墙，从而可对源漏区域进行相互对准的浓度差别掺杂。又如,利用金属/硅固相反应与液相腐蚀两种选择性化学作用原理,可以在硅集成芯片上特定区域,形成自对准的金属硅化物低电阻接触。多种自对准器件结构及工艺，对高性能集成芯片制造技术进步，常发挥无法替代的关键作用。正在演进中的纳米器件加工技术，必将进一步发展新型自对准和自组织器件工艺。

1.4.5 集成芯片制造——多种现代科学技术的有机结合

硅片微细加工工艺在要求应用超纯材料的同时,还必须在超净环境中进行,而且对净化级别要求越来越高。现今硅片加工设备,都是由计算机控制的高度自动化精密机械装置。集成电路制造必须与计算机辅助设计(CAD)、器件与工艺计算机模拟分析、计算机辅助测试(CAT)等数字化系统技术密切结合。这些系统的硬件与软件，在集成电路演进过程中一直不断优化与升级。芯片封装与可靠性技术，需要与芯片制造技术演进密切结合、集成,随着芯片集成度增长，也不断升级换代,其发展也依赖引进多种新材料、新技术。

图1.6显示集成电路芯片微细加工工艺与这些主要支撑技术之间的密切关系。这些技术也一代又一代不断改进、优化，以适应持续创新、演进的芯片缩微加工技术需求。随着集成芯片制造技术快速演进，相关加工设备、仪器、材料研制与生产也相应不断演变，逐渐建立起一系列支撑集成电路发展的设计、封装、测试、装备、材料等专业化技术产业。现今硅集成芯片制造与多种上下游支撑产业有机结合,已成为富有创新活力、持续快速发展的宏大半导体先进科技产业体系。

半导体器件微细加工工艺是一种高度动态演进的技术，随着器件微小型化而不断改进、创新，形成一代又一代新工艺。发展新一代器件工艺，就需要在前一代工艺基础上，更新某些关键晶体管及互连工艺，并建立起新的工艺集成体系。为了建立一代新工艺，总是需要研制开发一代新材料和新设备。由深亚微米向纳米CMOS工艺发展，必须通过工艺、材料、设备的许多变革，以突破传统半导体器件制造技术中的某些极限。这就需要在微细加工工艺技术领域，根据上述特点进行更多创新研究和开发工作。在亚10 nm集成芯片制造技术演进中，更加依赖光刻、薄膜等新型加工设备与材料技术的新突破。