集成電路單元器件持續微小型化，是靠從微米到納米不斷創新的微細加工工藝技術實現的。自從集成電路發明以來，逐步建立了人類生產制造發展史上一種全新的加工技術半導體微細精密加工工藝。半導體微細加工工藝,是由物理、化學、真空、薄膜等多種科學技術領域交叉與融合發展形成的新型技術學科。它與機械等傳統加工技術不同。它是通過氧化生長、圖形光刻、元素摻雜、薄膜淀積、材料刻蝕等多種物理和化學過程,在硅片或其他襯底上形成各種不同性質的微區結構，從而形成具有特定功能的各種電子器件。器件微小型化所達到的水平是微細加工工藝技術進步的標志，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到的技術水平。本書各章節將分別討論分析集成芯片主要微細加工工藝及其物理化學原理，本節概要分析說明微細加工工藝的主要技術特征。

1.4.1 物質科學成果微細加工工藝技術的基礎

微細加工工藝是在實現集成器件微小型化目標推動下逐步建立起來的，其發展一方面源于半導體器件與集成電路技術演進需求,另一方面源于20世紀以來現代物理、化學、材料等物質基礎科學的一系列研究成果,兩者緊密結合,促使這種全新加工技術面世與快速發展?；仡櫡治黾呻娐访媸酪詠砦⒓毤庸ぶ圃旒夹g的變遷與優化,可知這是不斷把物質科學研究成果轉化為精密微細加工技術的過程。例如,在離子與固體原子相互作用規律基礎上.發展成功離子注入摻雜技術,在幾何光學與物理光學規律基礎上,發展了多代不斷改進的圖形光刻技術,在低能等離子體物理研究成果基礎上,發展了多種等離子體加工技術,應用真空科學與材料科學成果,發展了從蒸發到原子層淀積多種固體薄膜制造技術,等等。集成芯片制造應用的微細加工工藝,都是現代物理等物質科學成果的技術結晶。

半導體等固體科學與器件物理是微結構技術進步的基石。硅集成芯片制造技術,從一開始就是根據半導體器件原理,為實現有序微結構器件制作要求而逐步形成的。隨著單元器件尺寸持續縮微,器件結構中的許多物理問題需要不斷深入研究,其研究結果促使微細加工工藝持續創新。近年在硅與其他半導體異質結構研究基礎上,正在為硅集成芯片制造開辟新途徑。例如,在PMOS與NMOS器件中分別應用SiGe/Si、SiC/Si異質結構形成晶體管源漏區,發展成功高遷移率應變溝道工藝,在納米CMOS制造技術發展中發揮重要作用。未來納米集成芯片制造技術的新發展,仍將依賴半導體科學研究的新成果。正在活躍研究的多種單質與化合物二維新型薄膜半導體,將有可能為納米微結構器件制作技術拓展新方向。

1.4.2 能束技術微細加工工藝的核心技術

電子束、離子束、激光束和等離子體等多種能束(energybeam)技術，先后被引入集成芯片制造工藝,得到越來越多應用，成為先進微細加工工藝的核心技術。半導體器件制造工藝的關鍵問題,是如何在越來越大的硅片上,形成越來越小的微細尺寸圖形,并進行微區刻蝕、微區摻雜、微區改性等加工,進而形成功能器件微結構。在集成芯片技術快速演進過程中，正是應用這些20世紀先進科學技術成果，開發成功一系列硅片精密微細加工工藝，用于實現各種愈益精細微區器件制作。

進入超大規模集成電路發展階段后,電子束圖形發生器就開始用于制造線條越來越細的精密光刻掩模版。應用波長越來越短的紫外光束,實現愈益縮微圖形光刻,不斷改進的準分子深紫外激光束技術，成功用于深亞微米與納米集成芯片光刻。多年大力研發的極紫外激光束(即軟X射線)已開始用于7nm與更精細技術代芯片線條光刻。集成芯片上摻雜元素、濃度、深度各異的晶體管微結構，都可應用離子束注入技術實現。各種波長激光束掃描輻照技術正在用于超淺結器件退火與其他精密加工。20世紀70年代后等離子體技術用于多種薄膜淀積與刻蝕工藝，成為形成各種芯片精密結構的有效工具。這些能束不僅成功用于微細加工，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。而且這些能束微細加工與測試技術,隨著器件微小型化進程，總是不斷創新與升級換代。

1.4.3 微細加工工藝進步依賴多種新材料研發

半導體集成芯片制造技術的創新,在很大程度上依賴于多種材料技術進步。不斷引進和應用新材料，是微細加工工藝發展的主要特點之一。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介質取代一般SiO2作為金屬間絕緣材料。

晶體管效應最早在鍺襯底上發現,其后晶體管和集成電路的迅速發展,主要得益于硅單取代一般SiO:作為金屬間絕緣材料。晶材料制備技術進步。一代又一代器件微細加工工藝，總是需要硅晶體材料技術的相應變化和創新。從小規模到極大規模集成,芯片制造涉及越來越多的元素與材料。現今集成電路制造與化學周期表中很大部分元素都有密切關系。有的需要應用，有的則要求清除至最低濃度。微細加工工藝中需要應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,以及多種化學試劑與有機化合物等。高純度是對微細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到其性能極限。例如,SiO2作為柵介質厚度在器件尺寸縮微的進程中,早已接近其可應用極限,因而需要研究與應用可替代的高k介質材料。半導體微細加工技術的強勁發展極大地推動了薄膜材料技術進步。半導體、介質、金屬等許多材料薄膜淀積與刻蝕技術,都在集成電路芯片制造技術需求推動下研發成功,并不斷改進與創新，在多個領域獲得應用。引人一種新材料,常使器件性能與制造技術發生重大變化，如高k介質、SiGe合金半導體等。

1.4.4 自對準器件結構和工藝形成微結構的重要途徑

集成電路芯片制造技術發展過程中，在精密圖形光刻設備和工藝不斷完善和創新的同時,形成微結構的另一重要途徑,是自對準結構與工藝技術。雖然集成芯片的基本圖形布局及結構，必須由多層次光刻與其他工藝結合形成,但不同層次光刻圖形之間的對準，難免存在一些偏移,因而影響器件性能優化。自對準工藝技術則可在不同層次、區域間形成自相對準的結構。柵、源、漏3個區域自對準的MOS晶體管制備工藝，就是一個極好范例,它在絕緣柵場效應集成芯片制造技術發展中發揮了關鍵作用。

自對準器件工藝都是應用某些物理、化學基本原理與不同材料物質特性,形成具有特定器件功能的微結構。自對準MOS器件制造工藝，就是利用多晶硅的高溫穩定性和離子注人摻雜原理,經過一次多晶硅薄膜柵光刻和離子注人，就可形成MOS晶體管基本結構。這種自對準工藝成為MOS集成器件從毫米逐步縮微到納米量級的關鍵技術。隨著MOS器件自對準工藝的成功,也以多晶硅與離子注人等技術密切結合，開發成功自對準雙極晶體管制造工藝，經過一次圖形光刻,可以形成基區、發射區以及它們的接觸區。這種自對準工藝,也成為提高雙極型集成芯片集成度與速度的關鍵途徑。在本書討論集成芯片制造流程的相關章節中，可見還有多種其他精細微結構,也需采用自對準工藝形成。例如，利用介質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，從而可對源漏區域進行相互對準的濃度差別摻雜。又如,利用金屬/硅固相反應與液相腐蝕兩種選擇性化學作用原理,可以在硅集成芯片上特定區域,形成自對準的金屬硅化物低電阻接觸。多種自對準器件結構及工藝，對高性能集成芯片制造技術進步，常發揮無法替代的關鍵作用。正在演進中的納米器件加工技術，必將進一步發展新型自對準和自組織器件工藝。

1.4.5 集成芯片制造——多種現代科學技術的有機結合

硅片微細加工工藝在要求應用超純材料的同時,還必須在超凈環境中進行,而且對凈化級別要求越來越高。現今硅片加工設備,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計(CAD)、器件與工藝計算機模擬分析、計算機輔助測試(CAT)等數字化系統技術密切結合。這些系統的硬件與軟件，在集成電路演進過程中一直不斷優化與升級。芯片封裝與可靠性技術，需要與芯片制造技術演進密切結合、集成,隨著芯片集成度增長，也不斷升級換代,其發展也依賴引進多種新材料、新技術。

圖1.6顯示集成電路芯片微細加工工藝與這些主要支撐技術之間的密切關系。這些技術也一代又一代不斷改進、優化，以適應持續創新、演進的芯片縮微加工技術需求。隨著集成芯片制造技術快速演進，相關加工設備、儀器、材料研制與生產也相應不斷演變，逐漸建立起一系列支撐集成電路發展的設計、封裝、測試、裝備、材料等專業化技術產業?，F今硅集成芯片制造與多種上下游支撐產業有機結合,已成為富有創新活力、持續快速發展的宏大半導體先進科技產業體系。

半導體器件微細加工工藝是一種高度動態演進的技術，隨著器件微小型化而不斷改進、創新，形成一代又一代新工藝。發展新一代器件工藝，就需要在前一代工藝基礎上，更新某些關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，總是需要研制開發一代新材料和新設備。由深亞微米向納米CMOS工藝發展，必須通過工藝、材料、設備的許多變革，以突破傳統半導體器件制造技術中的某些極限。這就需要在微細加工工藝技術領域，根據上述特點進行更多創新研究和開發工作。在亞10 nm集成芯片制造技術演進中，更加依賴光刻、薄膜等新型加工設備與材料技術的新突破。