前段制程FEOL—晶圆上的元件制程

此节以半导体的代表，CMOS-半导体为例，对前段制程FEOL进行详细说明。此说明将依照FEOL主要制程的剖面构造模型，说明非常详细，但一开始先掌握大概即可。前段制程的前半为“FEOL制程”

1.准备一块直径300 m m（12英寸）、厚0•775mm、双面镜面研磨的p型矽晶圆。

2.将矽晶圆洗净，加热，经由加热氧化法使矽（Si）与氧（o₂）产生反应，形成二氧化矽（SiO4）膜，接着以矽烷（SiH4）与氨气进行气相反应，生成矽氮化（Si3N4）膜（CVD：将晶圆放入化学反应器，并将预计成膜的气体流入，使薄膜发生堆积的方法）。

3.在矽晶圆表面涂上称为光阻的感光性树脂材料，用氟化氢（ArF）准分子雷射激光器透过光罩照射晶圆，将光罩上的图样缩小成1/4转印在晶圆上。光罩亦可称为Reticle，为用络（Cr）薄膜，将欲转印的图样的四倍尺寸大小的图样形成在石英板上，分子雷射激光器在有铬金属的位置被遮蔽、石英部分则可以穿透。

4.借由显像处理，可在光阻上形成图样。制程③及④合称为“黄光微影制程”。

5.以光阻形成的图样做为遮罩，依次序将Si3N4膜、SiO2膜、Si表面进行干式蚀刻，在矽基板表面形成“浅沟”。

6.将光阻剥离后，在洗净的晶圆上以SiH4及O2的CVD堆积上较厚的SiO2膜。

7.以化学机械研磨（CMP）法对较厚的SiO2，膜进行研磨，形成浅沟内埋藏有SiO2膜的构造。

8.将Si3N4以蚀刻全部去除并洗净，透过黄光微影制程，将基底图样一部分以光阻覆盖，剩余部份则在基板表面注入磷（P）离子，形成打入式n型导电性区域的“n-well（电子井）”。

9.在光阻剥除后，将晶圆表面的SiO2膜去除，并将清洗的晶圆重新加热氧化，使长成闸极绝缘层（SiO2）。

10.借由CVD法，将SiH4气体在氮气（N2）中热分解，以长成多晶矽（Poly-Si）。

11.以黄光微影法在多晶矽（Poly-Si）上形成图案，并在“闸极电极”形成后，以黄光微影制程将基底图案的一部分以光阻遮盖，剩下的部分则注入磷离子，形成与闸极电极自动对准性（self-align）的n-通道MOS电晶体的源极与汲极n型区域。接着，以同样的制程，将硼（B）离子与闸极电极自动对准的方式注入，形成p-通道MOS电晶体的源极与汲极 p型区域。

12.经光阻剥除，清洗，以CVD法长成整面的厚型SiO2膜，并以高度非等向性干式蚀刻，使电极侧面形成SiO2侧墙”。

13.以光阻覆盖p-通道MOS电晶体的部分，以砷（As）对侧墙进行自动对准的离子注入，形成n-通道MOS电晶体的源极与汲极n+区域（n型不纯物浓度较高的区域）。接着，以同样的制程，以硼（B）对侧墙进行自动对准的离子注入，形成P-通道MOS电晶体的源极与汲极p+区域（p型不纯物浓度较高的区域）。

14.将镍（Ni）以溅镀方式在整面晶圆上形成，并进行热处理，在矽基板表面及闸极多晶矽（Poly-Si）接触的部分，镍与矽反应成二矽化镍（NiSi2），其余的部分则维持镍的型态。

15.将晶圆浸入稀氟酸（DHF）中，镍溶解、二矽化镍保留，闸极多晶矽、源极、汲极区域的表面也保留自动对准的NiSi2膜构造。此为“自动对准式矽”的意思，简称为“金属矽化”。

16.以CVD法在整个晶圆表面堆积一层厚厚的二氧化矽膜（SiO2膜），再以CMP法将表面研磨，呈现完全平坦。

以上为前段制程FEOL的主要制程。

制程看起来非常复杂繁琐，各位读者可以先简单认知为，这是为了达成“在矽晶圆上做出各种元件的制程”目的，前段所需要的各种操作。

 

审核编辑：刘清