模拟集成：CMOS工艺--晶圆、光刻、氧化、离子注入等

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1、写在前面的话

这个专题主要讲讲CMOS模拟集成学习中的一些事情，大多数内容涉及到一个芯片是如何设计和制作出来的，属于特别底层的东西，这些东西往往是核心技术，国内的软件行业发展已经特别领先了，但在底层方面，潜力十分的大，本身也是学这个的，就当复习了。这篇博客主要讲讲CMOS的工艺技术，涉及到了IC是如何制作出来的，实践中，如果懂这些，其实也就明白了来源，结合使用CPU的技能，这两样东西会越来越熟。

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2、简述

现代CMOS工艺包括了200多道工序，不可能一道道的解释，这里只把这些工艺归为以下类别：
01 生产适当类型的衬底的晶圆制造工艺。
02 精确定位每个区域的光刻工艺。
03 向晶圆中添加材料的氧化、沉淀和离子的注入工艺。
04 从晶圆上去除材料的刻蚀工艺
备注：在集成电路中，工艺层的电阻率和厚度由其制作材料和工艺决定，在版图设计中是无法改变的，可以通过公式计算。

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3、晶圆工艺

晶圆是用来制作衬底的，CMOS开始时的工艺所使用的晶圆必须是高质量制造的，是含有极少杂志的单晶硅体，并且必须加入一些适当的浓度杂质来满足电阻率的要求。

数据：Silicon Wafer
单晶生长柱状晶体：直径75~300mm，长度1m。
在晶体生长时参杂：~ 10的15次方/cm3
切割成硅晶圆片0.5~0.7 mm厚

制作：切克劳斯基法（Czochralski method）。

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4、光刻工艺

光刻是把电路版图信息转移到晶圆上的第一步，处于制造的目的，分了很多层，比如：n阱层、有源区、多晶、接触孔、金属1等等。

概念：
01 掩模–和版图数据相对应，使光刻胶部分区域曝光。
02 光刻胶–在紫外光下会改变性能的有机聚合体。
正胶—暴露在紫外光下的区域将会去除。
负胶—未暴露在紫外光下的区域将会去除。

步骤：如下图所示（n阱为例）
01 精确控制电子束将版图图形“写”在透明玻璃的“掩模版”上。
02 在晶圆衬底上涂上一薄层光照后刻蚀特性会发生变化的“光刻胶”（涂光刻胶之前其实还要生长一层很薄的氧化层来保护晶圆表面）。
03 将掩模版放在晶圆上方，利用紫外线将图形投影到晶圆上，使得曝光区域的光刻胶“变硬”，不透光区域的光刻胶保持“松软”。
04 将晶圆衬底放到腐蚀剂中，去除“松软”的光刻胶，从而暴露出下方的硅表面。
05 这样就可以在暴露出其下方的硅表面区域制作n阱了，这一系列的流程称为一次光刻流程。

备注：
01 每一层光刻相关的流程都需要一块掩模版和三道工序，也即是：在晶圆上涂光刻胶、对准掩模版并进行曝光、刻蚀曝光后的光刻胶。
02 在一个生产中所用到的掩模版的数目严重影响了整体的造价，并最终影响了芯片的单价。因为一块掩模版价值数千美元，同时必要的精确度使光刻是一个缓慢而昂贵的作业。
03 实际上，CMOS技术最初的吸引力就是因为其相对较少的掩模版数目（7块左右），虽然现代的CMOS工艺掩模版数目约30块左右，但是，每块IC的价格依然不高，因为晶圆上每单位面积中晶体管的数目和晶圆的尺寸始终都在增加。

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5、氧化工艺

在硅表面形成二氧化硅的工艺，这是利用硅的一个特性：可以在硅的表面生成非常均匀的氧化层，并且几乎不会在晶格中产生应力，使得制作的氧化层薄到几十埃（埃是0.1纳米）。

用途：
01 栅介质–层与层之间的隔离。
02 保护层–阻挡杂质对氧化层下材料的粘污。
03 互连线–在器件之间的区域，生成一种“场氧”的SiO2层，为后面工序制作互连线提供基础。

方式:：
干法（薄氧100~1000 Å）
湿法（厚氧） 生长的温度：700~1100 ℃

备注：制作栅氧化层是一道非常重要的工序，因为氧化层的厚度tox直接决定了晶体管的电流驱动能力和可靠性（之后说到MOSFET器件特性的时候说），所以其精度必须控制在几个百分点之内。例如在晶圆上相差20cm的两个晶体管（晶圆大小一般12寸，就是30cm），它们的氧化层厚度差必须小于几个埃，这就要求整个晶圆的氧化层厚度要有极高的均匀性，并因此要求氧化层缓慢生长。此外，氧化层下面的硅表面的“清洁程度”也会影响电荷载流子的迁移率，从而影响晶体管的电流驱动能力、跨导和噪声。

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6、离子注入

通过将杂质原子加速变为高能离子束，再轰击晶圆表面而使杂质注入无掩模区域实现的，如下图所示。

说明：掺杂浓度由注入密度和注入时间决定的，掺杂区域的深度是由离子束的能量决定的。

备注：
01 离子注入的另一个作用是：沟道阻断注入（可以查找资料看下）。
02 离子注入会严重的破坏硅的晶格，因此，注入后通常将硅片在大约1000摄氏度下加入15~30min，以使晶格键再次形成。这道工序被称为退火，它同时会引起杂质扩散，使杂质分布在各个方向展宽。比如：退火后会导致源/漏区横向扩散，形成与栅覆盖区域的交叠，故一般在所有的注入都完成以后，对晶圆仅退火一次。
03 另外，还有一个“沟道效应”的问题需要注意，大概就是要倾斜7度~9度进行注入，达到预期的掺杂浓度分布曲线。

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7、淀积与刻蚀

概念：
01 淀积–把多种不同材料的薄膜层沉积到材料表面，包括生长氧化物，多晶硅等各种物质。常使用“化学气相淀法”实现。
02 刻蚀–去除被暴露材料（未保护），主要是为了去除光刻胶，多晶硅，氧化物等。常用有三种方法：湿法刻蚀、等离子刻蚀和反应离子刻蚀。

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