CMOS 工艺集成

CMOS Process Integration也称 CMOS集成流程、互补MOS工艺整合

把隔离、阱、栅、源漏、接触和互连按结构依赖组织成相容的制造流程。

进阶出处 3 本教材

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速览

约 1 分钟

先看目标截面，再问每一步需要什么已经存在、会改变什么、必须保留什么；工艺整合不是按名称背诵若干单工序。

系统理解

约 2 分钟

CMOS器件由多个选择性模块共同形成。阱和隔离建立器件环境，已图形化的栅或占位栅为源漏自对准提供几何参考，侧墙和注入塑造不同掺杂区，退火要兼顾修复与扩散，接触和平坦化把器件交给后续互连。传统多晶硅栅与替代金属栅的材料时机不同，说明满足目标截面可以有多种路线。集成判断应同时检查顺序、材料、几何和电性条件。

复用FEOL/BEOL、氧化、刻蚀、掺杂与CMP节点，在本页聚焦模块衔接、结构依赖及隔离结果。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
目标截面与端口	—	明确最终需要得到的结构和连接
先后依赖	—	说明哪个几何或材料必须先存在
热与材料相容	—	已形成结构能否承受后续处理
模块交付条件	—	包含表面形貌、界面和所需电性

常见误区

把单工序排成列表就得到可投产流程。
同一最终截面只能由唯一流程得到。
源漏、栅与退火步骤可任意交换。

工程深入

12 条结论

从目标截面到模块

定义

工艺集成把多个操作组织成满足器件目标的依赖流程

CMOS工艺集成要把隔离、阱、栅、源漏、接触与互连等操作组合成可实现目标截面的流程。单个步骤能够完成不等于整条流程已相容，步骤留下的材料和几何会成为下一步骤的输入。^{1, 2}

成立条件 针对明确器件结构和工艺路线。；同样的最终功能不要求所有厂商采用完全相同细节。

机制

设计图形需要通过材料选择和图形转移变成截面

掩模给出选择性加工的几何信息，但形成器件还需要薄膜、光刻、刻蚀或掺杂等配合。相同图形位于不同材料堆叠上会经历不同加工，因此不能只凭掩模层数解释完整制造流程。^{1, 3}

成立条件 图形转移依赖材料、选择性与加工条件。；本页复用光刻和刻蚀基础，不另写设备配方。

边界

一个流程图应同时说明它代表的器件代际和栅方案

传统多晶硅栅、替代金属栅以及FinFET路线可共享部分基础操作，但关键材料引入时机与结构不同。教学流程应标明代表路线，不把其中的步骤列表写成所有CMOS的唯一顺序。^{1, 2}

成立条件 比较的是实际结构与材料时机，不按名称简单新旧排序。；具体模块是否保留由目标工艺决定。

阱栅与源漏衔接

机制

阱与极性选择为后续NMOS和PMOS建立不同环境

互补器件需要在适当体区中形成相应源漏与沟道。阱、阈值调节和源漏掺杂的选择性步骤承担不同作用，不能因为它们都使用离子注入就合并为一次通用掺杂。^{1, 2}

成立条件 针对所述体硅双阱示例，其他阱方案另行说明。；本条不重复离子能量或剂量的单工序原理。

机制

自对准把已形成的栅边缘用作后续源漏位置参考

在所述自对准流程中，先形成的栅结构参与遮挡后续源漏注入，从而把源漏边界与栅边缘直接关联。这个依赖使栅和注入步骤不能任意交换，也不意味着所有几何误差都被消除。^{1, 3}

成立条件 限定为具有相应遮挡作用的栅或占位栅。；栅图形、侧墙和后续扩散仍会影响实际结位置。

机制

浅延伸区和侧墙后的深源漏注入有不同整合目标

浅延伸区与较深、较重掺杂的源漏承担电场控制和导电需求的不同部分。侧墙使后续深注入相对栅边缘退开；把所有注入只按总剂量相加，会丢失这些空间结构。^{1, 3}

成立条件 针对本页所选LDD与侧墙流程。；具体注入和侧墙顺序、材料需按实际路线核对。

材料相容与后续连接

边界

退火既要修复激活也要限制不希望的结构变化

注入后的热处理有助于修复损伤和形成所需电性，但也可能改变掺杂分布和已有材料。集成时应在修复、激活、扩散及材料耐受之间找窗口，而不是把温度越高或时间越长当作统一目标。^{1, 2}

成立条件 具体激活、扩散和缺陷行为依材料、注入损伤与热历史而定。；不提供跨工艺通用退火配方。

机制

替代栅流程让占位几何与最终栅材料分时形成

在教材所述gate-last路线中，多晶硅占位栅先参与源漏等工序，之后被去除并换成高k介质与金属栅。它把自对准所需几何和最终栅材料的引入时机分开，用于协调后续热处理与材料相容性。¹

成立条件 限定为所述替代金属栅路线，不宣称所有高k工艺只有这一方式。；实际材料、顺序和可靠性仍需专门工艺验证。

机制

接触模块把器件端区连接到互连系统

器件源漏和栅形成后，还要通过介质中的接触开口、低阻界面和导电填充把端区接入后续互连。完成晶体管并不等于这些端区已经接到电路网络。^{1, 3}

成立条件 按具体金属化路线区分接触、局部连接与后续互连层。；硅化物等低阻界面不是独立替代全部金属连线。

关联

平坦化在不同模块中承担后续加工的输入条件

STI填充、接触前介质和替代栅流程都可能需要平坦化，但它们的目标材料和停止条件不同。复用同一个CMP概念不等于这些模块使用相同终点或可互换配方。^{1, 3}

成立条件 只说明模块作用，不重写CMP磨除机制。；平坦化验收需对应下一步图形或材料暴露要求。

流程依赖与边界

边界

步骤名称相同也不能在不同流程中直接互换

一个清洗、去除或退火步骤的可用性取决于当时已存在的材料和希望保留的界面。比较两套流程时，应核对输入结构、作用区域和输出条件，而不是只匹配步骤名称。^{1, 2}

成立条件 针对流程相容性比较，不给出化学混配操作。；相同最终截面可由不同工艺细节实现。

边界

先后约束应按所选路线逐条检查而非背诵一条列表

流程检查可以先列出“哪个结构必须先存在”的约束，再验证候选步骤顺序是否满足这些约束。通过这一检查只说明所列依赖没有违反，不能证明所有材料相容性、缺陷和电性已经合格。^{1, 2}

成立条件 下面例题只含三个声明的自对准/LDD依赖，不是完整工艺签核。；其他合法路线应重建对应依赖，不能机械套用本例。

出处

3 本教材 · 23 处引用

1
Integrated Circuit Fabrication: Science and Technology
James D. Plummer, Peter B. Griffin · 2023 prepublication version · 2023
- 第 2 章；；PDF pp.46–49、75，第 34–37、63 页 支持：工艺集成把多个操作组织成满足器件目标的依赖流程
- 第 2 章；；PDF pp.50–51，第 38–39 页 支持：设计图形需要通过材料选择和图形转移变成截面
- 第 2 章；；PDF pp.64–75，第 52–63 页 支持：一个流程图应同时说明它代表的器件代际和栅方案
- 第 2 章；；PDF pp.53–57，第 41–45 页 支持：阱与极性选择为后续NMOS和PMOS建立不同环境
- 第 2 章；；PDF pp.59–61，第 47–49 页 支持：自对准把已形成的栅边缘用作后续源漏位置参考；浅延伸区和侧墙后的深源漏注入有不同整合目标；先后约束应按所选路线逐条检查而非背诵一条列表
- 第 2 章；；PDF pp.61–62，第 49–50 页 支持：退火既要修复激活也要限制不希望的结构变化
- 第 2 章；；PDF pp.64–67，第 52–55 页 支持：替代栅流程让占位几何与最终栅材料分时形成
- 第 2 章；；PDF pp.63–69，第 51–57 页 支持：接触模块把器件端区连接到互连系统
- 第 2 章；；PDF pp.52、65，第 40、53 页 支持：平坦化在不同模块中承担后续加工的输入条件
- 第 2 章；；PDF pp.75，第 63 页 支持：步骤名称相同也不能在不同流程中直接互换
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2
数字集成电路：电路、系统与设计（第2版）
Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolić
- §2.2.3–2.2.4、图2.6–2.7；；PDF pp.53–54，第 31–32 页 支持：工艺集成把多个操作组织成满足器件目标的依赖流程；一个流程图应同时说明它代表的器件代际和栅方案；先后约束应按所选路线逐条检查而非背诵一条列表
- §2.2.3–2.2.4、图2.6–2.7；；PDF pp.53–55，第 31–33 页 支持：阱与极性选择为后续NMOS和PMOS建立不同环境
- §2.2.3–2.2.4、图2.6–2.7；；PDF pp.52，第 30 页 支持：退火既要修复激活也要限制不希望的结构变化
- §2.2.3–2.2.4、图2.6–2.7；；PDF pp.52–54，第 30–32 页 支持：步骤名称相同也不能在不同流程中直接互换
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3
CMOS超大规模集成电路设计（第4版）
- §3.2；；PDF pp.194–200（含独立图页与重复扫描），第 83–85 页 支持：设计图形需要通过材料选择和图形转移变成截面
- §3.2；；PDF pp.209–219（含独立图页与重复扫描），第 89–91 页 支持：自对准把已形成的栅边缘用作后续源漏位置参考
- §3.2；；PDF pp.212–219（含独立图页与重复扫描），第 90–91 页 支持：浅延伸区和侧墙后的深源漏注入有不同整合目标；接触模块把器件端区连接到互连系统
- §3.2；；PDF pp.206–219（含独立图页与重复扫描），第 88–91 页 支持：平坦化在不同模块中承担后续加工的输入条件
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关键参数

常见误区

从目标截面到模块

#工艺集成把多个操作组织成满足器件目标的依赖流程

#设计图形需要通过材料选择和图形转移变成截面

#一个流程图应同时说明它代表的器件代际和栅方案

阱栅与源漏衔接

#阱与极性选择为后续NMOS和PMOS建立不同环境

#自对准把已形成的栅边缘用作后续源漏位置参考

#浅延伸区和侧墙后的深源漏注入有不同整合目标

材料相容与后续连接

#退火既要修复激活也要限制不希望的结构变化

#替代栅流程让占位几何与最终栅材料分时形成

#接触模块把器件端区连接到互连系统

#平坦化在不同模块中承担后续加工的输入条件

流程依赖与边界

#步骤名称相同也不能在不同流程中直接互换

#先后约束应按所选路线逐条检查而非背诵一条列表

Integrated Circuit Fabrication: Science and Technology

数字集成电路：电路、系统与设计（第2版）

CMOS超大规模集成电路设计（第4版）

工艺集成把多个操作组织成满足器件目标的依赖流程

设计图形需要通过材料选择和图形转移变成截面

一个流程图应同时说明它代表的器件代际和栅方案

阱与极性选择为后续NMOS和PMOS建立不同环境

自对准把已形成的栅边缘用作后续源漏位置参考

浅延伸区和侧墙后的深源漏注入有不同整合目标

退火既要修复激活也要限制不希望的结构变化

替代栅流程让占位几何与最终栅材料分时形成

接触模块把器件端区连接到互连系统

平坦化在不同模块中承担后续加工的输入条件

步骤名称相同也不能在不同流程中直接互换

先后约束应按所选路线逐条检查而非背诵一条列表