文章來源：半導體與物理

原文作者：jjfly686

FinFET(鰭式場效應晶體管)從平面晶體管到FinFET的演變是一種先進的晶體管架構，旨在提高集成電路的性能和效率。它通過將傳統的平面晶體管轉換為三維結構來減少短溝道效應，從而允許更小、更快且功耗更低的晶體管。本文將從硅底材開始介紹FinFET制造工藝流程，直到鰭片(Fin)的制作完成。

1. 初始準備與表面處理

晶圓清洗

在開始任何加工之前，硅晶圓必須經過徹底的清洗過程，以確保其表面沒有雜質或污染物。這一步驟對于獲得高質量的FinFET器件至關重要。

墊氧化層生長

接下來，在硅表面熱生長一層非常薄的二氧化硅(SiO2)，作為墊氧化層。這一層不僅保護了硅基板免受后續處理的影響，而且為之后的氮化硅沉積提供了良好的界面。

氮化硅沉積

隨后，通過化學氣相沉積(CVD)或其他方法，在墊氧化層之上沉積一層氮化硅(SiN)。氮化硅在這里扮演雙重角色：它既作為硬掩膜(HM)，用于指導硅刻蝕以形成鰭片;又作為CMP(化學機械拋光)停止層，確保STI氧化物平坦化過程中不會過度侵蝕下面的材料。

2. SADP技術的應用

由于鰭片間距在先進節點(如22nm或14nm)下非常小，單次193nm浸沒式光刻無法實現所需的精細度，因此引入了自對準雙重圖案化(SADP)技術來增加圖案密度。

SADP假圖案層沉積

首先，在氮化硅硬掩膜上沉積一層臨時材料(例如非晶硅a-Si)，用作“假”圖案層。這種材料需要具備高選擇性蝕刻特性，以便于后續步驟中與下面的氮化硅及側壁間隔物材料區分開來。

光刻膠涂覆與曝光

在整個堆疊結構上均勻地涂覆一層光刻膠，并使用特定的線-空(line-space)圖案掩模進行曝光，定義出鰭片的大致位置。這個圖案將指下來的蝕刻過程做鋪墊。

圖案轉移至假圖案層

曝光后的光刻膠經過顯影處理后形成鰭片的初始“假”圖案。然后，通過等離子體蝕刻將這些圖案轉移到下面的非晶硅層，直至到達氮化硅表面為止。

移除光刻膠

蝕刻完成后，必須清除光刻膠，通常包括剝離(strip)和清潔兩個步驟，以準備下一步操作。此步驟確保了沒有任何殘留物影響后續的工藝。

保形間隔物沉積

使用ALD沉積一層均勻覆蓋所有表面的保形介電層(如SiOx)，該層將在之后的蝕刻回退步驟中形成側壁間隔物。這一層的選擇對于最終形成的鰭片形狀至關重要。

蝕刻回退形成間隔物

對保形介電層執行各向異性干法蝕刻，僅保留垂直于晶圓表面的側壁上的介電層，從而形成間隔物。這些間隔物最終會成為實際鰭片的圖案模板。如果使用非晶硅作為假圖案材料，則可以使用KOH溶液來移除非晶硅，同時幾乎不影響硅氧化物間隔物或下方的氮化硅硬掩膜。

移除假圖案

使用選擇性高的蝕刻劑移除非晶硅假圖案，而不損害硅氧化物間隔物或下方的氮化硅硬掩膜。這樣就留下了光刻雙倍密度的間隔物圖案，對應于之后的鰭。

3. 鰭片圖案細化

切割掩模應用

再次涂覆光刻膠并光刻，目的是定義哪些區域將被保留作為鰭片，哪些區域需要去除。這一步驟決定了鰭片的具體布局。

間隔物圖案化

使用反應等離子體蝕刻技術，有選擇性地移除不需要的間隔物，同時盡量減少對氮化硅硬掩膜的影響。

鰭片刻蝕

利用剩余的間隔物作為掩膜，進行主要的硅刻蝕步驟。這一步直接決定了鰭片的形狀和尺寸，因此必須嚴格控制蝕刻參數以獲得理想的鰭片結構。在蝕刻過程中，首先移除墊氧化物，然后根據氮化硅硬掩膜的圖案蝕刻出硅鰭片。對于14nm 制程芯片來說，鰭片的最小間距可以小至42nm。

上述步驟構成了從硅底材到Fin形成的典型FinFET工藝流程的一部分。整個過程涉及多個精密的工程設計和技術挑戰，旨在實現高性能、低功耗的集成電路。隨著技術的進步，FinFET工藝也在不斷發展，以適應更小的特征尺寸和更高的集成度需求。每一步都精心設計，以確保最終產品的質量和性能達到最優。