【博主簡(jiǎn)介】本人“愛在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

業(yè)內(nèi)朋友都知道：芯片的有源區(qū)（AA）是芯片制造中一個(gè)基礎(chǔ)且關(guān)鍵的概念。我們可以把它理解為在硅片上專門劃分出來、用于構(gòu)建晶體管“真正工作”部分的區(qū)域。它是源極、漏極和導(dǎo)電溝道的物理載體，沒有有源區(qū)（AA），晶體管就無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)或放大功能。整個(gè)有源區(qū)（AA）工藝的核心目標(biāo)，就是在一片硅片上，精準(zhǔn)地定義和“雕刻”出這些晶體管的活動(dòng)空間，并將其彼此隔離，從而形成淺溝槽隔離（STI）。

那具體來說，什么是有源區(qū)（AA）工藝、它有什么作用、其工藝流程是什么.....這就是本章節(jié)我要跟大家分享的內(nèi)容，且主要是以MOSFET芯片的有源區(qū)（AA）工藝為例進(jìn)行闡述的。

一、有源區(qū)（AA）工藝的定義

在芯片制造中，有源區(qū)（AA）是晶體管的核心工作區(qū)域，負(fù)責(zé)電流的導(dǎo)通與信號(hào)處理。它如同城市中的“主干道”，決定了電路的性能和集成度。

有源區(qū)，英文全稱：Active Area，簡(jiǎn)稱：AA。它是芯片制造的“地基規(guī)劃圖”。它決定了晶體管（芯片的“基本細(xì)胞”）將在硅片的哪些區(qū)域“安家落戶”。你可以把它想象成在一片空地上，用圍墻劃出一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“宅基地”，未來每塊宅基地上會(huì)蓋一棟房子（一個(gè)晶體管），而圍墻（隔離溝槽）則確保各家各戶互不干擾。

1、物理特性

通過刻蝕隔離溝槽（如淺槽隔離STI技術(shù)），將相鄰晶體管的有源區(qū)物理分隔，避免信號(hào)串?dāng)_。

2、材料基礎(chǔ)

基于高純度硅晶圓，通過離子注入調(diào)整摻雜濃度，形成導(dǎo)電溝道。

3、核心任務(wù)隔離

它不僅要?jiǎng)澇觥罢亍?，更重要的是在宅基地之間挖出隔離溝槽（STI） 并填平，確保相鄰晶體管之間完全電學(xué)隔離，防止漏電和信號(hào)串?dāng)_。

4、重要性

有源區(qū)（AA）是前道工藝（FEOL）的開端和基石。有源區(qū)（AA）圖形的尺寸、形狀和位置精度，直接決定了后續(xù)所有晶體管工藝（如柵極、源漏注入）能否成功，是影響芯片性能和良率的最關(guān)鍵層之一。

二、有源區(qū)（AA）工藝的形成

1、襯墊氧化層與氮化硅層的沉積

在P型硅襯底或P型外延層上，首先通過熱氧化生長(zhǎng)一層二氧化硅（SiO?），作為襯墊氧化層，用于緩解后續(xù)氮化硅（Si?N?）層與硅襯底之間的應(yīng)力。接著，沉積一層氮化硅，作為硬掩模層，用于后續(xù)的刻蝕步驟。

2、光刻與刻蝕

使用光刻版進(jìn)行曝光和顯影，去除器件隔離區(qū)域的光刻膠。隨后，通過濕法或干法刻蝕，去除未被光刻膠覆蓋的氮化硅、襯墊氧化層和部分硅，形成淺槽隔離（STI）的初步結(jié)構(gòu)。

3、二氧化硅的熱生長(zhǎng)與平坦化

去除光刻膠后，通過熱氧化在淺槽底部和側(cè)壁生長(zhǎng)一層二氧化硅，稱為Roundingoxide，用于圓滑淺槽底部的尖角，減少擊穿電壓的降低和漏電的產(chǎn)生。接著，采用低壓氣相沉積（LPCVD）沉積一層二氧化硅，并進(jìn)行致密化處理。最后，通過化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）進(jìn)行平坦化處理，確保后續(xù)工藝的順利進(jìn)行。

4、去除氮化硅與最終氧化層的生長(zhǎng)

去除氮化硅層和部分二氧化硅層后，在900℃下生長(zhǎng)一層二氧化硅，作為后續(xù)離子注入的阻擋層。

三、有源區(qū)（AA）工藝的制造過程

現(xiàn)代芯片制造普遍采用淺槽隔離（STI） 技術(shù)來定義和隔離有源區(qū)。其工藝流程如同在硅片上“雕刻”并“填色”，其工藝制造步驟如下：

1、清洗

將晶圓放入清洗槽中清洗，得到清潔的硅表面，防止硅表面的雜質(zhì)在生長(zhǎng)前置氧化層時(shí)影響氧化層的質(zhì)量。

2、生長(zhǎng)前置氧化層

利用爐管熱氧化生長(zhǎng)一層前置二氧化硅薄膜，它是干氧氧化法。利用高純度的氧氣在900°C左右的溫度下使硅氧化，形成厚度約100~200A 的二氧化硅薄膜。生長(zhǎng)前置氧化層的目的是緩解后續(xù)步驟淀積 Si3N4層對(duì)襯底的應(yīng)力，因?yàn)橐r底硅的晶格常數(shù)與Si3N4的晶格常數(shù)不同，直接淀積Si3N4會(huì)形成位錯(cuò)，較厚的氧化層可以有效地減小Si3N4層對(duì)襯底的應(yīng)力。如果太薄，會(huì)托不住Si3N4，如果Si3N4層的應(yīng)力超過襯底硅的屈服強(qiáng)度就會(huì)在襯底硅中產(chǎn)生位錯(cuò)。

3、淀積Si3N4層

利用LPCVD 淀積一層厚度約1600~1700A 的Si3N4層，利用SiH4和NH3在800°C的溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)淀積Si3N4。它是有源區(qū)（AA）刻蝕的硬掩膜版和后續(xù)STI CMP 的停止層，也是場(chǎng)區(qū)離子注入的阻擋層。

4、淀積SiON層

利用 PECVD 淀積一層厚度約200~300A 的SiON 層，利用SiH4、N2O和He在400C的溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成 SiON淀積。SiON 層作為光刻的底部抗反射層，可以降低駐波效應(yīng)的影響。

5、有源區(qū)（AA）光刻處理

通過微影技術(shù)將有源區(qū)（AA）掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上，形成有源區(qū)（AA）的光刻膠圖案，有源區(qū)（AA）區(qū)域上保留光刻膠。第零層作為有源區(qū)（AA）光刻曝光對(duì)準(zhǔn)。

6、測(cè)量有源區(qū)（AA）光刻的關(guān)鍵尺寸

收集刻蝕后的有源區(qū)（AA）關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)，檢查有源區(qū)（AA）關(guān)鍵尺寸是否符合產(chǎn)品規(guī)格。

7、測(cè)量有源區(qū)（AA）套刻

收集曝光之后的有源區(qū)（AA）與第零層的套刻數(shù)據(jù)。

8、檢查顯影后曝光的圖形。

9、有源區(qū)（AA）硬掩膜版刻蝕

干法刻蝕利用Ar 和CF4形成等離子漿去除沒有光刻膠覆蓋的Si3N4和SiO2層，刻蝕停在前置氧化層上，形成有源區(qū)（AA） 區(qū)域的硬掩膜版。

10、去光刻膠

通過干法刻蝕和濕法刻蝕去除光刻膠。

11、有源區(qū)（AA）干法刻蝕

干法刻蝕利用O2和 HBr形成等離子漿去除沒有硬掩膜版覆蓋的硅形成晶體管有源區(qū)，刻蝕深度是0.45~0.55μm，溝槽側(cè)壁的角度是75°~80°，最終形成有源區(qū)（AA）圖形和STI。去除光刻膠再進(jìn)行有源區(qū)（AA）干法刻蝕是為了防止光刻膠與襯底硅直接接觸，污染襯底硅。STI可以有效地隔離 NMOS與PMOS，改善閂鎖效應(yīng)。

12、測(cè)量有源區(qū)（AA）刻蝕關(guān)鍵尺寸

收集刻蝕后的有源區(qū)（AA）關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)，檢查有源區(qū)（AA）關(guān)鍵尺寸是否符合產(chǎn)品規(guī)格。

13、檢查刻蝕后的圖形

如果有重大缺陷，將不可能返工，要進(jìn)行報(bào)廢處理。

四、有源區(qū)（AA）工藝的作用

有源區(qū)（AA）工藝在芯片制造中的核心作用，可以概括為一句話：在硅片上為晶體管劃定專屬的活動(dòng)地盤，并確保它們之間互不干擾。具體來說，它的作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、定義晶體管的“骨架”

有源區(qū)（AA）工藝首先要在硅片上精確地“雕刻”出晶體管的物理結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)是所有后續(xù)工藝的基礎(chǔ)。

a. 在平面MOSFET中

有源區(qū)（AA）工藝定義了源極和漏極所在的平面區(qū)域，以及兩者之間的溝道區(qū)。簡(jiǎn)單來說，就是圈定了晶體管“平躺”在硅片上的位置和大小。

b. 在FinFET中

有源區(qū)（AA）工藝更為關(guān)鍵，它直接雕刻出從硅片表面豎立起來的“鰭片”（Fin）。這個(gè)鰭片本身就是晶體管的主體，它的寬度決定了晶體管的溝道長(zhǎng)度，高度則影響柵極的控制能力。

2、實(shí)現(xiàn)晶體管間的“隔離”

這是有源區(qū)（AA）工藝最直接的工程目的。一片芯片上有數(shù)十億個(gè)晶體管，它們必須獨(dú)立工作，不能互相漏電或干擾。

a. 隔離方式

現(xiàn)代工藝普遍采用淺槽隔離（STI） 技術(shù)。有源區(qū)（AA）工藝通過刻蝕出溝槽，并用二氧化硅等絕緣材料填充，從而在有源區(qū)周圍建起一圈“圍墻”。

b. 隔離效果

STI能有效防止相鄰晶體管之間的寄生導(dǎo)通（即“閂鎖效應(yīng)”），確保每個(gè)器件只在自己的“地盤”內(nèi)活動(dòng)，大大提升了芯片的可靠性和集成度。

3、優(yōu)化器件性能

有源區(qū)（AA）工藝的細(xì)節(jié)直接影響晶體管的性能優(yōu)劣。

a. 邊角圓潤(rùn)化

在刻蝕完有源區(qū)后，會(huì)通過額外的工藝將有源區(qū)（AA）邊緣尖銳的棱角變得圓滑。這能有效緩解電場(chǎng)集中，防止在這個(gè)角落發(fā)生不必要的擊穿或漏電，從而降低功耗、提升穩(wěn)定性。

b. 引入應(yīng)變

在先進(jìn)工藝中，有源區(qū)（AA）周圍的STI填充物可以被設(shè)計(jì)成對(duì)硅溝道施加特定的機(jī)械應(yīng)力（如拉應(yīng)力或壓應(yīng)力）。這種應(yīng)力可以“拉”或“擠”硅原子，從而顯著提升電子或空穴的遷移率，讓晶體管跑得更快。

4、銜接前后工藝

有源區(qū)（AA）工藝是一個(gè)關(guān)鍵的“承上啟下”節(jié)點(diǎn)。

a. 承接前端

它以原始硅襯底為起點(diǎn)，通過光刻、刻蝕等步驟，將版圖設(shè)計(jì)中的“有源區(qū)”圖形真實(shí)地轉(zhuǎn)移到硅片上。

b. 開啟后端

有源區(qū)（AA）完成后，后續(xù)的柵極氧化層生長(zhǎng)、多晶硅柵沉積、源漏極注入等一系列核心工藝，都將以有源區(qū)（AA）為基準(zhǔn)，在由它劃定和隔離的區(qū)域內(nèi)精確展開。

五、有源區(qū)（AA）工藝的高級(jí)進(jìn)階知識(shí)

1、為什么叫“淺溝槽隔離（STI）”？

這是相對(duì)于舊技術(shù) LOCOS（硅的局部氧化） 而言的。LOCOS像在硅表面“種”出一塊凸起的氧化層來隔離，會(huì)占用更多面積且不平坦。STI是“挖溝填平”，隔離效果好、面積小、表面平坦，是現(xiàn)代芯片的主流技術(shù)。

2、“宅基地”和“地下管網(wǎng)”的關(guān)系

在挖有源區(qū)（AA）溝槽之前，硅片里已經(jīng)通過離子注入形成了 N阱（NW） 和 P阱（PW），就像地下的“水電管網(wǎng)”規(guī)劃。N阱區(qū)域未來建PMOS晶體管，P阱區(qū)域未來建NMOS晶體管。有源區(qū)（AA）的“宅基地”必須精確地落在對(duì)應(yīng)的阱區(qū)內(nèi)。

3、硬掩模（Hardmask）的妙用

對(duì)于更先進(jìn)的制程，有源區(qū)（AA）圖形非常小且密集，光刻膠可能不夠“抗刻”。工程師會(huì)先在氮化硅上再沉積一層更硬的硬掩模（如非晶碳），用它在光刻膠的幫助下先刻出圖形，再用這個(gè)硬圖形去刻蝕硅。這就像用更堅(jiān)固的模板來確保挖出的溝槽形狀完美。

六、有源區(qū)（AA）工藝的工藝挑戰(zhàn)與發(fā)展

隨著芯片尺寸不斷縮小，有源區(qū)（AA）工藝也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中最典型的是：

1、圖形形狀扭曲

在DRAM等高密度芯片中，有源區(qū)（AA）的尺寸和形狀直接影響良率和性能。在刻蝕形成鰭片有源區(qū)（AA）時(shí)，由于圖形密集度不同導(dǎo)致的“微負(fù)載效應(yīng)”，會(huì)使有源區(qū)（AA）形狀發(fā)生扭曲，進(jìn)而嚴(yán)重影響晶體管的漏電控制能力。

2、多重曝光技術(shù)

當(dāng)有源區(qū)（AA）之間的間距（即AA half-pitch）小于光刻機(jī)的單次曝光極限時(shí)（如2x nm節(jié)點(diǎn)后），就需要采用自對(duì)準(zhǔn)雙重成像或LELE等昂貴且復(fù)雜的多重曝光技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

所以，有源區(qū)（AA）工藝簡(jiǎn)單來說，就是先鋪好“模板”（氮化硅），再挖出“溝渠”，最后填上“絕緣物”，從而在硅片上精準(zhǔn)劃出一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“工作區(qū)”。

它的發(fā)展也直接反映了芯片制造的進(jìn)步，從平面MOSFET的平面區(qū)域，演變?yōu)镕inFET中的立體鰭片，再到GAA中的納米片結(jié)構(gòu)。隨著線寬不斷縮小，有源區(qū)之間的距離已經(jīng)達(dá)到20-40納米的量級(jí)，必須依靠多重曝光等昂貴技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

七、寫在最后面的話

綜上所講，其實(shí)MOSFET的有源區(qū)（AA）是器件的“功能核心區(qū)”，其本質(zhì)是硅襯底上經(jīng)過精準(zhǔn)工藝處理的功能性區(qū)域，核心價(jià)值在于定義器件的電學(xué)特性、保障核心功能的實(shí)現(xiàn)。

從平面MOSFET到三維鰭式、GAA結(jié)構(gòu)，有源區(qū)（AA）的設(shè)計(jì)始終圍繞著“提升柵極控制能力、優(yōu)化載流子傳輸效率、克服工藝瓶頸”的目標(biāo)發(fā)展。

因此，理解有源區(qū)（AA）的作用，不僅能幫助我們深入掌握MOSFET的工作原理，更能明白半導(dǎo)體工藝發(fā)展過程中，每一個(gè)細(xì)微結(jié)構(gòu)優(yōu)化背后的技術(shù)邏輯——正是有源區(qū)（AA）這樣的“隱形基石”，支撐著MOSFET在數(shù)字電路、電源管理、電動(dòng)汽車、人工智能等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代電子設(shè)備不可或缺的核心元件。

更多半導(dǎo)體相關(guān)內(nèi)培資料和原版文件均已上傳“知識(shí)星球”，有興趣的朋友可私信索取加入星球方式，一起交流學(xué)習(xí)......

免責(zé)聲明

【我們尊重原創(chuàng)，也注重分享。文中的文字、圖片版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載目的在于分享更多信息，不代表本號(hào)立場(chǎng)，如有侵犯您的權(quán)益請(qǐng)及時(shí)私信聯(lián)系，我們將第一時(shí)間跟蹤核實(shí)并作處理，謝謝！】