芯片有源区的作用和工艺流程

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

在芯片制造中，有源区（Active Area）是晶体管的核心工作区域，负责电流的导通与信号处理。它如同城市中的“主干道”，决定了电路的性能和集成度。

什么是有源区

有源区是半导体器件（如MOSFET）中晶体管的控制电流流动的区域，通常由掺杂后的硅基底构成。它是晶体管中电子或空穴流动的通道，通过控制栅极电压实现电流的开关与放大功能。

物理特性：通过刻蚀隔离沟槽（如浅槽隔离STI技术），将相邻晶体管的有源区物理分隔，避免信号串扰。

材料基础：基于高纯度硅晶圆，通过离子注入调整掺杂浓度，形成导电沟道。

有源区的作用

电流控制：作为晶体管的“心脏”，有源区的导电特性直接影响芯片的运行速度和功耗。

信号隔离：通过刻蚀形成的隔离结构（如STI），防止相邻电路间的漏电和干扰。

集成度基础：有源区的尺寸越小，芯片可容纳的晶体管数量越多，摩尔定律的推进依赖其微缩化。

有源区形成的工艺流程

有源区的制造需结合光刻、刻蚀、掺杂等工艺，核心步骤包括：

硅片清洗与氧化层生长

硅片清洗：硅片需通过化学清洗（如RCA清洗法）去除颗粒、金属离子和有机物，确保表面洁净。

氧化层生长：在硅表面热氧化生成二氧化硅（SiO₂）层，作为后续刻蚀的硬掩膜。

光刻定义图形

涂覆光刻胶：涂覆光刻胶后，通过掩膜版曝光，显影形成有源区的保护图案。

光源选择：使用深紫外（DUV）或极紫外（EUV）光源，确保纳米级精度。

干法刻蚀形成隔离结构

刻蚀目标：去除未被光刻胶保护的氧化层和部分硅基底，形成隔离沟槽。

工艺选择：采用反应离子刻蚀（RIE），结合等离子体的化学与物理作用，实现高深宽比（>5:1）的垂直刻蚀，避免侧向钻蚀。

填充与CMP平坦化

沟槽内沉积绝缘材料：沟槽内沉积绝缘材料（如SiO₂或氮化硅），再通过化学机械抛光（CMP）去除多余材料，形成平坦表面。

掺杂与退火

离子注入：通过离子注入向有源区掺入磷（N型）或硼（P型），调整导电特性。

高温退火：高温退火修复晶格损伤，激活掺杂原子。