芯片内亿万的晶体管制程工艺
芯片內(nèi)億萬的晶體管制程工藝
一．原理
晶體管并非是安裝上去的，芯片制造其實(shí)分為沙子-晶圓，晶圓-芯片這樣的過程，而在芯片制造之前，IC涉及要負(fù)責(zé)設(shè)計好芯片，然后交給晶圓代工廠。
芯片設(shè)計分為前端設(shè)計和后端設(shè)計，前端設(shè)計（也稱邏輯設(shè)計）和后端設(shè)計（也稱物理設(shè)計）并沒有統(tǒng)一嚴(yán)格的界限，涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計就是后端設(shè)計。芯片設(shè)計要用專業(yè)的EDA工具。
如果我們將設(shè)計的門電路放大，白色的點(diǎn)就是襯底, 還有一些綠色的邊框就是摻雜層。
當(dāng)芯片設(shè)計好了之后，就要制造出來，晶體管就是在晶圓上直接雕出來的，晶圓越大，芯片制程越小，就能切割出更多的芯片，效率就會更高。
舉個例子，就好像切西瓜一樣，西瓜更大的，但是原來是切成3厘米的小塊，現(xiàn)在換成了2厘米，是不是塊數(shù)就更多。所以現(xiàn)在的晶圓從 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到現(xiàn)在 16 寸大小，
制程這個概念，其實(shí)就是柵極的大小，也可以成為柵長，它的距離越短，就可以放下更多的晶體管，這樣就不會讓芯片不會因技術(shù)提升而變得更大，使用更先進(jìn)的制造工藝，芯片的面積和功耗就越小。但是我們?nèi)绻麑艠O變更小，源極和漏極之間流過的電流就會越快，工藝難度會更大。
芯片制造共分為七大生產(chǎn)區(qū)域，分別是擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化。
其中雕出晶圓的最重要的兩個步驟就是光刻和蝕刻，光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000～4500的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。
光刻技術(shù)就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。簡單來說芯片設(shè)計人員設(shè)計的線路與功能區(qū)“印進(jìn)”晶圓之中，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。
而蝕刻技術(shù)就是利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。
在半導(dǎo)體制造中有兩種基本的刻蝕工藝：干法刻蝕和濕法腐蝕。目前主流所用的還是干法刻蝕工藝，利用干法刻蝕工藝的就叫等離子體蝕刻機(jī)。
在集成電路制造過程中需要多種類型的干法刻蝕工藝，應(yīng)用涉及硅片上各種材料。被刻蝕材料主要包括介質(zhì)、硅和金屬等，通過與光刻、沉積等工藝多次配合可以形成完整的底層電路、柵極、絕緣層以及金屬通路等。
驅(qū)動之家有一片的CPU的制造過程，《從沙子到芯片：且看處理器是怎樣煉成的》，就從微觀上講解了這個步驟。
在涂滿光刻膠的晶圓（或者叫硅片）上蓋上事先做好的光刻板，然后用紫外線隔著光刻板對晶圓進(jìn)行一定時間的照射。原理就是利用紫外線使部分光刻膠變質(zhì)，易于腐蝕。
溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。
“刻蝕”是光刻后，用腐蝕液將變質(zhì)的那部分光刻膠腐蝕掉（正膠），晶圓表面就顯出半導(dǎo)體器件及其連接的圖形。然后用另一種腐蝕液對晶圓腐蝕，形成半導(dǎo)體器件及其電路。
清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。
這里說一下，什么是光刻膠。我們要知道電路設(shè)計圖首先通過激光寫在光掩模版上，然后光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面，引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)效應(yīng)，再通過顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域，使掩模版上的電路圖轉(zhuǎn)移到光刻膠上，最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。
而光刻根據(jù)所采用正膠與負(fù)膠之分，劃分為正性光刻和負(fù)性光刻兩種基本工藝。 在正性光刻中，正膠的曝光部分結(jié)構(gòu)被破壞，被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。相反地，在負(fù)性光刻中，負(fù)膠的曝光部分會因硬化變得不可溶解，掩模部分則會被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。
可以說，在晶圓制造中，直徑30厘米的圓形硅晶薄片穿梭在各種極端精密的加工設(shè)備之間，由它們在硅片表面制作出只有發(fā)絲直徑千分之一的溝槽或電路。熱處理、光刻、刻蝕、清洗、沉積……每塊晶圓要晝夜無休地被連續(xù)加工兩個月，經(jīng)過成百上千道工序，最終集成了海量的微小電子器件，經(jīng)切割、封裝，成為信息社會的基石——芯片。
這是一個Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看見CPU內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)，越往下線寬越窄，越靠近器件層。
這是CPU的截面視圖，可以清晰的看到層狀的CPU結(jié)構(gòu)，由上到下有大約10層，其中最下層為器件層，即是MOSFET晶體管
二．工藝流程
提煉單晶硅錠
最廉價的硅來源非沙子莫屬，因此半導(dǎo)體材料中采用的硅元素就是從沙子（SiO）中提取出來的。
通常，生產(chǎn)單晶硅錠的公司會將沙子從的硅元素提取出后來經(jīng)過高溫整形、多次提純等手段得到電子級硅（EGS），純度為99.9999%。
然后將純硅在1400C的鍋中融化，把包含所需晶體取向的小晶種插入熔融的硅中，再緩慢地（1毫米/分鐘）拔出，這樣硅晶體就被制造成了圓柱形的單晶硅錠，單個單晶硅錠的重量約為100公斤。
晶圓加工
主要包含兩個步驟：第一步是將單晶硅錠橫向鋸成圓盤，再進(jìn)行拋光和晶體定向，得到如鏡面般平整的晶圓；第二步是對晶圓進(jìn)行熱氧化，這個時候純硅會經(jīng)過充氧的高溫爐，從而在表面形成一層很薄的二氧化硅，作為晶體管的進(jìn)時柵極氧化物層。
光刻
所謂的光刻工藝包括掩膜和光蝕刻兩個部分。首先是將具有抗光蝕能力的光刻膠涂敷到晶圓上，在硅基表層形成電路圖案。
然后利用光對準(zhǔn)器將晶圓對準(zhǔn)掩膜，晶圓將透過掩膜鏤空部分暴露在紫外線下，此時暴露部分的光刻膠變成可溶狀態(tài)，從而將掩膜版上的電路結(jié)構(gòu)臨時復(fù)制到硅基上。
刻蝕
按光刻機(jī)刻出的電路結(jié)構(gòu)，在硅片上進(jìn)行微觀雕刻，刻出溝槽或接觸孔。
具體來說，刻蝕是利用顯影后的光刻膠圖形作為掩模，再借助化學(xué)液體或等離子體在襯底上腐蝕掉一定深度的薄膜物質(zhì)，隨后得到與光刻膠圖形相同的集成電路圖形。
離子注入
離子注入是芯片制造工藝中的一種重要的摻雜技術(shù)，也是控制MOSFET閾值電壓的一個重要手段。
通常是在真空、低溫的環(huán)境下，將磷化氫或三氯化硼雜質(zhì)離子加速，獲得有一定動能的雜質(zhì)離子，然后將離子束攝到敷有光刻膠掩膜的晶圓上。
有光刻膠掩蓋的部分，離子束無法穿透光刻膠而被阻擋開來；沒有掩蓋的部分，離子束會被注入到襯底上，實(shí)現(xiàn)摻雜，而摻雜深度取決于離子束的能量。
離子注入完成后，必須進(jìn)行光刻膠的徹底清除工作，才能進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。
金屬化
金屬化指的是采用沉積等方式將金屬薄膜沉積到晶圓上，再通過金屬薄膜光刻，形成表面金屬連線，將各個元器件連接到一起的工藝。
因此第一步就是要刻蝕出接觸孔。第二步是制備金屬薄膜，主要導(dǎo)電金屬材料可能是鋁合金或金，手段通常包括蒸發(fā)、濺射、金屬CVD以及電鍍等，目前金屬CVD因具有很強(qiáng)的臺階覆蓋能力。
第三步是采用光刻和刻蝕工藝或剝離技術(shù)去除布線以外的部分，形成相互連接的金屬導(dǎo)線。第四步是進(jìn)行合金化的熱處理，從而保證芯片和金屬之間有較好的導(dǎo)電性。
最后是平坦化，減少因晶圓表面的不平整度帶來的光傳播的精確度受損，從而影響其準(zhǔn)確地進(jìn)行圖形制作的一種工藝。這種工藝不僅會被用到表層，當(dāng)金屬層增加的時候也會被用到中間層中。
晶圓測試
當(dāng)載有集成電路的晶圓加工出來之后，需要對其進(jìn)行測試，主要目的是減少封裝的成本，提早篩選出有問題的集成電路模塊（芯片原型）。
具體操作是采用探針測試平臺，在無塵室中根據(jù)事先定義好的測試點(diǎn)對芯片原型進(jìn)行交直流、光照等電氣性能測試。
該測試通過治具可以對測試平臺上的晶圓進(jìn)行一次性測試，而無需對芯片逐一進(jìn)行，因此測試效率較高。
切割與封裝
每個晶圓都包含數(shù)百至上萬個芯片，通過金剛石鋸將晶圓切割成單片，經(jīng)過減薄工序，然后針對每一個單片（芯片）進(jìn)行電氣測試。
如果測試結(jié)果有問題，這顆芯片就會被丟棄；如果測試結(jié)果合格，該芯片就會被送去封裝。在封裝前，將會使用顯微鏡對芯片進(jìn)行復(fù)檢，只有通過復(fù)檢的芯片才會被真正封裝起來。
封裝測試
對于芯片來說，出廠前測試主要包含三個方面，前兩項分別是晶圓測試和芯片測試。最后一項測試是封裝測試，也就是芯片出廠前測試。據(jù)統(tǒng)計，這三項測試將會占據(jù)整個芯片生產(chǎn)成本的比例高達(dá)1/4至1/2。
此時的待測芯片已經(jīng)包裹了一層封裝，沒有那么脆弱了，因此對于測試環(huán)境要求也沒有那么嚴(yán)苛，不需要無塵室測試了。
但是對于封裝測試而言，由于封裝本身的阻擋，測試探針無法觸及芯片內(nèi)部，測試范圍受到限制的同時，也增加了測試的復(fù)雜度。
據(jù)悉，一般的芯片封裝測試包括各種環(huán)境下的消耗功率、發(fā)熱量、運(yùn)行速度、耐壓度等多項電氣特性測試，在測試過程中往往需要大量的編程、燒錄驗證工序。
有的時候根據(jù)客戶的要求，也會做一些針對性測試，看是否滿足客戶的需求。當(dāng)測試結(jié)果一切正常，該芯片就會被打上規(guī)格、型號及出廠日期等絲印，等待打包出廠了。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的芯片内亿万的晶体管制程工艺的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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