芯片制造流程

1、深度揭密：圖文講解芯片制造流程相信很多配件diyer都非?？释私馑究找姂T的cpu或者顯卡或者內(nèi)存芯片的制造過程的詳細(xì)情況，今天我們?cè)谶@拋磚引玉。整個(gè)制造分5道程序，分別是芯片設(shè)計(jì)；晶片制作；硬模準(zhǔn)備；包裝；測(cè)試。而其中最復(fù)雜的就是晶片制作這道程序，所以下面主要講這一點(diǎn)：1.晶片制作：SiO2經(jīng)鹽酸氯化還原， 形成高純度多晶硅， 純度可達(dá)11N， 將有特定晶向的晶種浸入過飽和的純硅熔湯 (Melt) 中，并同時(shí)旋轉(zhuǎn)拉出，硅原子便依照晶種晶向，乖乖地一層層成長(zhǎng)上去，而得出所謂的晶棒 (ingot)-這便是常用的拉晶法。 這種硅晶體圓棒將被切成薄片，芯片就在這上面制作出來的了。（注：晶棒的阻值如果

2、太低，代表其中導(dǎo)電雜質(zhì) (impurity dopant) 太多，還需經(jīng)過FZ法 (floating-zone) 的再結(jié)晶 (re-crystallization)，將雜質(zhì)逐出，提高純度與阻值。 輔拉出的晶棒，外緣像椰子樹干般，外徑不甚一致，需予以機(jī)械加工修邊，然后以X光繞射法，定出主切面 (primary flat) 的所在，磨出該平面；再以內(nèi)刃環(huán)鋸，削下一片片的硅晶圓。最后經(jīng)過粗磨 (lapping)、化學(xué)蝕平 (chemical etching) 與拋光 (polishing) 等程序，得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圓。(至于晶圓厚度，與其外徑有關(guān)。) 剛才題及的晶向，與硅晶

3、體的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。硅晶體結(jié)構(gòu)是所謂鉆石結(jié)構(gòu)(diamond-structure)，系由兩組面心結(jié)構(gòu) (FCC)，相距 (1/4,1/4,1/4) 晶格常數(shù) (lattice constant；即立方晶格邊長(zhǎng)) 疊合而成。我們依米勒指針法 (Miller index)，可定義出諸如 ：100、111、110 等晶面。所以晶圓也因之有 100、111、110等之分野。有關(guān)常用硅晶圓之切邊方向等信息，請(qǐng)參考圖2-2。 現(xiàn)今半導(dǎo)體業(yè)所使用之硅晶圓，大多以 100 硅晶圓為主。其可依導(dǎo)電雜質(zhì)之種類，再分為p型 (周期表III族) 與n型 (周期表V族)。由于硅晶外貌完全相同，晶圓制造廠因此在制作過程中，

4、加工了供辨識(shí)的記號(hào)：亦即以是否有次要切面 (secondary flat) 來分辨。該次切面與主切面垂直，p型晶圓有之，而n型則闕如。 100硅晶圓循平行或垂直主切面方向而斷裂整齊的特性，所以很容易切成矩形碎塊，這是早期晶圓切割時(shí)，可用刮晶機(jī) (scriber) 的原因 (它并無真正切斷芯片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整齊斷開之。)事實(shí)上，硅晶的自然斷裂面是111，所以雖然得到矩形的碎芯片，但斷裂面卻不與100晶面垂直?。?.薄膜生成(一) 氧化（爐）（Oxidation） 對(duì)硅半導(dǎo)體而言，只要在高于或等于1050的爐管中，如圖2-3所示，通入氧氣或水汽，自然可以將硅晶的表面予以氧化，生

5、長(zhǎng)所謂干氧層(dryz/gate oxide)或濕氧層(wet /field oxide)，當(dāng)作電子組件電性絕緣或制程掩膜之用。氧化是半導(dǎo)體制程中，最干凈、單純的一種；這也是硅晶材料能夠取得優(yōu)勢(shì)的特性之一（他種半導(dǎo)體，如砷化鎵 GaAs，便無法用此法成長(zhǎng)絕緣層，因?yàn)樵?50左右，砷化鎵已解離釋放出砷?。┕柩趸瘜幽偷米?50 1050的后續(xù)制程環(huán)境，系因?yàn)樵撗趸瘜邮窃谇笆龈叩臏囟瘸砷L(zhǎng)；不過每生長(zhǎng)出1 微米厚的氧化層，硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。 以下是氧化制程的一些要點(diǎn)： （1）氧化層的成長(zhǎng)速率不是一直維持恒定的趨勢(shì)，制程時(shí)間與成長(zhǎng)厚度之重復(fù)性是較為重要之考量。 （2）后長(zhǎng)的氧化層會(huì)

6、穿透先前長(zhǎng)的氧化層而堆積于上；換言之，氧化所需之氧或水汽，勢(shì)必也要穿透先前成長(zhǎng)的氧化層到硅質(zhì)層。故要生長(zhǎng)更厚的氧化層，遇到的阻礙也越大。一般而言，很少成長(zhǎng)2微米厚以上之氧化層。 （3）干氧層主要用于制作金氧半（MOS）晶體管的載子信道（channel）；而濕氧層則用于其它較不嚴(yán)格講究的電性阻絕或制程罩幕（masking）。前者厚度遠(yuǎn)小于后者，1000 1500埃已然足夠。 （4）對(duì)不同晶面走向的晶圓而言，氧化速率有異：通常在相同成長(zhǎng)溫度、條件、及時(shí)間下，111厚度110厚度100厚度。 （5）導(dǎo)電性佳的硅晶氧化速率較快。 （6）適度加入氯化氫（HCl）氧化層質(zhì)地較佳；但因容易腐蝕管路，已漸少用

7、。 （7）氧化層厚度的量測(cè)，可分破壞性與非破壞性兩類。前者是在光阻定義阻絕下，泡入緩沖過的氫氟酸（BOE，Buffered Oxide Etch，系 HF與NH4F以1：6的比例混合而成的腐蝕劑）將顯露出來的氧化層去除，露出不沾水的硅晶表面，然后去掉光阻，利用表面深淺量測(cè)儀（surface profiler or alpha step），得到有無氧化層之高度差，即其厚度。 （8）非破壞性的測(cè)厚法，以橢偏儀 (ellipsometer) 或是毫微儀（nano-spec）最為普遍及準(zhǔn)確，前者能同時(shí)輸出折射率(refractive index；用以評(píng)估薄膜品質(zhì)之好壞)及起始厚度b與跳階厚度a (總厚

8、度 t = ma + b)，實(shí)際厚度 (需確定m之整數(shù)值)，仍需與制程經(jīng)驗(yàn)配合以判讀之。后者則還必須事先知道折射率來反推厚度值。 （9）不同厚度的氧化層會(huì)顯現(xiàn)不同的顏色，且有2000埃左右厚度即循環(huán)一次的特性。有經(jīng)驗(yàn)者也可單憑顏色而判斷出大約的氧化層厚度。不過若超過1.5微米以上的厚度時(shí)，氧化層顏色便漸不明顯。 3.光罩蝕刻在硅晶片涂上光致抗蝕劑，使得其遇紫外光就會(huì)溶解。這時(shí)可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了，而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化硅層。該過程使用了對(duì)紫外光敏感的化學(xué)物質(zhì)，即遇紫外

9、光則變軟。通過控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。同樣方法在剛弄好的二氧化硅層上制造多晶硅層，再在其上面涂制光致抗蝕劑層以作下一步用。第二張遮光物派上用場(chǎng)了，同樣的制作了與第二張遮光物形狀相同的多晶硅層。如下圖：蝕刻(Etching) 蝕刻的機(jī)制，按發(fā)生順序可概分為反應(yīng)物接近表面、表面氧化、表面反應(yīng)、生成物離開表面等過程。所以整個(gè)蝕刻，包含反應(yīng)物接近、生成物離開的擴(kuò)散效應(yīng)，以及化學(xué)反應(yīng)兩部份。整個(gè)蝕刻的時(shí)間，等于是擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)兩部份所費(fèi)時(shí)間的總和。二者之中孰者費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，整個(gè)蝕刻之快慢也卡在該者，故有所謂reaction limited與diffusion limited兩類蝕刻之分。 1、濕

10、蝕刻 最普遍、也是設(shè)備成本最低的蝕刻方法，其設(shè)備如圖2-10所示。其影響被蝕刻物之蝕刻速率 (etching rate) 的因素有三：蝕刻液濃度、蝕刻液溫度、及攪拌 (stirring) 之有無。定性而言，增加蝕刻溫度與加入攪拌，均能有效提高蝕刻速率；但濃度之影響則較不明確。舉例來說，以49%的HF蝕刻SiO2，當(dāng)然比BOE (Buffered-Oxide- Etch；HF：NH4F =1：6) 快的多；但40%的KOH蝕刻Si的速率卻比20%KOH慢！ 濕蝕刻的配方選用是一項(xiàng)化學(xué)的專業(yè)，對(duì)于一般不是這方面的研究人員，必須向該化學(xué)專業(yè)的同儕請(qǐng)教。一個(gè)選用濕蝕刻配方的重要觀念是選擇性(selec

11、tivity)，意指進(jìn)行蝕刻時(shí)，對(duì)被蝕物去除速度與連帶對(duì)其他材質(zhì) (如蝕刻掩膜；etching mask， 或承載被加工薄膜之基板；substrate ) 的腐蝕速度之比值。一個(gè)具有高選擇性的蝕刻系統(tǒng)，應(yīng)該只對(duì)被加工薄膜有腐蝕作用，而不傷及一旁之蝕刻掩膜或其下的基板材料。 (1)等向性蝕刻 (isotropic etching) 大部份的濕蝕刻液均是等向性，換言之，對(duì)蝕刻接觸點(diǎn)之任何方向腐蝕速度并無明顯差異。故一旦定義好蝕刻掩膜的圖案，暴露出來的區(qū)域，便是往下腐蝕的所在；只要蝕刻配方具高選擇性，便應(yīng)當(dāng)止于所該止之深度。 然而有鑒于任何被蝕薄膜皆有其厚度，當(dāng)其被蝕出某深度時(shí)，蝕刻掩膜圖案邊緣的部

12、位漸與蝕刻液接觸，故蝕刻液也開始對(duì)蝕刻掩膜圖案邊緣的底部，進(jìn)行蝕掏，這就是所謂的下切或側(cè)向侵蝕現(xiàn)象 (undercut)。該現(xiàn)象造成的圖案?jìng)?cè)向誤差與被蝕薄膜厚度同數(shù)量級(jí)，換言之，濕蝕刻技術(shù)因之而無法應(yīng)用在類似次微米線寬的精密制程技術(shù)！ (2)非等向性蝕刻 (anisotropic etching) 先前題到之濕蝕刻選擇性觀念，是以不同材料之受蝕快慢程度來說明。然而自1970年代起，在諸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中，發(fā)表了許多有關(guān)堿性或有機(jī)溶液腐蝕單晶硅的文章，其特點(diǎn)是不同的硅晶面腐蝕速率相差極大，尤其是方向，足足比或是方向的腐蝕速率小一到兩個(gè)

13、數(shù)量級(jí)！因此，腐蝕速率最慢的晶面，往往便是腐蝕后留下的特定面。 這部份將在體型微細(xì)加工時(shí)再詳述。 2、干蝕刻 干蝕刻是一類較新型，但迅速為半導(dǎo)體工業(yè)所采用的技術(shù)。其利用電漿 (plasma) 來進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜材料的蝕刻加工。其中電漿必須在真空度約10至0.001 Torr 的環(huán)境下，才有可能被激發(fā)出來；而干蝕刻采用的氣體，或轟擊質(zhì)量頗巨，或化學(xué)活性極高，均能達(dá)成蝕刻的目的。 干蝕刻基本上包括離子轟擊(ion-bombardment)與化學(xué)反應(yīng)(chemical reaction) 兩部份蝕刻機(jī)制。偏離子轟擊效應(yīng)者使用氬氣(argon)，加工出來之邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微。而偏化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)者則采氟系

14、或氯系氣體(如四氟化碳CF4)，經(jīng)激發(fā)出來的電漿，即帶有氟或氯之離子團(tuán)，可快速與芯片表面材質(zhì)反應(yīng)。 干蝕刻法可直接利用光阻作蝕刻之阻絕遮幕，不必另行成長(zhǎng)阻絕遮幕之半導(dǎo)體材料。而其最重要的優(yōu)點(diǎn)，能兼顧邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微與高蝕刻率兩種優(yōu)點(diǎn)，換言之，本技術(shù)中所謂活性離子蝕刻(reactive ion etch；RIE) 已足敷次微米線寬制程技術(shù)的要求，而正被大量使用中。 3. 攙雜經(jīng)過這兩步后，我們就可以在上面加入其他雜質(zhì)，生成相應(yīng)的P，N類半導(dǎo)體。擴(kuò)散(爐) (diffusion) 1、擴(kuò)散摻雜 半導(dǎo)體材料可攙雜n型或p型導(dǎo)電雜質(zhì)來調(diào)變阻值，卻不影響其機(jī)械物理性質(zhì)的特點(diǎn)，是進(jìn)一步創(chuàng)造出p-n接合

15、面（p-n junction）、二極管（diode）、晶體管（transistor）、以至于大千婆娑之集成電路（IC）世界之基礎(chǔ)。而擴(kuò)散是達(dá)成導(dǎo)電雜質(zhì)攙染的初期重要制程。 眾所周知，擴(kuò)散即大自然之輸送現(xiàn)象 (transport phenomena)；質(zhì)量傳輸(mass transfer)、熱傳遞(heat transfer)、與動(dòng)量傳輸 (momentum transfer；即摩擦拖曳) 皆是其實(shí)然的三種已知現(xiàn)象。本雜質(zhì)擴(kuò)散即屬于質(zhì)量傳輸之一種，唯需要在850oC以上的高溫環(huán)境下，效應(yīng)才夠明顯。 由于是擴(kuò)散現(xiàn)象，雜質(zhì)濃度C （concentration；每單位體積具有多少數(shù)目的導(dǎo)電雜質(zhì)或載子）

16、服從擴(kuò)散方程式如下： 這是一條拋物線型偏微分方程式，同時(shí)與擴(kuò)散時(shí)間t及擴(kuò)散深度x有關(guān)。換言之，在某擴(kuò)散瞬間 (t固定)，雜質(zhì)濃度會(huì)由最高濃度的表面位置，往深度方向作遞減變化，而形成一隨深度x變化的濃度曲線；另一方面，這條濃度曲線，卻又隨著擴(kuò)散時(shí)間之增加而改變樣式，往時(shí)間無窮大時(shí)，平坦一致的擴(kuò)散濃度分布前進(jìn)！ 既然是擴(kuò)散微分方程式，不同的邊界條件（boundary conditions）施予，會(huì)產(chǎn)生不同之濃度分布外形。固定表面濃度 (constant surface concentration) 與固定表面攙雜量 (constant surface dosage)，是兩種常被討論的具有解析精確解

17、的擴(kuò)散邊界條件(參見圖2-4)： 2、前擴(kuò)散 (pre-deposition) 第一種定濃度邊界條件的濃度解析解是所謂的互補(bǔ)誤差函數(shù)(complementary error function)，其對(duì)應(yīng)之?dāng)U散步驟稱為前擴(kuò)散，即我們一般了解之?dāng)U散制程；當(dāng)高溫爐管升至工作溫度后，把待擴(kuò)散晶圓推入爐中，然后開始釋放擴(kuò)散源 (p型擴(kuò)散源通常是固體呈晶圓狀之氮化硼【boron-nitride】芯片，n型則為液態(tài)POCl3之加熱蒸氣) 進(jìn)行擴(kuò)散。其濃度剖面外形之特征是雜質(zhì)集中在表面，表面濃度最高，并隨深度迅速減低，或是說表面濃度梯度 (gradient) 值極高。3、后驅(qū)入 (post drive-in)

18、第二種定攙雜量的邊界條件，具有高斯分布 (Gaussian distribution) 的濃度解析解。對(duì)應(yīng)之?dāng)U散處理程序叫做后驅(qū)入，即一般之高溫退火程序；基本上只維持爐管的驅(qū)入工作溫度，擴(kuò)散源卻不再釋放?；騿栐唬憾〝v雜量的起始邊界條件自何而來？答案是前擴(kuò)散制程之結(jié)果；蓋先前前擴(kuò)散制作出之雜質(zhì)濃度集中于表面，可近似一定攙雜量的邊界條件也！ 至于為什么擴(kuò)散要分成此二類步驟，當(dāng)然不是為了投數(shù)學(xué)解析之所好，而是因應(yīng)阻值調(diào)變之需求。原來前擴(kuò)散的雜質(zhì)植入劑量很快達(dá)到飽和，即使拉長(zhǎng)前擴(kuò)散的時(shí)間，也無法大幅增加雜質(zhì)植入劑量，換言之，電性上之電阻率 (resistivity) 特性很快趨穩(wěn)定；但后驅(qū)入使表面濃度

19、及梯度減低(因雜質(zhì)由表面往深處擴(kuò)散)，卻又營(yíng)造出再一次前擴(kuò)散來增加雜質(zhì)植入劑量的機(jī)會(huì)。所以，借著多次反復(fù)的前擴(kuò)散與后驅(qū)入，既能調(diào)變電性上之電阻率特性，又可改變雜質(zhì)電阻之有效截面積，故依大家熟知之電阻公式 ； 其中 是電阻長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)出所需導(dǎo)電區(qū)域之?dāng)U散程序。 4、擴(kuò)散之其它要點(diǎn)，簡(jiǎn)述如下： (1)擴(kuò)散制程有批次制作、成本低廉的好處，但在擴(kuò)散區(qū)域之邊緣所在，有側(cè)向擴(kuò)散的誤差，故限制其在次微米 (sub-micron) 制程上之應(yīng)用。 (2)擴(kuò)散之后的阻值量測(cè)，通常以四探針法（four-point probe method）行之，示意參見圖2-5。目前市面已有多種商用機(jī)臺(tái)可供選購(gòu)。 (3)擴(kuò)散所需之

20、圖形定義（pattern）及遮掩（masking），通常以氧化層（oxide）充之，以抵擋高溫之環(huán)境。一微米厚之氧化層，已足敷一般擴(kuò)散制程之所需。以上3步不斷的進(jìn)行，直到芯片完成為止。在P4 處理器芯片的制作中一共用了26張遮光物，制造了7層金屬層。如下圖： 當(dāng)然不得不提的就是所有制作都在非常潔凈的環(huán)境完成。因?yàn)槿魏畏浅＜?xì)小的灰塵都會(huì)導(dǎo)致芯片的失敗（如下圖）。 4. 金屬鍍膜鍍上一層導(dǎo)電材料， 用以連接各半導(dǎo)體晶體管， 并經(jīng)蝕刻形成線路及 bond pad. 金屬鍍膜 (Metal Deposition) 又稱物理鍍膜 (Physical Vapor Deposition；PVD)，依原理分為

21、蒸鍍(evaporation) 與濺鍍 (sputtering) 兩種。PVD基本上都需要抽真空：前者在10-610-7Torr的環(huán)境中蒸著金屬；后者則須在激發(fā)電漿前，將氣室內(nèi)殘余空氣抽除，也是要抽到10-6 10-7Torr的程度。 一般的機(jī)械式抽氣幫浦，只能抽到10-3Torr的真空度，之后須再串接高真空幫浦 (機(jī)械式幫浦當(dāng)作接觸大氣的前級(jí)幫浦)，如：擴(kuò)散式幫浦 (diffusion pump)、渦輪式幫浦 (turbo pump)、或致冷式幫浦 (cryogenic pump)，才能達(dá)到10-6 10-7Torr的真空程度。當(dāng)然，不同的真空幫浦規(guī)范牽涉到不同原理之壓力計(jì)、管路設(shè)計(jì)、與價(jià)格。 1、蒸鍍 蒸鍍就加熱方式差異，分為電阻式 (thermal coater) 與電子槍式 (E-gun evaporator) 兩類機(jī)臺(tái)。前者在原理上較容易，就是直接將準(zhǔn)備熔融蒸發(fā)的金屬以線材方式掛在加熱鎢絲上，一旦受熱熔融，因液體表面張力之故，會(huì)攀附在加熱鎢絲上，然后徐徐蒸著至四周 (包含晶圓)。因加熱鎢絲耐熱能力與供金屬熔液攀附空間有