半導(dǎo)體工藝流程

1、這可能最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體工藝流程（一文看懂芯片制作流程）本文來源于公眾號(hào)“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園”上一期我們聊了CMOS的工作原理，我相信你即使從來沒有學(xué)過物理，從來沒學(xué)過數(shù)學(xué)也能看懂，但是有點(diǎn)太簡(jiǎn)單了，適合入門，如果你想了解更多的CMOS內(nèi)容，就要看這一期的內(nèi)容了，因?yàn)橹挥辛私馔旯に嚵鞒蹋ㄒ簿褪嵌O管的制作流程）之后，才可以繼續(xù)了解后面的內(nèi)容。那我們這一期就了解一下這個(gè)CMOS在foundry公司是怎么生產(chǎn)的（以非先進(jìn)制程作為例子，先進(jìn)制程的CMOS無論在結(jié)構(gòu)上還是制作原理上都不一樣）。首先要知道foundry從供應(yīng)商（硅片供應(yīng)商）那里拿到的晶圓（也叫wafer,我們后面簡(jiǎn)稱wafer）是一片一片的，半徑

2、為100mm（8寸廠）或者是150mm（12寸廠）的晶圓。如下圖，其實(shí)就是類似于一個(gè)大餅，我們把它稱作襯底。晶圓襯底但是呢，我們這么看不太方便，我們從下往上看，看截面圖，也就是變成了下圖這個(gè)樣子。晶圓襯底下面我們就看看怎么出現(xiàn)我們上一期提到的CMOS模型，由于實(shí)際的process需要幾千個(gè)步驟，我在這里就拿最簡(jiǎn)單的8寸晶圓的主要步驟來聊。制作Well和反型層:也就是通常說的阱，well是通過離子植入（IonImplantation,后面簡(jiǎn)稱imp）的方式進(jìn)入到襯底上的，如果要制作NMOS,需要植入P型well,如果制作PMOS,需要植入N型well,為了方便大家了解，我們拿NMOS來做例子。離

3、子植入的機(jī)器通過將需要植入的P型元素打入到襯底中的特定深度，然后再在爐管中高溫加熱，讓這些離子活化并且向周圍擴(kuò)散。這樣就完成了well的制作。制作完成后是這個(gè)樣子的。well襯底在制作well之后，后面還有其他離子植入的步驟，目的就是控制溝道電流和閥值電壓的大小，大家可以統(tǒng)一叫做反型層。如果是要做NMOS,反型層植入的是P型離子，如果是要做PMOS,反型層植入的是N型離子。植入之后是下面這個(gè)模型。反型層well襯底這里面有很多內(nèi)容的，比如離子植入時(shí)的能量，角度，離子的濃度等等，那些不在這一期當(dāng)中，而且我相信你了解那一些的話，肯定是圈內(nèi)人，你肯定有方法了解到。制作SiO2:后面就會(huì)制作二氧化硅（

4、SiO2后面簡(jiǎn)稱Oxide）,在CMOS的制作流程中，制作oxide的方法有很多。在這里由的SiO2是用在柵極下面的，它的厚度直接影響了閥值電壓的大小和溝道電流的大小。所以大多數(shù)foundry在這一步都是選擇質(zhì)量最高，厚度控制最精確，均勻性最好的爐管氧化方法。其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是在通氧氣的爐管中，通過高溫，讓氧氣和硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成SiO2這樣就在Si的表面生成了薄薄的一層SiO2,如下面的圖形。SiO2well襯底當(dāng)然這里面也有很多具體的信息，比如需要具體多少度啊，需要多少濃度的氧氣啊，需要高溫多長(zhǎng)時(shí)間啊等等，這些都不是我們現(xiàn)在考慮的，那些太具體了。柵端Poly的形成:但是到這里還沒結(jié)束，Si

5、O2只是相當(dāng)于螺紋，真正的柵極（Poly）還沒有開始做呢。所以我們下一步就是在SiO2上面鋪一層多晶硅（多晶硅也是單一的硅元素組成，但是品格排列方式不同。你千萬不要問我為什么襯底用單晶硅，柵極用多晶硅，這個(gè)有一本書叫半導(dǎo)體物理，您可以了解下，尷尬）。Poly也是CMOS非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，但是poly的成分是Si,不能彳t生長(zhǎng)SiO2那樣通過直接和Si襯底直接反應(yīng)生成。這就需要傳說中的CVD（化學(xué)氣相沉淀，ChemicalVaporDeposition）,就是在真空中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將生成的物體沉淀到wafer上，在這個(gè)例子中，生成的物質(zhì)就是多晶硅，然后沉淀到wafer上（這里要多說一句，pol

6、y是用CVD的方法在爐管中生成的，所以poly的生成不是用的純正CVD的機(jī)臺(tái)）。但是這種方法形成的多晶硅會(huì)在整片wafer都沉淀下來，沉淀之后是這個(gè)樣子襯底Poly和SiO2的曝光:到了上面這一步，其實(shí)已經(jīng)形成我們想要的垂直結(jié)構(gòu)了，最上面是poly,下面是SiO2,再到下面是襯底。但是現(xiàn)在整片wafer都是這樣，其實(shí)我們只需要一個(gè)特定位置是水龍頭”結(jié)構(gòu)。于是就有了整個(gè)工藝流程中最最關(guān)鍵的一步一曝光。我們先在wafer表面鋪一層光刻膠，也叫光阻（很難解釋光刻膠的概念是什么，我相信你看著看著就懂了）就變成了這個(gè)樣子。光阻柵極poly襯底然后再用定義好的掩膜版（掩膜版上已經(jīng)定義好了電路圖形）放在上面

7、，最后用特定波長(zhǎng)的光線照射，被照射的地方光阻會(huì)變活化，由于被掩膜版擋住的地方?jīng)]有被光源照到，所以這塊光阻沒有被活化。>>4光陰柵極polySiO£反型層Keii襯底由于被活化的光刻膠特別容易被特定化學(xué)液體洗掉，而沒有被活化的光刻膠不能被洗掉，所以通過照射后，再用特定的液體洗掉已經(jīng)活化的光刻膠，最后就變成了這個(gè)樣子，在需要保留Poly和SiO2的地方留下光阻，在不需要保留的地方除去光阻。光阻柵極poly|包oq反型層well襯底Poly和SiO2的刻蝕：這之后就是把那些多余的Poly和SiO2刻蝕掉，也就是除去掉，這個(gè)時(shí)候使用的是定向刻蝕。在刻蝕的分類中，有一種分法是定向刻

8、蝕和非定向刻蝕，定向刻蝕就是指在某個(gè)特定方向進(jìn)行刻蝕，而非定向刻蝕就是不定向的（一不小心又說多了，總之就是通過特定的酸堿，在某個(gè)特定的方向除去SiOZo在這個(gè)例子中我們采取向下的定向刻蝕除去SiO2,變成了這個(gè)樣子。光阻柵極polySiQ2反型層well襯底最后再除去光阻，這個(gè)時(shí)候除去光阻的方法就不是上面提到的通過光的照射活化，而是通過其他方式，因?yàn)槲覀儾恍枰谶@個(gè)時(shí)候定義特定的大小，而是將光阻全部除掉。最后變成如下圖所示。這樣我們就完成了保留特定位置Poly個(gè)SiO2的目的。源端和漏端的形成:最后我們?cè)倏紤]一下源端和漏端是怎么形成的。大家還記得在上一期中我們聊過，源端和漏端都是離子植入相同類

9、型的元素。這個(gè)時(shí)候，我們可以在需要植入N型的源/漏區(qū)域上用光阻開口。由于我們是只拿NMOS做例子，所以上圖中的所有部分都會(huì)開口，如下圖N型元素托陽.他設(shè)被光明前住的部分是PMQSM底.由于被光阻蓋住的部份是不能被植入的（光阻擋著了嘛），所以只有在需要的NMOS上才會(huì)植入N型元素。由于poly下面的襯底被poly和SiO2擋住，所以也不會(huì)被植入，于是就變成了這個(gè)樣子。到這里，一個(gè)簡(jiǎn)單的MOS模型就制作出來了，理論上來講，在source,drain,poly和襯底上加上電壓，這個(gè)MOS是可以工作的，但是我們總不能直接在source和drain拿個(gè)探針直接加上電壓吧。這個(gè)時(shí)候就需要MOS的布線，也就

10、是在這個(gè)MOS上面，連導(dǎo)線，讓很多MOS連在一起。我們就看看這個(gè)布線的過程。制作VIA:首先第一步就是在整個(gè)MOS上蓋一層SiO2,如下圖襯底當(dāng)然這個(gè)SiO2是通過CVD的方式產(chǎn)生的，因?yàn)檫@樣速度會(huì)很快，很節(jié)省時(shí)間。下面的話還是鋪光阻，曝光的那一套，結(jié)束之后是長(zhǎng)這個(gè)樣子。襯底然后再用刻蝕的方法在SiO2上刻蝕出一個(gè)洞，如下圖灰色的部分，這個(gè)洞的深度直接接觸Si表面。最后再除去光阻，得到下面的樣子SiO2well襯底這個(gè)時(shí)候要做的就是在這個(gè)洞里填導(dǎo)體，至于這個(gè)導(dǎo)體是什么？各家都不一樣，大部分都是鴇（Tungsten）的合金，那怎么才能填好這個(gè)洞呢？用的是PVD（PhysicalVaporDepo

11、sitioin物理氣相沉淀）的方式，原理類似于下圖。靶材使用高能量的電子或離子轟擊靶材，被打碎的靶材，會(huì)以原子的形式降落到下面,就這樣形成了下面的鍍膜。我們平時(shí)看新聞中提到的靶材就是指這里的靶材。d''aI441Ii4I4V口用高能電子或離子轟擊d44144iII4aqfI當(dāng)然我們?cè)谔畹臅r(shí)候，不可能控制鍍膜的厚度正好等于洞的深度，所以會(huì)多余一些，這樣就用到了CMP（ChemicalMechanicalpolishing化學(xué)機(jī)械研磨）技術(shù)，聽起來很高大上，其實(shí)就是磨，將多余的部分都給磨掉。結(jié)果就是這個(gè)樣子。襯底到了這里我們就完成了一層via的制作，當(dāng)然，via制作主要是為了后面的金屬層布線。金屬層制作：在上面這個(gè)條件下，我們用PVD的方式再dep一層金屬（metal）。這個(gè)金屬主要是以銅為主的合金。然后再經(jīng)過曝光，刻蝕，得到我們想要的樣子。然后不斷的往上疊加，直到滿足我們的需求。我們?cè)诋媗ayout時(shí)，會(huì)告訴你使用的工藝最多有多少