全面易懂的芯片制造個人經(jīng)驗總結(jié)

1、 # i第4章芯片制造概述本章介紹芯片生產(chǎn)工藝的概況。通過在器件表面生成電(2)解路元件的工藝順序，來闡述4種最基本的平面制造工藝。釋從電路功能設(shè)計圖到光刻掩膜版生產(chǎn)的電路設(shè)計過程。(3)闡述了晶圓和器件的相關(guān)特性與術(shù)語。4.1晶圓生產(chǎn)的目標芯片的制造，分為4個階段：原料制作、單晶生長和晶圓的制造、集成電路晶圓的生產(chǎn)、集成電路的封裝。前兩個階段已經(jīng)在前面第3章涉及。本章講述的是第3個階段,集成電路晶圓生產(chǎn)的基礎(chǔ)知識。集成電路晶圓生產(chǎn)(waferfabrication)是在晶圓表面上和表面內(nèi)制造出半導(dǎo)體器件的一系列生產(chǎn)過程。整個制造過程從硅單晶拋光片開始，到晶圓上包含了數(shù)以百計的集成電路芯片。晶

2、圓生產(chǎn)的第3階段成品晶圓晶圓測試晶圓生產(chǎn)的階段4.2晶圓術(shù)語下圖列舉了一片成品晶圓。 晶圓術(shù)語晶圓表面各部分的名稱如下:器件或叫芯片(Chip,die,device,circuit,microchip,bar)：這是指在晶圓表面占大部分面積的微芯片掩膜。街區(qū)或鋸切線(Scribelines,sawlines,streets,avenues):在晶圓上用來分隔不同芯片之間的街區(qū)。街區(qū)通常是空白的，但有些公司在街區(qū)內(nèi)放置對準靶，或測試的結(jié)構(gòu)。工程試驗芯片(Engineeringdie,testdie)：這些芯片與正式器件(或稱電路芯片)不同。它包括特殊的器件和電路模塊用于對晶圓生產(chǎn)工藝的電性測試。

3、邊緣芯片(Edgedie)：在晶圓的邊緣上的一些掩膜殘缺不全的芯片。由于單個芯片尺寸增大而造成的更多邊緣浪費會由采用更大直徑晶圓所彌補。推動半導(dǎo)體工業(yè)向更大直徑晶圓發(fā)展的動力之一就是為了減少邊緣芯片所占的面積。晶圓的晶面(WaferCrystalPlane)：圖中的剖面標明了器件下面的晶格構(gòu)造。此圖中顯示的器件邊緣與晶格構(gòu)造的方向是確定的。晶圓切面/凹槽(Waferflats/notche)：圖中的晶圓有主切面和副切面，表示這是一個P型晶向的晶圓(參見第3章的切面代碼)。300毫米晶圓都是用凹槽作為晶格導(dǎo)向的標識。4.3晶圓生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝集成電路芯片有成千上萬的種類和功用。但是，它們都是由為數(shù)

4、不多的基本結(jié)構(gòu)(主要為雙極結(jié)構(gòu)和金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)這些在后面介紹)和生產(chǎn)工藝制造出來的。這類似于汽車工業(yè)，這個工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品范圍很廣，從轎車到推土機。然而，金屬成型、焊接、油漆等工藝對汽車廠都是通用的。在汽車廠內(nèi)部，這些基本的工藝以不同的方式被應(yīng)用，以制造出客戶希望的產(chǎn)品。芯片制造也是一樣，制造企業(yè)使用4種最基本的工藝方法，通過大量的工藝順序和工藝變化制造出特定的芯片。這些基本的工藝方法是：增層、光刻、摻雜和熱處理。增層光刻摻雜熱處理晶圓生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝增層增層是在晶圓表面形成薄膜的加工工藝。從下圖的簡單MOS晶體管，可以看出在晶圓表面生成了許多的薄膜。這些薄膜可以是絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w。它們

5、由不同的材料組成，是使用多種工藝生長或淀積的。淀積鈍化層氧化層淀積金屬膜截面圖：完整金屬氧化物柵極晶體管的生長層和沉積層這里主要的工藝技術(shù)是：生長二氧化硅膜和淀積不同種材料的薄膜（如下圖所示）增層的制程II生長法淀積法一氧化工藝一氮化硅工藝化學(xué)氣相淀積工藝蒸發(fā)工藝-濺射增層的制程分類通用的淀積技術(shù)是：化學(xué)氣相淀積、蒸發(fā)和濺射F表列出了常見的薄膜材料和增層工藝。其中每項的具體情況、各種薄膜在器件結(jié)構(gòu)內(nèi)的功用等，在本書的后面章節(jié)中有闡述。層別熱氧化工藝化學(xué)氣相淀積工藝蒸發(fā)工藝濺射工藝絕緣層二氧化硅二氧化硅；氮化硅二氧化硅；一氧化硅；半導(dǎo)體層外延單晶硅；多晶硅導(dǎo)體層鋁；鋁/硅合金；鋁銅合金；鎳鉻鐵合

6、金；黃金鎢；鈦；鉬；鋁/硅合金；鋁銅合金薄層分類/工藝與材r料的對照表光刻光刻是通過一系列生產(chǎn)步驟，將晶圓表面薄膜的特定部分除去的工藝（見下圖）。有購膜的晶圓光刻制程一亡23正膠工藝-開孔負膠工藝-留島光刻加工過程光刻生產(chǎn)的目標是根據(jù)電路設(shè)計的要求，生成尺寸精確的特征圖形，且在晶圓表面的位置要正確，而且與其他部件的關(guān)聯(lián)也要正確。在此之后，晶圓表面會留下帶有微圖形結(jié)構(gòu)的薄膜。被除去部分的可能形狀是薄膜內(nèi)的孔或是殘留的島狀在晶圓的制造過程中，晶體三極管、二極管、電容、電阻和金屬層的各種物理部件在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成。這些部件是每次在一個掩膜層上生成的，并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分。光刻是所有4個

7、基本工藝中最關(guān)鍵的。光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸。光刻過程中的錯誤可能造成圖形歪曲或套準不好，最終可轉(zhuǎn)化為對器件的電特性產(chǎn)生影響，圖形的錯位也會導(dǎo)致類似的不良結(jié)果。光刻工藝中的另一個問題是缺陷。光刻是高科技版本的照相術(shù)，只不過是在難以置信的微小尺寸下完成的。在制程中的污染物會造成缺陷。事實上由于光刻在晶圓生產(chǎn)過程中要完成5層至20層或更多，所以污染問題將會被放大。摻雜摻雜是將特定量的雜質(zhì)通過薄膜開口引入晶圓表層的工藝過程（見下圖）。離子注入摻雜它有兩種工藝方法：熱擴散和離子注入，將后面詳細闡述。熱擴散熱擴散是在1000。左右的高溫下，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。它是一個化學(xué)反應(yīng)過程。晶圓暴露在一定摻雜元素氣態(tài)

8、下。擴散的簡單例子就如同除臭劑從壓力容器內(nèi)釋放到房間內(nèi)。氣態(tài)下的摻雜原子通過擴散化學(xué)反應(yīng)遷移到暴露的晶圓表面，形成一層薄膜。在芯片應(yīng)用中，熱擴散也被稱為固態(tài)擴散因為晶圓材料是固態(tài)的。（2）離子注入離子注入是一個物理反應(yīng)過程。晶圓被放在離子注入機的一端，摻雜離子源（通常為氣態(tài)）在另一端。在離子源一端，摻雜體原子被離子化（帶有一定的電荷），被電場加到超高速，穿過晶圓表層。原子的動量將摻雜原子注入晶圓表層，就好像一粒子彈從槍內(nèi)射入墻中。摻雜的總結(jié)摻雜工藝的目的是：在晶圓表層內(nèi)建立兜形區(qū)，如下圖所示，或是富含電子（N型）或是富含空穴（P型）。這些兜形區(qū)形成電性活躍區(qū)和PN結(jié)，在電路中的晶體管、二極管、

9、電容器、電阻器都依靠它來工作。有氧化膜的晶圓摻雜前N也和卩型區(qū)域晶片表面的N型和P型摻雜區(qū)的構(gòu)成熱處理熱處理是簡單地將晶圓加熱和冷卻，來達到特定結(jié)果的制程。在熱處理的過程中，在晶圓上沒有增加或減去任何物質(zhì)，另外會有一些污染物和水汽從晶圓上蒸發(fā)。（1）在離子注入制程后會有一步重要的熱處理。摻雜原子的注入所造成的晶圓損傷會被熱處理修復(fù)，這稱為退火，溫度在1000C左右。（2）另外，金屬導(dǎo)線在晶圓上制成后會也會進行熱處理。這些導(dǎo)線在電路的各個器件之間承載電流。為了確保良好的導(dǎo)電性，金屬會在450OC熱處理后與晶圓表面緊密熔合。（3）熱處理的第三種用途是：通過加熱在晶圓表面的光刻膠，將溶劑蒸發(fā)掉，從而

10、得到精確的圖形。4.4制造半導(dǎo)體器件和電路當今的芯片結(jié)構(gòu)含有多層薄膜和摻雜。很多層的薄膜生長或淀積在晶圓表面，包括多層的導(dǎo)體配合和絕緣體（參見下圖的四層截面）。M2-.I.%1工蹙馭典:豐豐:M2二第二層金屬:儕插塞Ml二第一層金屬典型VLSI規(guī)模兩層金屬集成電路結(jié)構(gòu)的截面圖完成如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需要很多生產(chǎn)工藝，并且每種工藝按照特定順序進行，又包含一些子工藝步驟。例如，64GbCMOS器件的特殊制程需要180個重要工藝步驟、50多次次清洗和多達近30層膜版。下表列出了4種基礎(chǔ)工藝和每一個工藝方案的原理。在圖中的是針對一個簡單器件一一MOS柵極硅晶體管而言，說明了制造的順序。晶圓制造加工/工藝一覽

11、表基本工藝制程方法具體分類增層光刻氧化常壓氧化法化學(xué)氣相淀積高壓氧化法快速熱氧化常壓化學(xué)氣相淀積分子束外延物理氣相淀積低壓化學(xué)氣相淀積等離子增強化學(xué)氣相淀積氣相外延法金屬有機物化學(xué)氣相淀積真空蒸發(fā)法光刻膠濺射法正膠工藝曝光系統(tǒng)負膠工藝接觸式曝光曝光源接近式曝光投影式曝光步進曝光機高壓汞成像工藝X射線電子束曝光單層光刻膠刻蝕多層光刻膠防反射層偏軸照明環(huán)狀照明平坦化對比度提高濕化學(xué)刻蝕干法刻蝕 ii摻雜擴散離子注入熱處理加熱熱輻射剝脫反應(yīng)離子刻蝕法開放式爐管一水平/豎置封閉爐管快速熱處理中/高電流離子注入低能量/高能量離子注人加熱盤熱對流快速加熱紅外線加熱4.4.1電路設(shè)計電路設(shè)計是產(chǎn)生芯片整個過

12、程的第一步。(1)電路設(shè)計由布局、尺寸設(shè)計、設(shè)計電路上一塊塊的功能電路圖開始，例如邏輯功能圖(見下圖)，這個邏輯圖設(shè)計了電路要求的主要功能和運算。簡單電路的邏輯功能設(shè)計圖舉例（2）接下來，設(shè)計人員將邏輯功能圖轉(zhuǎn)化為示意圖（參見下圖），示意圖標示出了各種電路元件的數(shù)量和連接關(guān)系。每一個元件在圖上由符號代表。附在示意圖后的是電路運行必需的電性能參數(shù)（電路、電壓、電阻等）。PNP型卜晶體管由元件符號組成的電路示意圖舉例（3）第三步是電路版面設(shè)計，它是半導(dǎo)體集成電路所獨有的。電路的工作運行與很多因素相關(guān)，包括材料電阻率，材料物理特性和元件的物理尺寸。另外的因素是各個元件之間的相對定位關(guān)系。所有這些考慮

13、因素決定了元件、器件、電路的物理布局和尺寸。線路圖設(shè)計開始于使用復(fù)雜尖端的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)（CAD），將每一個電路元件轉(zhuǎn)化為具體的圖形和尺寸。通過CAD系統(tǒng)構(gòu)造成電路，接下來將是把最后的設(shè)計完全復(fù)制。得到的結(jié)果是一張展示所有子層圖形的復(fù)合疊加圖，稱此圖為復(fù)合圖。如下圖所示。復(fù)合圖類似于一座多層辦公樓的設(shè)計圖，從頂部俯視并展示所有樓層。但是，復(fù)合圖是實際電路尺寸的許多倍。制造集成電路和蓋樓房同樣需要一層層地建，因此必須將電路的復(fù)合圖分解為每層的設(shè)計圖。下圖以一個簡單的金屬氧化物柵極晶體管為例，圖解了復(fù)合圖形和分層圖形。復(fù)合圖所有掩膜版疊加并對準5層掩膜版柵極晶體管的復(fù)合圖和分層圖每層的圖形是數(shù)

14、字化的（數(shù)字化是圖形轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫），并由計算機處理的x坐標的設(shè)計圖。4.4.2光刻母版和掩膜版 光刻工藝是用于在晶圓表面上和內(nèi)部產(chǎn)生需要的圖形和尺寸。將數(shù)字化圖形轉(zhuǎn)到晶圓上需要一些加工步驟。在光刻制程中,準備光刻母版(reticle)是其中一個步驟。光刻母版是在玻璃或石英板的鍍薄膜鉻層上生成分層設(shè)計電路圖的復(fù)制圖光刻母版可直接用于進行光刻，也可以用來制造掩膜版掩膜版是在玻璃底板表層鍍鉻。在加工完成后，在掩膜版表面會覆蓋許多電路圖形的副本(見下圖(b)。掩膜版是用整個晶圓表面來形成圖形。這里光刻母版和掩膜版的制作過程將在后面章節(jié)中講述)。下圖解釋了從電路設(shè)計到圖形成型與晶圓之上的過程。光刻母版和

15、掩膜版由工廠單獨的部門制造，或者從外部供應(yīng)商購買。它向芯片生產(chǎn)部門按每種電路器件種類，提供一套光刻母版或掩膜版。(a)在玻璃模版上鍍鉻；(b)有相同圖形的光刻母版4.4.3晶圓制造的例子集成電路的生產(chǎn)從拋光硅片的下料開始。（下圖的）截面圖按順序，展示了制造一個簡單的MOS柵極硅晶體管結(jié)構(gòu),所需要的基礎(chǔ)工藝。原料品岡源/漏扱摻雜和氧化層再生尺光刻及生長柵扱氯化層接觸插塞光刻和金屬MOS柵極硅晶體管的工藝步驟每一步工藝生產(chǎn)的說明如下所示:第1步：增層工藝。對晶圓表面的氧化會形成一層保護薄膜，它可作為摻雜的屏障。這層二氧化硅膜被稱為場氧化層。第2步：光刻工藝。光刻制程在場氧化層上開凹孔，以定義晶體管

16、的源極、柵極和漏極的特定位置。第3步：增層工藝。接下來，晶圓將經(jīng)過二氧化硅氧化反應(yīng)加工。晶圓暴露的硅表面會生長一層氧化薄膜。它可作為柵極氧化層。第4步：增層工藝。在這一步，晶圓上沉積一層多晶硅作為柵極構(gòu)造。第6步：摻雜工藝。第7步：增層工藝第8步：光刻工藝孔，稱為接觸孔。第9步：增層工藝金屬通常是鋁的合金。第5步：光刻工藝。在氧化層多晶硅層按電路圖形刻蝕兩個開口，它們定義了晶體管的源極和漏極區(qū)域。這用于在源極和漏極區(qū)域形成N阱。在源極和漏極區(qū)域生長一層氧化膜。在整個晶圓的表面沉積一層導(dǎo)電金屬，該分別在源極、柵極和漏極區(qū)域刻蝕形成的第10步：光刻工藝。把晶圓表面金屬鍍層在芯片和街區(qū)上的部分，按照

17、電路圖形除去。金屬膜剩下的部分將芯片的每個元件，準確無誤地按照設(shè)計要求互相連接起來。第11步：熱處理工藝。緊隨金屬刻蝕加工后，晶圓將在氮氣環(huán)境下經(jīng)歷加熱工藝。此步加工的目的是使金屬與源、漏、柵極進一步熔合以獲得更好的電性接觸連接。第12步：增層工藝。芯片器件上的最后一層是保護層，通常被稱為防刮層或鈍化層。它的用途是使芯片表面的元件在電測，封裝及使用時得到保護。第13步：光刻工藝。在整個工藝加工序列的最后一步，是將鈍化層位于芯片周邊金屬引線墊上的部分刻蝕掉。這一步被稱為引線墊掩膜（在圖中沒有列出）。這13步工藝流程，舉例闡述了4種最基本的工藝方法是如何應(yīng)用到制造一個具體的晶體管結(jié)構(gòu)的。電路所需的

18、其他元件（二極管、電阻器和電容）也同時在電路的不同區(qū)域上構(gòu)成。比如說，在這個工藝流程下，電阻的圖形和晶體管源漏極圖形同時被添加在晶圓上。隨后的擴散工藝形成源極柵極和電阻。對于其他形式的晶體管，例如，雙極型和硅晶柵極金屬氧化物半導(dǎo)體，也同樣是由這4種最基本的工藝方法加工而成的，不同的只是所用材料和工藝流程。4.5芯片的幾個術(shù)語下圖是一個中等規(guī)模的金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路的顯微照片。芯片的例子該芯片的主要結(jié)構(gòu)部件是：雙極型晶體管；電路的特定編號；壓焊點；壓焊點上的一小塊污染物;金屬導(dǎo)線；街區(qū)(芯片間的分割線)；獨立五連接的元件；掩膜版對準標記；電阻。4.6晶圓測試在晶圓制造完成之后，一非常重要的步驟是測試。在測試過程中，每一個芯片的電性能力和電路功能都被檢測到。晶圓測試也稱為芯片測試。在測試時，晶圓被固定在真空吸力的卡盤上，并與很薄的探針電測器對準，同時探針與芯片的每一個焊接墊相接觸(見下圖)。電測器在電源的驅(qū)動下測試電路并記錄下結(jié)果。測試的數(shù)量、順序和類型由計算機程序控制。測試機是自動化的，所以在探針電測器與第一片晶圓對準后(人工對準或使用自動視覺系統(tǒng))的測試工作無需操作員的輔助。z晶圓制造電源計算機