集成芯片的制造工藝

集成芯片的制造工藝

2012年4月10日謝鑫湖南大學信息科學與工程學院，長沙410082摘要：集成電路的制造工藝是由多種單項工藝組合而成的，簡單來說主要的單項工藝通常包括三類：薄膜形成工藝、圖形轉(zhuǎn)移工藝和摻雜工藝。薄膜形成工藝包括氧化工藝和薄膜淀積工藝。該工藝通過生長或淀積的方法，生成集成電路制造過程中所需的各種材料的薄膜，如金屬層、絕緣層等。圖形轉(zhuǎn)移工藝包括光刻工藝和刻蝕工藝。從物理上說，集成電路是由許許多多的半導體元器件組合而成的，對應在硅品圓片上就是半導體、導體以及各種不同層上的隔離材料的集合。集成電路制造工藝首先將這些結(jié)構(gòu)以圖形的形式制作在光刻掩模板上，然后通過圖形轉(zhuǎn)移技術將圖形轉(zhuǎn)移到硅品圓片上。摻雜工藝包括擴散工藝和離子注入工藝，通過這些工藝將各種雜質(zhì)按照設計要求摻人品圓片的特定位置上，形成品體管的各“極”以及歐姆接觸(金屬與半導體的接觸)等。關鍵詞：集成芯片；制作；薄膜形成：圖形轉(zhuǎn)移；摻雜基金項目：國家自然科學基金資助項目(61070161，61070158，61003257，60773103,90912002)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)基金資助項目(2010CB328104)；國家科技支撐計劃課題基金資助項目(2010BAI88B03)；教育部博士點基金課題基金資助項目(200802860031)；湖南省自然科學基金資助項目(BK2008030)；國家科技重大專項課題基金資助項目(2009ZX03004-004-04)；湖南省“微電子電路”重點實驗室基金資助項目(BM2003201)；“微電子電路”教育部重點實驗室項目(93K-9)作者簡介：謝鑫(1992一)，男，云南大理，本科生，湖南大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術、RFID技術、網(wǎng)絡安全和管理、服務計算。芯片的原料是什么，大家都會輕而易舉的給出答案一是硅。這是不假，但硅又來自哪里呢？其實就是那些最不起眼的沙子。難以想象吧，價格昂貴，結(jié)構(gòu)復雜，功能強大，充滿著神秘感的芯片竟然來自那根本一文不值的沙子。當然這中間必然要經(jīng)歷一個復雜的制造過程才行。不過不是隨便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑細選，從中提取出最最純凈的硅原料才行。試想一下，如果用那最最廉價而又儲量充足的原料做成芯片，那么成品的質(zhì)量會怎樣，你還能用上像現(xiàn)在這樣高性能的處理器嗎？正文：除去硅之外，制造芯片還需要一種重要的材料就是金屬。目前為止，鋁已經(jīng)成為制作處理器內(nèi)部配件的主要金屬材料，而銅則逐漸被淘汰，這是有一些原因的，在目前的芯片工作電壓下，鋁的電遷移特性要明顯好于

銅。所謂電遷移問題，就是指當大量電子流過一段導體時，導體物質(zhì)原子受電子撞擊而離開原有位置，留下空位，空位過多則會導致導體連線斷開，而離開原位的原子停留在其它位置，會造成其它地方的短路從而影響芯片的邏輯功能，進而導致芯片無法使用。［1］這就是許多NorthwoodPentium4換上SNDS（北木暴畢綜合癥）的原因，當發(fā)燒友們第一次給NorthwoodPentium4超頻就急于求成，大幅提高芯片電壓時，嚴重的電遷移問題導致了芯片的癱瘓。這就是intel首次嘗試銅互連技術的經(jīng)歷，它顯然需要一些改進。不過另一方面講，應用銅互連技術可以減小芯片面積，同時由于銅導體的電阻更低，其上電流通過的速度也更快。除了這兩樣主要的材料之外，在芯片的設計過程中還需要一些種類的化學原料，它們起著不同的作用，這里不再贅述。芯片制造的準備階段［2］在必備原材料的采集工作完畢之后，這些原材料中的一部分需要進行一些預處理工作。而作為最主要的原料，硅的處理工作至關重要。首先，硅原料要進行化學提純，這一步驟使其達到可供半導體工業(yè)使用的原料級別。而為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過溶化硅原料，然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器而完成的。而后，將原料進行高溫溶化。中學化學課上我們學到過，許多固體內(nèi)部原子是晶體結(jié)構(gòu)，硅也是如此。為了達到高性能處理器的要求，整塊硅原料必須高度純凈，及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出，此時一個圓柱體的硅錠就產(chǎn)生了。從目前所使用的工藝來看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。［3］不過現(xiàn)在intel和其它一些公司已經(jīng)開始使用300毫米直徑的硅錠了。在保留硅錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當?shù)碾y度的，不過只要企業(yè)肯投入大批資金來研究，還是可以實現(xiàn)的。intel為研制和生產(chǎn)300毫米硅錠而建立的工廠耗費了大約35億美元，新技術的成功使得intel可以制造復雜程度更高，功能更強大的集成電路芯片。而200毫米硅錠的工廠也耗費了15億美元。下面就從硅錠的切片開始介紹芯片的制造過程。單晶硅錠［4］在制成硅錠并確保其是一個絕對的圓柱體之后，下一個步驟就是將這個圓柱體硅錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質(zhì)量檢驗尤為重要，它直接決定了成品芯片的質(zhì)量。單晶硅錠

新的切片中要摻入一些物質(zhì)而使之成為真正的半導體材料，而后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。摻入的物質(zhì)原子進入硅原子之間的空隙，彼此之間發(fā)生原子力的作用，從而使得硅原料具有半導體的特性。［5］今天的半導體制造多選擇CMOS工藝（互補型金屬氧化物半導體）。其中互補一詞表示半導體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。而N和P在電子工藝中分別代表負極和正極。多數(shù)情況下，切片被摻入化學物質(zhì)而形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設計，這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節(jié)能。同時在多數(shù)情況下，必須盡量限制pMOS型品體管的出現(xiàn)，因為在制造過程的后期，需要將N型材料植入P型襯底當中，而這一過程會導致pMOS管的形成。［6］在摻入化學物質(zhì)的工作完成之后，標準的切片就完成了。然后將每一個切片放入高溫爐中加熱，通過控制加溫時間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過密切監(jiān)測溫度，空氣成分和加溫時間，該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中，門氧化物的寬度小到了驚人的5個原子厚度。這一層門電路也是晶體管門電路的一部分，品體管門電路的作用是控制其間電子的流動，通過對門電壓的控制，電子的流動被嚴格控制，而不論輸入輸出端口電壓的大小。準備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個感光層。這一層物質(zhì)用于同一層中的其它控制應用。這層物質(zhì)在干燥時具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過程結(jié)束之后，能夠通過化學方法將其溶解并除去。光刻蝕［7］該過程使用了對紫外光敏感的化學物質(zhì)，即遇紫外光則變軟。通過控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蝕劑，使得其遇紫外光就會溶解。這時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。這是目前的芯片制造過程當中工藝非常復雜的一個步驟，為什么這么說呢？光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕，由此改變該處材料的化學特性。這項技術對于所用光的波長要求極為嚴格，需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡。刻蝕過程還會受到晶圓上的污點的影響。每一步刻蝕都是一個復雜而精細的過程。設計每一步過程的所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB的單位來計量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步（每一步進行一層刻蝕）。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個紐約市外加郊區(qū)范圍的地圖相比，甚至還要復雜，試想一下，把整個紐約地圖縮小到實際面積大小只有100個平方毫米的芯片上，那么這個芯片的結(jié)構(gòu)有多么復雜，可想而知了吧。當這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓被翻轉(zhuǎn)過來。短波長光線透過石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然后撤掉光線和模板。通過

化學方法除去暴露在外邊的感光層物質(zhì)，而二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。摻雜具體工藝是是從硅片上暴露的區(qū)域開始，放入化學離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區(qū)的導電方式，使每個晶體管可以通、斷、或攜帶數(shù)據(jù)。簡單的芯片可以只用一層，但復雜的芯片通常有很多層，這時候?qū)⑦@一流程不斷的重復，不同層可通過開啟窗口聯(lián)接起來。這一點類似所層PCB板的制作制作原理。更為復雜的芯片可能需要多個二氧化硅層，這時候通過重復光刻以及上面流程來實現(xiàn)，形成一個立體的結(jié)構(gòu)。在殘留的感光層物質(zhì)被去除之后，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來的在該層下方的硅層。這一步之后，另一個二氧化硅層制作完成。然后，加入另一個帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門電路的另一種類型。由于此處使用到了金屬原料（因此稱作金屬氧化物半導體），多晶硅允許在晶體管隊列端口電壓起作用之前建立門電路。感光層同時還要被短波長光線透過掩?？涛g。再經(jīng)過一部刻蝕，所需的全部門電路就已經(jīng)基本成型了。然后，要對暴露在外的硅層通過化學方式進行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創(chuàng)建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒個品體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作端口。重復這一過程從這一步起，你將持續(xù)添加層級，加入一個二氧化硅層，然后光刻一次。重復這些步驟，然后就出現(xiàn)了一個多層立體架構(gòu)，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態(tài)了。在每層之間采用金屬涂膜的技術進行層間的導電連接。今天的P4處理器采用了7層金屬連接，而Athlon64使用了9層，所使用的層數(shù)取決于最初的版圖設計，并不直接代表著最終產(chǎn)品的性能差異。接下來的幾個星期就需要對晶圓進行一關接一關的測試，包括檢測品圓的電學特性，看是否有邏輯錯誤，如果有，是在哪一層出現(xiàn)的等等。而后，晶圓上每一個出現(xiàn)問題的芯片單元將被單獨測試來確定該芯片有否特殊加工需要。而后，整片的晶圓被切割成一個個獨立的處理器芯片單元。[10]在最初測試中，那些檢測不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來的芯片單元將被采用某種方式進行封裝，這樣它就可以順利的插入某種接口規(guī)格的主板了。大多數(shù)intel和AMD的處理器都會被覆蓋一個散熱層。在處理器成品完成之后，還要進行全方位的芯片功能檢測。這一部會產(chǎn)生不同等級的產(chǎn)品，一些芯片的運行頻率相對較高，于是打上高頻率產(chǎn)品的名稱和編號，而那些運行頻率相對較低的芯片則加以改造，打上其它的低頻率型號。這就是不同市場定位的處理器。而還有一些處理器可能在芯片功能上有一些不足之處。比如它在緩存功能上有缺陷（這種缺陷足以導致絕大多數(shù)的芯片

癱瘓)，那么它們就會被屏蔽掉一些緩存容量，降低了性能，當然也就降低了產(chǎn)品的售價，這就是Celeron和Sempron的由來。[11]在芯片的包裝過程完成之后，許多產(chǎn)品還要再進行一次測試來確保先前的制作過程無一疏漏，經(jīng)過上面的幾道工藝之后，晶圓上就形成了一個個格狀的品粒。通過針測的方式對每個晶粒進行電氣特性檢測。一般每個芯片的擁有的晶粒數(shù)量是龐大的，組織一次針測試模式是非常復雜的過程，這要求了在生產(chǎn)的時候盡量是同等芯片規(guī)格構(gòu)造的型號的大批量的生產(chǎn)。數(shù)量越大相對成本就會越低，這也是為什么主流芯片器件造價低的一個因素。且產(chǎn)品完全遵照規(guī)格所述，沒有偏差。參考文獻：[1]FEDERALCC.Spectrumpolicytaskforcereport[EB/OL]./edocs_public/attachmatch/DOC-228542A1.pdf,2002MCHENRYM.Spectrumwhitespacemeasurements[EB/OL]./Download_Docs/pdfs/Doc_File_185_1.pdf,2003.CABRICD,O'DONNELLID,CHENMSW,etal.Spectrumsharingradios[J].IEEECircuitsandSystemsMagazine,2006,6(2):30-45.HAYKINS.Cognitiveradio:brain-empoweredwirelesscommunications[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2005,23(2):201-220.ZHAOQ,SADLERBM.Asurveyofdynamicspectrumaccess:signalprocessing,networking,andregulatorypolicy[J].IEEESignalProcessingMagazine,2007,24(3):79-89.ZHAOQ,TONGL,SWAMIA,etal.DecentralizedcognitiveMACforopportunisticspectrumaccessinadhocnetworks:aPOMDPframework[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2007,25(3):589-600.ZHAOQC,GEIRHOFERS,TONGL,etal.Opportunisticspectrumacce