前端工藝的概覽和氧化工藝的區(qū)別

無(wú)可否認(rèn)，不論是半導(dǎo)體技術(shù)還是其產(chǎn)業(yè)本身，都已經(jīng)成為所有市場(chǎng)中最大的產(chǎn)業(yè)之一。全球媒體、企業(yè)和政府也紛紛把目光投向了半導(dǎo)體工廠的下一個(gè)建設(shè)地。而每一次的技術(shù)革新都會(huì)進(jìn)一步增加對(duì)智能設(shè)備的需求，半導(dǎo)體芯片的重要性也隨之變得愈加突顯。

然而，人們對(duì)半導(dǎo)體的變遷史和崛起卻未必同樣熟悉。從家用電器到智能手機(jī)，半導(dǎo)體是驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備不可或缺的元件。本期文章就來(lái)追溯一下這一核心元件的起源，了解一下它是如何成為我們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分的。

- 半導(dǎo)體前端工藝 -

以下六篇文章將詳細(xì)介紹半導(dǎo)體的特征及工藝：“計(jì)算機(jī)與晶體管（Computers and Transistors）”、“工藝與氧化（Process and Oxidation）”、“光刻（Photolithography）”、“蝕刻（Etching）”、“沉積（Deposition）”和“金屬布線（Metal Wiring）”。這些文章著重于說(shuō)明技術(shù)之間的相關(guān)性。

01

半導(dǎo)體制程工藝概覽

在第一篇的最后，我們說(shuō)到金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的平面式結(jié)構(gòu)讓人們可以在晶圓上同時(shí)制造出好幾個(gè)MOSFET。且與第一代晶體管BJT1不同，MOSFET無(wú)需焊接過程。本期內(nèi)容就讓我們來(lái)詳細(xì)了解一下具體的制程工藝。

為方便講解，我們先來(lái)看一下普通電子零件是怎么制成的。只要拆解身邊的任何一件電子產(chǎn)品，我們便不難發(fā)現(xiàn)：其基本結(jié)構(gòu)都是把晶體管、干電池、蓄電池和電感線圈等各種單位電子元器件固定在PCB2上，制程工藝可簡(jiǎn)單概括為“電子元器件的制造 → 電子元器件的固定”。

1 BJT ：雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor），即通過一定的工藝將半導(dǎo)體內(nèi)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起（PN結(jié)合）制成的晶體管。

2 PCB ：印刷電路板（Printed Circuit Board），大部分電子產(chǎn)品采用的一種半導(dǎo)體基板，將電路布置在一個(gè)基板上，在其表面上焊接各種電子零件。

▲ 圖1: 基板上焊接了各種電子元器件。過去，計(jì)算機(jī)的CPU也采用這種制作方法。（摘自：查看原文-https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SMScard.jpg）

同樣，在晶圓上制作 MOSFET時(shí)也采用這種順序。晶圓加工的第一道工藝就是“制造”各種電子元器件。說(shuō)是“制造”，其實(shí)就是通過在晶圓上的各種處理，繪制所需的電子元器件。這一過程我們稱之為晶圓加工的前端工藝（FEOL，F(xiàn)ront End Of the Line）。隨后，我們需要“固定”這些電子元器件。當(dāng)然，對(duì)于這么小的電子元器件，無(wú)法使用直接焊接的方式，而是需要采用與FEOL相似的技術(shù)，通過金屬布線在多達(dá)數(shù)十億個(gè)電子元器件之間形成連接。這一過程我們稱之為晶圓加工的后端工藝（BEOL，Back End Of the Line）。FEOL與BEOL加起來(lái)，統(tǒng)稱為半導(dǎo)體制造的“前端工藝”。

▲ 圖2：實(shí)際工藝順序；在FEOL階段制作MOSFET，然后再以金屬布線代替焊接過程，連接FEOL的各種電子元器件。（摘自：查看原文-https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cmos-chip_structure_in_2000s_(en).svg-）

接下來(lái)我們要逐一講解的氧化、光刻、刻蝕等都是FEOL和BEOL中的工藝，各工藝的目的不同，使用特定設(shè)備的頻率和次數(shù)也各不相同，但根本目的都是為了繪制繁多而精細(xì)的電路。

▲ 圖3: 半導(dǎo)體制程工藝概覽及其相關(guān)制造公司

一般來(lái)說(shuō)，我們所知道的半導(dǎo)體制造的八大工藝分別為：晶圓制造、氧化、光刻、刻蝕、沉積、金屬布線、測(cè)試和封裝。但這八大工藝不能一概而論，如上圖所示，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，其實(shí)晶圓制造并不是在半導(dǎo)體制造工廠內(nèi)完成的。此外，金屬布線、封裝和測(cè)試，與光刻、刻蝕、沉積等只有單一步驟的工藝不同，是對(duì)某個(gè)有特定目的的作業(yè)流程的統(tǒng)稱。

02

玻璃膜覆蓋：氧化

從圖2中可以看出，半導(dǎo)體的制程工藝是從下至上的。這一過程并非像堆積木一樣簡(jiǎn)單地把均勻的物質(zhì)堆積起來(lái)就可以。為了把形狀各異的物質(zhì)在半導(dǎo)體內(nèi)變成均勻的物質(zhì)，需要經(jīng)過多道處理工藝，如不需要的部分就要削減掉，需要的部分還要裹上特定物質(zhì)等。在這一過程中，還會(huì)使用各種反應(yīng)性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，如果化學(xué)物質(zhì)接觸到不應(yīng)接觸的部分，就會(huì)影響到半導(dǎo)體制造的順利進(jìn)行。而且，半導(dǎo)體內(nèi)還有一些物質(zhì)，一旦相互接觸就會(huì)產(chǎn)生短路。氧化工藝的目的，就是通過生成隔離膜防止短路的發(fā)生。

氧化工藝就是在硅晶圓上生成一層保護(hù)膜。硅（Si）和氧氣反應(yīng)就會(huì)形成玻璃（SiO?）。在我們的日常生活中也能體會(huì)到玻璃具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，常用作各種飲料甚至鹽酸、硫酸等各種化學(xué)藥品的容器。在半導(dǎo)體制作過程中，通過氧化工藝形成的氧化膜也同樣具有穩(wěn)定性。它可以防止其他物質(zhì)的穿透，因此在離子注入1工藝中非常實(shí)用。

氧化膜還可以用于阻止電路間電流的流動(dòng)。MOSFET結(jié)構(gòu)的核心就是柵極（Gate）。MOSFET與BJT晶體管不同，柵極不與電流溝道（S與D的中間部分）直接接觸，只是“間接”發(fā)揮作用。這也是MOSFET不運(yùn)作時(shí)，電力消耗小的原因。MOSFET通過氧化膜隔絕柵極與電流溝道，這種氧化膜被稱為柵氧化層（Gate Oxide）。隨著最近推出的先進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)品體積逐漸變小，它們也會(huì)采用 HKMG2等各種柵極絕緣層來(lái)取代氧化膜。

1離子注入（Ion Implant）：在半導(dǎo)體制造過程中，為把純凈的晶圓變成半導(dǎo)體狀態(tài)，將三族或五族元素以一定的方式摻入到半導(dǎo)體基片規(guī)定的區(qū)域內(nèi)。

2 HKMG（High-K Metal Gate）: 可有效減少電流泄露的新一代MOSFET柵極；是一種以金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多晶矽（Polysilicon） 柵極，以高介電（High-K）取代氧化硅絕緣膜的晶體管。

▲ 圖4: 柵極（G）與電流溝道（S-D中間）的隔絕物質(zhì)（紅框部分）。過去使用二氧化硅（SiO?）作為絕緣膜。（摘自：查看原文-

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MOSFET_Structure.png）

可用作保護(hù)膜的并非只有二氧化硅（SiO?）一種物質(zhì)。我們還可通過沉積方式覆蓋保護(hù)膜，或者使用部分已形成的電路作為保護(hù)。

氧化工藝使用的是晶圓的組成物質(zhì)，即通過氧化晶圓的大量硅原子形成保護(hù)膜。需要提前說(shuō)明的是，這一點(diǎn)與后面要說(shuō)到的“沉積”工藝有所不同。

03

氧化工藝的種類

氧化工藝可分為干法氧化（Dry Oxidation）、濕法氧化（Wet Oxidation）和自由基氧化（Radical Oxidation）三大類。

▲ 氧化的種類（摘自：（株）圖書出版HANOL出版社[半導(dǎo)體制造技術(shù)的理解143p]）

濕法氧化采用晶圓與高溫水蒸氣（水）反應(yīng)的方式生成氧化膜，化學(xué)方程式如下。

Si (固體)+ 2H?O (氣體) →SiO? (固體) + 2H? (氣體)

這一化學(xué)方程式可以簡(jiǎn)單理解為用高溫水讓晶圓表面生銹。濕法氧化，雖然氧化膜生長(zhǎng)速度快， 但其氧化層整體的均勻度和密度較低。而且，反應(yīng)過程中還會(huì)產(chǎn)生氫氣等副產(chǎn)物。由于濕法氧化過程的特性難以控制，在對(duì)半導(dǎo)體性能而言至關(guān)重要的核心領(lǐng)域中無(wú)法使用該方法。

干法氧化則采用高溫純氧與晶圓直接反應(yīng)的方式。氧分子比水分子重（32 vs 18）*，滲入晶圓內(nèi)部的速度相對(duì)較慢。因此，相比濕法氧化，干法氧化的氧化膜生長(zhǎng)速度更慢。但干法氧化的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物（H?），且氧化膜的均勻度和密度均較高。正是考慮到這種優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)谏蓪?duì)半導(dǎo)體性能影響重大的柵極氧化膜時(shí)，會(huì)選用干法氧化的方式。

自由基氧化與前兩種不同：濕法與干法氧化都是通過提高自然氣體的溫度來(lái)提升其能量，從而促使氣體與晶圓表面發(fā)生反應(yīng)。自由基氧化則多一道工藝，即在高溫條件下把氧原子和氫分子混合在一起，形成化學(xué)反應(yīng)活性極強(qiáng)的自由基氣體，再使自由基氣體與晶圓進(jìn)行反應(yīng)。由于自由基的化學(xué)活性極強(qiáng)，自由基氧化不完全反應(yīng)的可能性極小。因此，相比干法氧化，該方法可以形成更好的氧化膜。

*假設(shè)氫（H）原子的重量為1，氧（O）原子的重量為16，氧（O2）分子的重量就是32, 水（H2O）分子的重量就是18，因此，氧分子比水分子更重。

▲ 自由基氧化的特點(diǎn) [摘自: （株）圖書出版HANOL出版社《半導(dǎo)體制造技術(shù)的理解149p》]

此外，自由基氧化還可以生成在立體結(jié)構(gòu)上厚度均勻的氧化膜。半導(dǎo)體公司使用的都是單結(jié)晶體晶圓，結(jié)晶方向相同。

上圖中的數(shù)字100和110表示硅的結(jié)晶方向，下方的兩幅圖是硅原子的解析圖。從圖中可以看出，采用濕法和干法氧化時(shí)，晶圓上側(cè)（100）方向的氧化膜生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，而側(cè)面（110）方向的氧化速度較快。由于100方向的硅原子排列更稠密，干法或濕法氧化時(shí)，氧化氣體很難穿透結(jié)晶與硅發(fā)生反應(yīng)，而自由基氧化在這方面則相對(duì)容易。

▲ 圖5：密勒指數(shù)（Miller indices）描述的硅原子排列

此外，采用自由基氧化可以在很難形成氧化膜的圓化頂角上形成均勻的氧化膜，在反應(yīng)活性較弱的氮化硅（Si?N?）*中也能“奪取”硅原子，發(fā)生氧化反應(yīng)。

隨著半導(dǎo)體微細(xì)化難度的增加，半導(dǎo)體公司紛紛開始在半導(dǎo)體內(nèi)引進(jìn)三維式結(jié)構(gòu)。因此，能否生成厚度均勻的高品質(zhì)保護(hù)膜變得越來(lái)越關(guān)鍵，氧化工藝也更加重要。

*氮化硅（Si?N?）：氮化硅是保護(hù)膜的一種，在半導(dǎo)體電子元器件的制造過程中以沉積方式覆蓋在電子表面。

04

氧化設(shè)備的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

圖6是氧化設(shè)備的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，實(shí)際的氧化設(shè)備要比本圖復(fù)雜得多。

▲ 圖6：晶圓氧化設(shè)備的結(jié)構(gòu)

通過氣體注入口進(jìn)入氧化設(shè)備的反應(yīng)氣體，在被加熱后，與晶圓發(fā)生氧化反應(yīng)。為了減少正面接觸氣體的部分與稍后接觸氣體的部分間的氧化程度差異，晶圓中摻雜著假片（Dummy Wafer），以利用它們作為犧牲晶片來(lái)調(diào)整氣體的均勻度。從圖6中也可以看出，氧化工藝是把數(shù)十張晶圓同時(shí)放入進(jìn)行氧化，可見氧化速度是非常之快的。

本期內(nèi)容我們主要講了前端工藝的概覽和氧化工藝。為幫助大家理解，我們主要采用了大家非常熟悉的八大工藝的結(jié)構(gòu)。但實(shí)際上，這些過程也屬于半導(dǎo)體擴(kuò)散（Diffusion）工藝領(lǐng)域，如果按溫度劃分，還可歸類為高溫工藝。下一期，我們就一起來(lái)了解一下光刻技術(shù)，看看如何利用光在晶圓上繪制電路吧。

責(zé)任編輯：彭菁