這可能最簡單的半導(dǎo)體工藝流程

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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，但是有點太簡單了，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，因為只有了解完工藝流程（也就是二極管的制作流程）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CMOS在foundry公司是怎么生產(chǎn)的（以非先進制程作為例子，先進制程的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，我們后面簡稱wafer）是一片一片的，半徑為200mm（8寸廠）或者是300mm（12寸廠）的晶圓。如下圖，其實就是類似于一個大餅，我們把它稱作襯底。

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樣子。

下面我們就看看怎么出現(xiàn)我們上一期提到的CMOS模型，由于實際的process需要幾千個步驟，我在這里就拿最簡單的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（Ion Implantation，后面簡稱imp）的方式進入到襯底上的，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。離子植入的機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散。這樣就完成了well的制作。制作完成后是這個樣子的。

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模型。

這里面有很多內(nèi)容的，比如離子植入時的能量，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：

后面就會制作二氧化硅（SiO2，后面簡稱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。其實很簡單，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。

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，需要高溫多長時間啊等等，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，SiO2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，但是晶格排列方式不同。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)鍵的一個環(huán)節(jié)，但是poly的成分是Si，不能像生長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，Chemical Vapor Deposition），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，poly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的機臺）。

但是這種方法形成的多晶硅會在整片wafer都沉淀下來，沉淀之后是這個樣子。

Poly和SiO2的曝光：

到了上面這一步，其實已經(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，其實我們只需要一個特定位置是“水龍頭”結(jié)構(gòu)。于是就有了整個工藝流程中最最關(guān)鍵的一步—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）就變成了這個樣子。

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，最后用特定波長的光線照射，被照射的地方光阻會變活化，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。

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
膠，最后就變成了這個樣子，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。

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，這個時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蝕和非定向刻蝕，定向刻蝕就是指在某個特定方向進行刻蝕，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，在某個特定的方向除去SiO2）。在這個例子中我們采取向下的定向刻蝕除去SiO2，變成了這個樣子。

最后再除去光阻，這個時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，因為我們不需要在這個時候定義特定的大小，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SiO2的目的。

源端和漏端的形成：

最后我們再考慮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型的元素。這個時候，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開口，如下圖

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，所以也不會被植入，于是就變成了這個樣子。

到這里，一個簡單的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MOS是可以工作的，但是我們總不能直接在source和drain拿個探針直接加上電壓吧。這個時候就需要MOS的布線，也就是在這個MOS上面，連導(dǎo)線，讓很多MOS連在一起。我們就看看這個布線的過程。

制作VIA：

首先第一步就是在整個MOS上蓋一層SiO2，如下圖

當(dāng)然這個SiO2是通過CVD的方式產(chǎn)生的，因為這樣速度會很快，很節(jié)省時間。下面的話還是鋪光阻，曝光的那一套，結(jié)束之后是長這個樣子。

然后再用刻蝕的方法在SiO2上刻蝕出一個洞，如下圖灰色的部分，這個洞的深度直接接觸Si表面。

最后再除去光阻，得到下面的樣子。

這個時候要做的就是在這個洞里填導(dǎo)體，至于這個導(dǎo)體是什么？各家都不一樣，大部分都是鎢（Tungsten）的合金，那怎么才能填好這個洞呢？用的是PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉淀）的方式，原理類似于下圖。

使用高能量的電子或離子轟擊靶材，被打碎的靶材，會以原子的形式降落到下面，就這樣形成了下面的鍍膜。我們平時看新聞中提到的靶材就是指這里的靶材。

填完洞之后，就長這個樣子。

當(dāng)然我們在填的時候，不可能控制鍍膜的厚度正好等于洞的深度，所以會多余一些，這樣就用到了CMP（Chemical Mechanical polishing，化學(xué)機械研磨）技術(shù)，聽起來很高大上，其實就是磨，將多余的部分都給磨掉。結(jié)果就是這個樣子。

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：

在上面這個條件下，我們用PVD的方式再dep一層金屬（metal）。這個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。

我們在畫layout時，會告訴你使用的工藝最多有多少層metal，多少層via，就是指它可以疊加多少層。

最終就得到這樣的結(jié)構(gòu)。最上面的pad就是這顆芯片的引腳，封裝之后就成了我們能看到的管腳（當(dāng)然我這是胡亂畫的，沒有什么實際意義，只是為了舉例子）。

這就是一顆芯片制作的大概流程。這一期我們了解了半導(dǎo)體foundry中最重要的曝光，刻蝕，離子植入，爐管，CVD，PVD，CMP等等

審核編輯 黃宇