芯片制造全流程簡述

以下文章來源于且聽芯說 ，作者云天明

?“兵馬未動，糧草先行”，各路IC英雄是否備好了Hamburger&Chips來迎接下一次的遠征。其實，在芯片制造過程中，每一個步驟都像是制作漢堡一樣層次分明：從最基礎(chǔ)的晶圓開始，像是漢堡的底層面包；經(jīng)過一系列精密加工，就像是添加了各種醬料和蔬菜，最終形成了復雜的電路結(jié)構(gòu)，每一步都至關(guān)重要，缺一不可。當芯片成功點亮的那一刻，就像品嘗米其林大廚制作的漢堡一樣，唇齒留香，回味無窮。?

芯片制造流程從廣義的角度可分為三重奏，首先是“芯片設(shè)計”的靈感迸發(fā)，如廚師構(gòu)思新菜；然后經(jīng)過“芯片制造”的精心打磨，如同食材在廚師手中歷經(jīng)千錘百煉；最后以“封裝測試”的細致呈現(xiàn)，如同佳肴裝盤，展現(xiàn)其最終的風味與魅力。

01. 芯片制造全流程

人們常說，芯片制造過程就像是一粒沙子的神奇之旅。那么粗糙的沙子是如何變成每秒能執(zhí)行數(shù)十億次計算的芯片的呢？好比樸實的食材需要經(jīng)過煎、炒、烹、炸，再配以與其相融合的配料反復調(diào)味，才能釋放出其獨特的美味一樣，沙子則需要經(jīng)過煉、提、拉、切，得到晶圓，在晶圓表面反復進行離子注入、光刻、刻蝕、沉積等步驟，才能制造出具有特定功能的芯片；色香味俱全的佳肴出鍋后還需要精心擺盤才能上桌供顧客食用，而復雜精妙的芯片則需要封裝測試后才能交付客戶使用。

02. Foundry中的芯片制造

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)工藝是現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路半導體工藝的基礎(chǔ)，為了更好地管理和優(yōu)化制造工序、提高生產(chǎn)效率、降低成本，同時也能夠更好地控制芯片的性能和質(zhì)量，CMOS工藝又被分成前段工藝(Front-end of Line, FEOL)和后段工藝(Back-end of Line, BEOL)。前段工藝是指對芯片有源部分的制造工序，即位于芯片硅襯底上的晶體管；而后段工藝是指在晶體管上部建立若干層的導電金屬線，不同層金屬線之間由通孔相連的制造工序。

2.1 芯片制造的前段工藝流程

FEOL是整個芯片制造流程的核心部分，主要涉及晶體管器件的制造，通常包括以下步驟:

(1) 淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation，STI)，首先在硅晶圓表面形成STI結(jié)構(gòu)，來隔離各個器件區(qū)域；

(2) 離子注入摻雜，在STI結(jié)構(gòu)上有選擇性地形成n型和p型區(qū)域，即NMOS和PMOS晶體管的阱區(qū)域(如圖2中n-well和p-well區(qū)域)，通過離子注入等方法實施不同濃度分布的摻雜處理；

(3) 源漏柵區(qū)域，在阱區(qū)域形成之后，需要在上方生長柵氧化層，然后在柵氧化層上沉積多晶硅層形成柵極結(jié)構(gòu)。經(jīng)過刻蝕處理在柵極兩側(cè)形成擴散區(qū)，即源/漏區(qū)(如圖2中S/D區(qū)域)；

(4) 后摻雜，在源漏區(qū)周圍進行LDD(Lightly Doped Drain，輕摻雜)和深度注入摻雜，完成NMOS和PMOS晶體管的制造。

2.2 芯片制造的后段工藝流程

BEOL主要是形成金屬互連線，用來實現(xiàn)器件連接，包括以下幾個步驟：

(1) 介質(zhì)層沉積，在FEOL完成的基礎(chǔ)上沉積一層或多層絕緣介質(zhì)層(如圖3中SOD區(qū)域)，包括低介電常數(shù)的硅氮化物或碳摻雜氧化硅等；

(2) 光刻與刻蝕，通過光刻和干式刻蝕在介質(zhì)層上形成各種大小的溝槽和通孔，用于實現(xiàn)金屬互聯(lián)和接觸；

(3) 金屬層沉積，采用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)或化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)等在介質(zhì)層上沉積金屬(Cu或Al)，為了確保金屬與介質(zhì)層的良好粘附，在沉積金屬前還需要先沉積一層薄的襯底層，如鈦或鉭化合物；

(4) 金屬互連線的形成，最后再次沉積介質(zhì)層，并利用光刻和干式刻蝕形成更上層所需的互連線路和接觸結(jié)構(gòu)(如圖3中Cu1-Cu5區(qū)域)；

整個BEOL工藝需要重復多次沉積、刻蝕和圖形化，才可以構(gòu)建出多層金屬的互連布局。

03. 芯片制造的四大核心工藝

芯片制造的工藝流程繁多，但其中最核心的工藝主要有離子注入、光刻、刻蝕和薄膜沉積四種：

(1) 離子注入工藝，如圖4(a)所示將特定的雜質(zhì)離子加速注入到晶圓表面，從而改變半導體材料的導電性，這是制造MOSFET等器件的關(guān)鍵步驟；

(2) 光刻工藝，如圖4(b)所示通過光照、顯影和刻蝕等步驟，將設(shè)計好的版圖轉(zhuǎn)移到晶圓表面。首先在晶圓上涂覆光敏膠，然后利用光掩膜精準照射，光敏膠在曝光區(qū)域發(fā)生化學反應(yīng)并被溶解掉，從而形成所需的圖形；

(3) 刻蝕工藝，如圖4(c)所示用于選擇性地去除晶圓表面的薄膜材料形成所需的圖形結(jié)構(gòu)，干式刻蝕(利用離子轟擊)和濕式刻蝕(利用化學腐蝕)是兩種主要方法，刻蝕工藝的精度和選擇性直接影響器件的尺寸和性能；

(4) 薄膜沉積工藝，如圖4(d)所示用于在晶圓表面沉積各種薄膜材料，比如：絕緣層、導電層和半導體層等，常用的沉積技術(shù)包括化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)等，薄膜材料的選擇和沉積過程對器件性能有重要影響。

從粗糙的沙子到復雜的芯片，沙子的這一趟神奇之旅，是否也讓你感受到了芯片制造的奇妙之處？小小芯片內(nèi)部如漢堡一樣層次分明結(jié)構(gòu)在勾起你食欲的同時是否也激發(fā)了你對芯片制造的求知欲？相信此次的分享，能夠拋磚引玉，從而為大家在半導體制造工藝的理解上鋪設(shè)一塊小小的基石。