半导体工艺流程

这可能最简单的半导体工艺流程（一文看懂芯片制作流程）

本文来源于公众号“半导体产业园”

上一期我们聊了CMOS的工作原理，我相信你即使从来没有学过物理，从来没学过数学也能看懂，但是有点太简单了，适合入门，如果你想了解更多的CMOS 内容，就要看这一期的内容了，因为只有了解完工艺流程（也就是二极管的制作流程）之后，才可以继续了解后面的内容。那我们这一期就了解一下这个CMOS 在foundry公司是怎么生产的（以非先进制程作为例子，先进制程的CMOS无论在结构上还是制作原理上都不一样）。

首先要知道foundry从供应商（硅片供应商）那里拿到的晶圆（也叫wafer，我们后面简称wafer）是一片一片的，半径为100mm（8寸厂）或者是150mm（12寸厂）的晶圆。如下图，其实就是类似于一个大饼，我们把它称作衬底。

但是呢，我们这么看不太方便，我们从下往上看，看截面图，也就是变成了下图这个样子。

下面我们就看看怎么出现我们上一期提到的CMOS模型，由于实际的process需要几千个步骤，我在这里就拿最简单的8寸晶圆的主要步骤来聊。

制作Well和反型层：

也就是通常说的阱，well是通过离子植入（Ion Implantation，后面简称imp）的方式进入到衬底上的，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，为了方便大家了解，我们拿NMOS来做例子。离子植入的机器通过将需要植入的P型元素打入到衬底中的特定深度，然后再在炉管中高温加热，让这些离子活化并且向周围扩散。这样就完成了well的制作。制作完成后是这个样子的。

在制作well之后，后面还有其他离子植入的步骤，目的就是控制沟道电流和阀值电压的大小，大家可以统一叫做反型层。如果是要做NMOS，反型层植入的是P型离子，如果是要做PMOS，反型层植入的是N型离子。植入之后是下面这个模型。

这里面有很多内容的，比如离子植入时的能量，角度，离子的浓度等等，那些不在这一期当中，而且我相信你了解那一些的话，肯定是圈内人，你肯定有方法了解到。

制作SiO2：

后面就会制作二氧化硅（SiO2，后面简称Oxide），在CMOS的制作流程中，制作oxide的方法有很多。在这里由的SiO2是用在栅极下面的，它的厚度直接影响了阀值电压的大小和沟道电流的大小。所以大多数foundry在这一步都是选择质量最高，厚度控制最精确，均匀性最好的炉管氧化方法。其实很简单，就是在通氧气的炉管中，通过高温，让氧气和硅发生化学反应，生成SiO2。这样就在Si 的表面生成了薄薄的一层SiO2，如下面的图形。

当然这里面也有很多具体的信息，比如需要具体多少度啊，需要多少浓度的氧气啊，需要高温多长时间啊等等，这些都不是我们现在考虑的，那些太具体了。

栅端Poly的形成：

但是到这里还没结束，SiO2只是相当于螺纹，真正的栅极（Poly）还没有开始做呢。所以我们下一步就是在SiO2上面铺一层多晶硅（多晶硅也是单一的硅元素组成，但是晶格排列方式不同。你千万不要问我为什么衬底用单晶硅，栅极用多晶硅，这个有一本书叫半导体物理，您可以了解下，尴尬~）。Poly也是CMOS 非常关键的一个环节，但是poly的成分是Si，不能像生长SiO2那样通过直接和Si衬底直接反应生成。这就需要传说中的CVD（化学气相沉淀，Chemical Vapor Deposition），就是在真空中发生化学反应，将生成的物体沉淀到wafer上，在这个例子中，生成的物质就是多晶硅，然后沉淀到wafer上（这里要多说一句，poly是用CVD的方法在炉管中生成的，所以poly的生成不是用的纯正CVD的机台）。

但是这种方法形成的多晶硅会在整片wafer都沉淀下来，沉淀之后是这个样子。

Poly和SiO2的曝光：

到了上面这一步，其实已经形成我们想要的垂直结构了，最上面是poly，下面是SiO2，再到下面是衬底。但是现在整片wafer都是这样，其实我们只需要一个特定位置是“水龙头”结构。于是就有了整个工艺流程中最最关键的一步—曝光。

我们先在wafer表面铺一层光刻胶，也叫光阻（很难解释光刻胶的概念是什么，我相信你看着看着就懂了）就变成了这个样子。

然后再用定义好的掩膜版（掩膜版上已经定义好了电路图形）放在上面，最后用特定波长的光线照射，被照射的地方光阻会变活化，由于被掩膜版挡住的地方没有被光源照到，所以这块光阻没有被活化。

由于被活化的光刻胶特别容易被特定化学液体洗掉，而没有被活化的光刻胶不能被洗掉，所以通过照射后，再用特定的液体洗掉已经活化的光刻胶，最后就变成了这个样子，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的刻蚀：

这之后就是把那些多余的Poly和SiO2刻蚀掉，也就是除去掉，这个时候使用的是定向刻蚀。在刻蚀的分类中，有一种分法是定向刻蚀和非定向刻蚀，定向刻蚀就是指在某个特定方向进行刻蚀，而非定向刻蚀就是不定向的（一不小心又说多了，总之就是通过特定的酸碱，在某个特定的方向除去SiO2）。在这个例子中我们采取向下的定向刻蚀除去SiO2，变成了这个样子。

最后再除去光阻，这个时候除去光阻的方法就不是上面提到的通过光的照射活化，而是通过其他方式，因为我们不需要在这个时候定义特定的大小，而是将光阻全部除掉。最后变成如下图所示。

这样我们就完成了保留特定位置Poly个SiO2的目的。

源端和漏端的形成：

最后我们再考虑一下源端和漏端是怎么形成的。大家还记得在上一期中我们聊过，源端和漏端都是离子植入相同类型的元素。这个时候，我们可以在需要植入N型的源/漏区域上用光阻开口。由于我们是只拿NMOS做例子，所以上图中的所有部分都会开口，如下图

由于被光阻盖住的部份是不能被植入的（光阻挡着了嘛），所以只有在需要的NMOS上才会植入N型元素。由于poly下面的衬底被poly和SiO2挡住，所以也不会被植入，于是就变成了这个样子。

到这里，一个简单的MOS模型就制作出来了，理论上来讲，在source，drain，poly和衬底上加上电压，这个MOS是可以工作的，但是我们总不能直接在source 和drain拿个探针直接加上电压吧。这个时候就需要MOS的布线，也就是在这个MOS上面，连导线，让很多MOS连在一起。我们就看看这个布线的过程。

制作VIA：

首先第一步就是在整个MOS上盖一层SiO2，如下图

当然这个SiO2是通过CVD的方式产生的，因为这样速度会很快，很节省时间。下面的话还是铺光阻，曝光的那一套，结束之后是长这个样子。

然后再用刻蚀的方法在SiO2上刻蚀出一个洞，如下图灰色的部分，这个洞的深度直接接触Si表面。

最后再除去光阻，得到下面的样子。

这个时候要做的就是在这个洞里填导体，至于这个导体是什么？各家都不一样，大部分都是钨（Tungsten）的合金，那怎么才能填好这个洞呢？用的是PVD （Physical Vapor Deposition，物理气相沉淀）的方式，原理类似于下图。

使用高能量的电子或离子轰击靶材，被打碎的靶材，会以原子的形式降落到下面，就这样形成了下面的镀膜。我们平时看新闻中提到的靶材就是指这里的靶材。

填完洞之后，就长这个样子。

当然我们在填的时候，不可能控制镀膜的厚度正好等于洞的深度，所以会多余一些，这样就用到了CMP（Chemical Mechanical polishing，化学机械研磨）技术，听起来很高大上，其实就是磨，将多余的部分都给磨掉。结果就是这个样子。

到了这里我们就完成了一层via的制作，当然，via制作主要是为了后面的金属层布线。

金属层制作：

在上面这个条件下，我们用PVD的方式再dep一层金属（metal）。这个金属主要是以铜为主的合金。

然后再经过曝光，刻蚀，得到我们想要的样子。然后不断的往上叠加，直到满足我们的需求。

我们在画layout时，会告诉你使用的工艺最多有多少层metal，多少层via，就是指它可以叠加多少层。

最终就得到这样的结构。最上面的pad就是这颗芯片的引脚，封装之后就成了我们能看到的管脚（当然我这是胡乱画的，没有什么实际意义，只是为了举例子）。

这就是一颗芯片制作的大概流程。这一期我们了解了半导体foundry中最重要的曝光，刻蚀，离子植入，炉管，CVD，PVD，CMP等等，当然还有其他制程，我们有机会再聊。