从沙子到芯片，半导体是怎样通过微加工技术练成的？

半个多世纪以来，从小规模集成电路发展到今天的百万芯片，其中单个元件的特征图形尺寸的减小，得益于微加工技术的不断发展，能够以更小尺寸来制造器件和电路，使其拥有了更高的密度，更多的数量和更高的可靠性。

半导体的发展史

History of Semiconductor

图源：eda365

世界上第一只晶体管于1947年问世，是将一片金箔带用刀划开一条约为50微米间隔的小缝，用一块三角形的石英晶体将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极，形成点接触 PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时，可以观测到把输入信号放大的晶体管效应。

1950年采用合金法工艺,第一次生产出了实用化的合金结三极管;1955年扩散技术的采用是半导体器件制造技术的重大发展,为制造高频器件开辟了新途径。

图源：ittbank

1958年，德州仪器公司(TI)的基尔比研制出了世界上第一块集成电路。该电路是在锗衬底上制作的相移振荡器和触发器，共有12个器件。器件之间是介质隔离，器件间互连线采用的是引线焊接方法。

1960年平面工艺和外延技术的出现是半导体制造技术的重大变革,不但大幅度地提高了器件的频率、功率特性,改善了器件的稳定性和可靠性,而且也使半导体集成电路的工业化批量生产得以成为现实。

1971年 Intel公司推出的微处理器芯片上只有2300个晶体管。

1982年 Intel80286 微处理器上已经有13万4千个晶体管了。

点石成金

晶圆制备

可能很难想象，其实所有半导体工艺都始于一粒沙子，因为沙子所含的硅是生产晶圆所需要的原材料。首先需将沙子加热，分离其中的一氧化碳和硅，并不断重复该过程直至获得超高纯度的电子级硅(EG-Si)，其纯度高达99.999999999%。

单晶硅棒的直径是由籽晶拉出的速度和旋转速度决定的，一般来说，上拉速率越慢，生长的单晶硅棒直径越大。而切出的晶圆片的厚度与直径有关，虽然半导体器件的制备只在晶圆的顶部几微米的范围内完成，但是晶圆的厚度一般要达到1 mm，才能保证足够的机械应力支撑，因此晶圆的厚度会随直径的增长而增长。

晶圆制造厂把这些多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。

硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，包装后，即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

守护晶圆

氧化工艺

氧化过程的作用是在晶圆表面形成保护膜。它可以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱。

制备二氧化硅的方法很多，在集成电路工艺中最常用的方法为热氧化法和化学气相沉积法两种。根据氧化气氛的不同，热氧化法又可分为干氧氧化、水汽氧化、湿氧氧化八掺氯氧化和氢氧合成氧化等。

干氧氧化就是在氧化过程中，直接通入氧气进行氧化的方法。其有结构致密、干燥、均匀性和重复性好，对杂质掩蔽能力强，钝化效果好，与光刻胶的附着性好等优点，该方法的缺点是氧化速率较慢。

水汽氧化是指硅片一与高温水蒸汽发生反应的氧化方法。由于水在二氧化硅中的平衡浓度N+(1019atoms/cm3)比氧气在二氧化硅中的平衡浓度N+(1016atoms/cm3)高出3个数量级，所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的速率大得多。但水汽氧化法生成的二氧化硅膜结构疏松、表面有斑点和缺陷、含水量大、对杂质(尤其是磷)掩蔽能力较差，所以现在很少使用这种氧化方法。

湿氧氧化中，氧气先通过95℃一98℃左右的去离子水将水汽一起带人氧化炉内，氧气和水汽同时与硅发生氧化反应。采用这种氧化方法生成的二氧化硅膜的质量比干氧氧化的略差，但远好过水汽氧化的效果，因此，当所需氧化层厚度很厚且对氧化层的电学性能要求不高的情况下，为了量产的考虑，常采用这种氧化方法。其缺点是生成的二氧化硅膜与光刻胶的附着性不良、Si表面存在较多位错缺陷。

掺氯氧化是指在干氧氧化通入氧气的同时，通入含氯的化合物气体，从而生成含氯的二氧化硅膜。这样能减少二氧化硅中的钠离子污染提高器件的电学性能和可靠性。

氢氧合成氧化是指在常压下，把高纯氢气和氧气通入石英管内，使之在一定温度下燃烧生成水，水在高温下气化，然后水汽与硅反应生成二氧化硅的氧化方法，这种氧化方法氧化效率高，生成的二氧化硅膜质量好、均匀性和重复性好。

除了以上几种热氧化方法外，还有几种特殊的氧化方法。例如:为了制备高质量的薄栅氧化层，出现了低温薄栅氢化(<900℃)和分压氧化(在氧气中通入一定比例的不活泼气体，降低氧气的分压，以降低氧化速率);为了制备厚的氧化层，出现了高压氧化方法。

光的艺术

光刻工艺

光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一，主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

1、硅片清洗烘干

干法清洗，使用射频等离子清洗机，样品入腔体，抽真空至1000mTorr以内，启动射频功率，通入工艺气体，看见辉光，处理1-3分钟即可改变表面性质，提供洁净度，亲水性和粘附性，下一步旋涂。

2、旋转涂胶

静态涂胶：硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂。动态：低速旋转、滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂。

决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度，黏度越低，光刻胶的厚度越薄。旋转速度，速度越快，厚度越薄。一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关：I-line最厚，约0.7～3μm；KrF的厚度约0.4～0.9μm；ArF的厚度约0.2～0.5μm。

3、软烘

为除去溶剂增强黏附性，释放光刻胶膜内的应力，防止光刻胶玷污设备，光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离而影响其它部分的图形。

4、对准并曝光

曝光中最重要的两个参数是：曝光能量和焦距。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形，表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。

5、后烘

为了减少驻波效应，激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

6、显影

方法：

a、整盒硅片浸没式显影，缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差。

b、连续喷雾显影/自动旋转显影。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。EDC湿法刻蚀显影系统就是旋转喷淋式。

c、水坑（旋覆浸没）式显影。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变 化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的 所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少，硅片显影均匀，最小化了温度梯度。

7、硬烘

这一步的目的是为了完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂），坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力，进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性，进一步减少驻波效应。

等离子版画

刻蚀工艺

在晶圆上完成电路图的光刻后，就要用刻蚀工艺来去除任何多余的氧化膜且只留下半导体电路图。要做到这一点需要利用液体、气体或等离子体来去除选定的多余部分。

刻蚀的方法主要分为两种，取决于所使用的物质：使用特定的化学溶液进行化学反应来去除氧化膜的湿法刻蚀，以及使用气体或等离子体的干法刻蚀。

湿法刻蚀

使用化学溶液去除氧化膜的湿法刻蚀具有成本低、刻蚀速度快和生产率高的优势。然而，湿法刻蚀具有各向同性的特点，即其速度在任何方向上都是相同的。这会导致掩膜（或敏感膜）与刻蚀后的氧化膜不能完全对齐，因此很难处理非常精细的电路图。

干法刻蚀

干法刻蚀可分为三种不同类型。第一种为化学刻蚀，其使用的是刻蚀气体（主要是氟化氢）。和湿法刻蚀一样，这种方法也是各向同性的，这意味着它也不适合用于精细的刻蚀。

第二种方法是物理溅射，即用等离子体中的离子来撞击并去除多余的氧化层。作为一种各向异性的刻蚀方法，溅射刻蚀在水平和垂直方向的刻蚀速度是不同的，因此它的精细度也要超过化学刻蚀。但这种方法的缺点是刻蚀速度较慢，因为它完全依赖于离子碰撞引起的物理反应。

第三种方法就是反应离子刻蚀(RIE)。RIE结合了前两种方法，即在利用等离子体进行电离物理刻蚀的同时，借助等离子体活化后产生的自由基进行化学刻蚀。除了刻蚀速度超过前两种方法以外，RIE可以利用离子各向异性的特性，实现高精细度图案的刻蚀。

注入生命

薄膜沉积

“薄膜”是指厚度小于1微米（μm，百万分之一米）、无法通过普通机械加工方法制造出来的“膜”。将包含所需分子或原子单元的薄膜放到晶圆上的过程就是“沉积”。

集成电路薄膜沉积工艺可分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和外延三大类。PVD是指通过热蒸发或者靶表面受到粒子轰击时发生原子溅射等物理过程，实现上述物质原子转移至硅片表面并形成薄膜的技术，多应用于金属的沉积，CVD是指通过气体混合的化学反应在硅片表面沉积薄膜的工艺，可应用于绝缘薄膜、多晶硅以及金属膜层的沉积，外延是一种在硅片表面按照衬底晶向生长单晶薄膜的工艺。

桥梁枢纽

金属布线

通过基于晶圆的光刻、刻蚀和沉积工艺可以构建出晶体管等元件，但还需要将它们连接起来才能实现电力与信号的发送与接收。金属布线工艺主要使用铝和铜这两种物质。

铝互连工艺

铝互连工艺始于铝沉积、光刻胶应用以及曝光与显影，随后通过刻蚀有选择地去除任何多余的铝和光刻胶，然后才能进入氧化过程。前述步骤完成后再不断重复光刻、刻蚀和沉积过程直至完成互连。

铝电路是通过沉积形成的。晶圆进入真空腔后，铝颗粒形成的薄膜会附着在晶圆上。这一过程被称为“气相沉积 (VD) ”，包括化学气相沉积和物理气相沉积。

铜互连工艺

随着半导体工艺精密度的提升以及器件尺寸的缩小，铝电路的连接速度和电气特性逐渐无法满足要求，为此我们需要寻找满足尺寸和成本两方面要求的新导体。铜之所以能取代铝的第一个原因就是其电阻更低，因此能实现更快的器件连接速度。其次铜的可靠性更高，因为它比铝更能抵抗电迁移，也就是电流流过金属时发生的金属离子运动。

但是，铜不容易形成化合物，因此很难将其气化并从晶圆表面去除。针对这个问题，我们不再去刻蚀铜，而是沉积和刻蚀介电材料，这样就可以在需要的地方形成由沟道和通路孔组成的金属线路图形，之后再将铜填入前述“图形”即可实现互连，而最后的填入过程被称为“镶嵌工艺”。

随着铜原子不断扩散至电介质，后者的绝缘性会降低并产生阻挡铜原子继续扩散的阻挡层。之后阻挡层上会形成很薄的铜种子层。到这一步之后就可以进行电镀，也就是用铜填充高深宽比的图形。填充后多余的铜可以用金属化学机械抛光 (CMP) 方法去除，完成后即可沉积氧化膜，多余的膜则用光刻和刻蚀工艺去除即可。前述整个过程需要不断重复直至完成铜互连为止。

优胜略汰

EDS工艺

半导体EDS工艺测试的主要目标是检验半导体芯片的质量是否达到一定标准，从而消除不良产品、并提高芯片的可靠性。

另外，经测试有缺陷的产品不会进入封装步骤，有助于节省成本和时间。

金刚不坏

封装工艺

经过之前几个工艺处理的晶圆上会形成大小相等的方形芯片（又称“单个晶片”）。要做的就是通过切割获得单独的芯片。刚切割下来的芯片很脆弱且不能交换电信号，需要单独进行处理。

这一处理过程就是封装，包括在半导体芯片外部形成保护壳和让它们能够与外部交换电信号。