超哥半导体工程师 2022-04-10 11:07

集成电路的生产从抛光好的晶圆开始。下图的截面图按顺序展示了构成一个简单的硅栅MOS晶体管结构所需的基础工艺。每一步工艺生产的说明如下。

第1步:薄膜工艺。

对晶圆表面的氧化会形成一层保护薄膜，它可作为掺杂的阻挡层。这层二氧化硅膜被称为场氧化层(fieldoxide)。

第2步:图形化工艺。

通过光刻、刻蚀、去胶工艺，在场氧化层上开凹孔以定义晶体管的源极、栅极和漏极的特定位置。

第3步:薄膜工艺。

接下来，晶圆将经过二氧化硅氧化反应加工。晶圆暴露的硅表面会生长一层氧化薄膜。它可作为栅极氧化层。

第4步:薄膜工艺。

在这一步晶圆上淀积一层多晶硅作为栅极结构。

第5步:图形化工艺。

通过光刻工艺，在氧化层/多晶硅层按电路图形刻蚀两个开口，它们定义了晶体管的源极和漏极区域。

第6步:掺杂工艺。

掺杂加工用于在源极和漏极区域形成N型杂区。

第7步:薄膜工艺。

在源极和漏极区域生长一层氧化膜。

第8步:图形化工艺。

通过光刻、刻蚀和去胶工艺，分别在源极、栅极和漏极区域刻蚀形成的孔，称为接触孔。

第9步:薄膜工艺。

在整个晶圆的表面淀积一层导电金属，该金属通常是铝的合金。

第10步:图形化工艺。

通过光刻刻蚀和去胶工艺晶圆表面金属镀层在芯片和划片线上的部分按照电路图形除去。金属膜剩下的部分将芯片的每个元件按照设计要求准确无误地连接起来。

第11步:热处理工艺。

紧随金属刻蚀加工后晶圆将在氮气环境下经历加热工艺。此步加工的目的是使金属与源、漏、栅极进一步熔合以获得更好的电性能接触连接。

第12步:薄膜工艺。

芯片器件上的最后一层是保护层，通常被称为防刮层(scratch layer)或钝化层(passivation layer)。它的用途是使芯片表面的元件在电测、封装及使用时得到保护。

第13步:图形化工艺。

通过光刻刻蚀和去胶工艺，在整个工艺加工序列的最后一步是将位于芯片周边金属引线压点上的钝化层刻蚀掉，这一步被称为压点掩模(pad mask)。

这13个步骤的工艺流程举例，阐述了4种最基本的工艺方法是如何应用到制造一个具体的晶体管结构的。电路所需的其他元件(二极管、电器和电容器)也同时在电路的不同区域上构成。比如，在这个工艺流程下，电阻的图形和晶体管源/漏极图形同时被添加在晶圆上。随后的扩散工艺形成源极/栅极和电阻。对于其他形式的晶体管，如双极型和硅栅MOS晶体管，也同样是由这4种最基本的工艺方法加工而成的，不同的只是所用材料和工艺流程不同。

总体来说，在制造工艺的前一部分将形成电路元件，被称为前端工艺线(FEOL);在制造工艺的后一部分将连接电路元件的各种金属化加到晶圆表面，这一部分被称为后端工艺线(BEOL)。

现代芯片结构比上述的简单工艺复杂许多倍。它们有许多薄膜层和掺杂区，以及数层附加在表面的层，包括散布在介质层中间的多层导体，详见下图。

实现这些复杂的结构要求许多工艺。换言之，每一个工艺要求数个步骤和子步骤。实际上64Gb CMOS 器件的工艺可能需要180个主要步骤52个清洗/剥离步骤以及多达28 块掩模版。所有这些主要步骤也是这4种基本工艺之一。

若产业界的栅条达到几个原子宽而在电路上堆叠金属的水平，到那时工艺步骤就将达到500步或更多。

传统芯片的封装工艺始于划片机对整个晶圆分离成单个芯片的过程，这就对精密划片机的设备提出了更高的要求。

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半导体行业面试官：晶圆的基本工艺有哪些？