半導(dǎo)體芯制造學(xué)習(xí)

1、 半導(dǎo)體芯制造學(xué)習(xí)171250683 陳熠濤軟件學(xué)院摘要如果要評(píng)選世界上近一百年最偉大的工業(yè)品，芯片無(wú)疑是其中最具代表性的。其制造工藝中有哪些難點(diǎn)，最基本的構(gòu)成元件場(chǎng)效應(yīng)管又是什么原理？以及我國(guó)這方面產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和未來(lái)前景都值得一看。前言 前美國(guó)商務(wù)部4月16日禁止該國(guó)企業(yè)向中興出售敏感產(chǎn)品，被扼住咽喉的中興是否會(huì)因“斷供”而受重創(chuàng)？這背后深刻的問(wèn)題卻是中國(guó)核心技術(shù)短板，尤其是高端芯片，大量依靠進(jìn)口。中國(guó)是世界上最大的集成電路市場(chǎng)，占全球份額一半以上。根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售額達(dá)到5411.3億元，同比增長(zhǎng)24.8%。但這一全球最大的集成電路市場(chǎng)，主要的產(chǎn)品卻嚴(yán)

2、重依賴(lài)進(jìn)口。2013年以來(lái)，中國(guó)每年需要進(jìn)口超過(guò)2000億美元的芯片，而且連續(xù)多年位居單品進(jìn)口第一位，2017年更達(dá)到歷史新高：2601億美元。掌握芯片制造技術(shù)得重要性不言而喻。而國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)內(nèi)流傳著這么一句話(huà)“500億，3000人，15年”。意思是想要制造出緊跟世界水平得芯片需要500億人民幣的投資、3000位高端人才的投入、15年的時(shí)間。芯片制造的困難由此就可看出。那么究竟這么一個(gè)小小的芯片的制造過(guò)程究竟有哪些呢？正文大概流程設(shè)計(jì)電路圖濕洗（用各種試劑保持硅晶圓表面沒(méi)有雜質(zhì))光刻(用紫外線(xiàn)透過(guò)蒙版照射硅晶圓, 被照到的地方就會(huì)容易被洗掉, 沒(méi)被照到的地方就保持原樣. 于是就可以在硅晶圓上面

3、刻出想要的圖案. 注意, 此時(shí)還沒(méi)有加入雜質(zhì), 依然是一個(gè)硅晶圓. )離子注入(在硅晶圓不同的位置加入不同的雜質(zhì), 不同雜質(zhì)根據(jù)濃度/位置的不同就組成了場(chǎng)效應(yīng)管.)干蝕刻(之前用光刻出來(lái)的形狀有許多其實(shí)不是我們需要的,而是為了離子注入而蝕刻的. 現(xiàn)在就要用等離子體把他們洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出來(lái)的結(jié)構(gòu), 這一步進(jìn)行蝕刻).濕蝕刻(進(jìn)一步洗掉, 但是用的是試劑, 所以叫濕蝕刻).重復(fù)以上步驟以確保場(chǎng)效應(yīng)管達(dá)到要求等離子沖洗(用較弱的等離子束轟擊整個(gè)芯片)熱處理, 其中又分為: 快速熱退火(就是瞬間把整個(gè)片子通過(guò)大功率燈啥的照到1200攝氏度以上, 然后慢慢地冷卻下來(lái), 為了使得注

4、入的離子能更好的被啟動(dòng)以及熱氧化)退火熱氧化(制造出二氧化硅, 也即場(chǎng)效應(yīng)管的柵極(gate) ) 10. 化學(xué)氣相淀積(CVD)/物理氣相淀積（PVD） 進(jìn)一步精細(xì)處理表面的各種物質(zhì) 11分子束外延 (MBE)如果需要長(zhǎng)單晶的話(huà)就需要這個(gè) 12. 電鍍、表面處理 13晶圓打磨和測(cè)試二，場(chǎng)效應(yīng)管 不難看出制造過(guò)程中最主要的過(guò)程就是利用一些手段在晶圓上做出場(chǎng)效應(yīng)管。所以這里就來(lái)詳細(xì)地講一下場(chǎng)效應(yīng)管。 1962年,在RCA器件集成研究組工作的Stanley, Heiman和Hofstein等發(fā)現(xiàn),可以通過(guò)擴(kuò)散與熱氧化在Si基板上形成的導(dǎo)電帶、高阻溝道區(qū)以及氧化層絕緣層來(lái)構(gòu)筑晶體管,即MOS管。 場(chǎng)

5、效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類(lèi)。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）因有兩個(gè)PN結(jié)而得名，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（JGFET）則因柵極與其它電極完整絕緣而得名。目前在絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管中，應(yīng)用最為普遍的是MOS場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET）；此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管，以及最近剛問(wèn)世的MOS場(chǎng)效應(yīng)管、VMOS功率模塊等。 按溝道半導(dǎo)體資料的不同，結(jié)型和絕緣柵型各分溝道和P溝道兩種。若按導(dǎo)電方式來(lái)劃分，場(chǎng)效應(yīng)管又可分紅耗盡型與加強(qiáng)型。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管既有耗盡型的，也有加強(qiáng)型的。場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。而M

6、OS場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和加強(qiáng)型；P溝耗盡型和加強(qiáng)型四大類(lèi)。見(jiàn)下圖。 場(chǎng)效應(yīng)管的特性是南柵極電壓UG；控制其漏極電流ID。和普通雙極型晶體管相比擬，場(chǎng)效應(yīng)管具有輸入阻抗高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等特性。 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理如圖所示（以結(jié)型N溝道管為例）。由于柵極G接有負(fù)偏壓（-UG），在G左近構(gòu)成耗盡層。當(dāng)負(fù)負(fù)偏壓(-UG)的絕對(duì)值增大時(shí)，耗盡層增大，溝道減小，漏極電流ID減小。當(dāng)負(fù)偏壓（一UG）的絕對(duì)值減小時(shí)，耗盡層減小，溝道增大，漏極電流ID增大?？梢?jiàn)，漏極電流ID受柵極電壓的控制，所以場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型器件，即經(jīng)過(guò)輸入電壓的變化來(lái)控制輸出電流的變化，從而到達(dá)放大等

7、目的。和雙極型晶體管一樣，場(chǎng)效應(yīng)管用于放大等電路時(shí)，其柵極也應(yīng)加偏置電壓。結(jié)型場(chǎng)效府管的柵極應(yīng)加反向偏置電壓，即N溝道管加負(fù)柵壓，P溝道管加正柵爪。加強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)加正向柵壓。耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓可正、可負(fù)、可為“0”。相比于一般晶體管場(chǎng)效應(yīng)管有以下特點(diǎn)（1）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。（2）場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱(chēng)之為單極型器件，而晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱(chēng)之為雙極型器件。少數(shù)載流子受溫度影響產(chǎn)生地變化較大，

8、因此場(chǎng)效應(yīng)管在工作中更穩(wěn)定。（3）有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比晶體管好。（4）場(chǎng)效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。三，芯片制造工藝簡(jiǎn)述 制造過(guò)程中涉及的工藝有很多，我這里只簡(jiǎn)述其中幾大難點(diǎn)。 首先是原材料的提取和制作。晶圓是制造半導(dǎo)體芯片的基本材料，半導(dǎo)體集成電路最主要的原料是硅，因此對(duì)應(yīng)的就是硅晶圓。硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造可以歸納為三個(gè)基本步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。首先是硅提純，

9、將沙石原料放入一個(gè)溫度約為2000 ，并且有碳源存在的電弧熔爐中，在高溫下，碳和沙石中的二氧化硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)（碳與氧結(jié)合，剩下硅），得到純度約為98%的純硅，又稱(chēng)作冶金級(jí)硅，這對(duì)微電子器件來(lái)說(shuō)不夠純，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此對(duì)冶金級(jí)硅進(jìn)行進(jìn)一步提純：將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)的氯化氫進(jìn)行氯化反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99.999999999%，成為電子級(jí)硅。接下來(lái)是單晶硅生長(zhǎng)，最常用的方法叫直拉法。如下圖所示，高純度的多晶硅放在石英坩堝中，并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱，溫度維持在大約1400 ，爐中的空氣通常是

10、惰性氣體，使多晶硅熔化，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向：坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉(zhuǎn)，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅會(huì)粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去。因此所生長(zhǎng)的晶體的方向性是由籽晶所決定的，在其被拉出和冷卻后就生長(zhǎng)成了與籽晶內(nèi)部晶格方向相同的單晶硅棒。用直拉法生長(zhǎng)后，單晶棒將按適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行切割，然后進(jìn)行研磨，將凹凸的切痕磨掉，再用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，晶圓片制造就完成了。晶圓制造單晶硅棒的直徑是由籽晶拉出的速度和旋轉(zhuǎn)速度決定的，一般來(lái)說(shuō)，上拉速

11、率越慢，生長(zhǎng)的單晶硅棒直徑越大。而切出的晶圓片的厚度與直徑有關(guān)，雖然半導(dǎo)體器件的制備只在晶圓的頂部幾微米的范圍內(nèi)完成，但是晶圓的厚度一般要達(dá)到1 mm，才能保證足夠的機(jī)械應(yīng)力支撐，因此晶圓的厚度會(huì)隨直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。晶圓制造廠(chǎng)把這些多晶硅融解，再在融液里種入籽晶，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成，此過(guò)程稱(chēng)為“長(zhǎng)晶”。硅晶棒再經(jīng)過(guò)切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，包裝后，即成為集成電路工廠(chǎng)的基本原料硅晶圓片，這就是“晶圓”。第二，光刻技術(shù)。這是CPU與GPU生產(chǎn)過(guò)程中重要操作，也是處理器工業(yè)中的重頭技術(shù)。光刻技術(shù)把對(duì)光

12、的應(yīng)用推向了極限。光刻使用的是波長(zhǎng)很短的紫外光并配合很大的鏡頭。短波長(zhǎng)的光將透過(guò)這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來(lái)停止光照并移除遮罩，使用特定的化學(xué)溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜，以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。然后，曝光的硅將被原子轟擊，使得暴露的硅基片局部摻雜，從而改變這些區(qū)域的導(dǎo)電狀態(tài)，以制造出N井或P井，結(jié)合上面制造的基片，處理器的門(mén)電路就完成了。說(shuō)起來(lái)不復(fù)雜，但是由于這項(xiàng)技術(shù)對(duì)精度的要求已經(jīng)到了一個(gè)離譜的地步，尤其是在曝光這一步的光刻機(jī)。芯片的集成程度取決于光刻機(jī)的精度，光刻機(jī)需要達(dá)到幾十納米甚至更高的圖像分辨率，光刻機(jī)的兩套核心系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的精度越高，可以在

13、硅片上刻的溝槽越細(xì)小，芯片的集成度越高、計(jì)算能力越強(qiáng)。目前，世界上80%的光刻機(jī)市場(chǎng)被荷蘭公司占據(jù)，高端光刻機(jī)也被其壟斷。中國(guó)在努力追趕，但是目前仍與國(guó)外存在技術(shù)代差，比美國(guó)差兩代、比美國(guó)的盟國(guó)差一代但是這不是說(shuō)我們的追趕不重要，如果我們不做出來(lái)，國(guó)外就可以想怎么賣(mài)就怎么賣(mài)，賣(mài)不賣(mài)、賣(mài)啥型號(hào)、賣(mài)多少錢(qián)都不由我們，而我們做出來(lái)了，國(guó)外更高精度的設(shè)備就會(huì)賣(mài)給我們，價(jià)格也相對(duì)實(shí)惠很多。第三，去污技術(shù)。芯片的精細(xì)程度使得微塵雜質(zhì)對(duì)其的影響是毀滅性的。為了芯片的純凈，首先要有一個(gè)無(wú)塵的環(huán)境。例如在intel的每一個(gè)超凈化室里，空氣每分鐘要徹底更換一次?？諝鈴奶旎ò鍓喝耄瑥牡匕逦?。凈化室內(nèi)部的氣壓稍高于

14、外部氣壓。這樣，如果凈化室中出現(xiàn)裂縫，那么內(nèi)部的潔凈空氣也會(huì)通過(guò)裂縫溜走，防止受污染的空氣流入。但這只是事情一半。在芯片制造廠(chǎng)里，Intel有上千名員工。他們都穿著特殊的稱(chēng)為“兔裝”的工作服。兔裝是由一種特殊的非棉絨、抗靜電纖維制成的，它可以防止灰塵、臟物和其它污染損壞生產(chǎn)中的計(jì)算機(jī)芯片。這兔裝有適合每一個(gè)人的各種尺寸以及一系列顏色，甚至于白色。員工可以將兔裝穿在在普通衣服的外面，但必須經(jīng)過(guò)含有54個(gè)單獨(dú)步驟的嚴(yán)格著裝程序。而且每一次進(jìn)入和離開(kāi)超凈化室都必須重復(fù)這個(gè)程序。另外的還有對(duì)晶圓的清洗技術(shù)。四，中國(guó)芯片制造產(chǎn)業(yè)概況總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)的芯片制造技術(shù)在快速發(fā)展，同時(shí)存在工藝落后、產(chǎn)能不足、人才

15、緊缺等問(wèn)題。中國(guó)集成電路行業(yè)共分芯片封裝、設(shè)計(jì)、制造三部分，總體呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)狀態(tài)。2004年至2017年，年均增長(zhǎng)率接近20%。2010至2017年間，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)20.82%，同期全球僅為3%-5%。 但是另一方面，中國(guó)集成電路制造工藝落后國(guó)際同行兩代，預(yù)計(jì)于2019年1月，中國(guó)可完成14納米級(jí)產(chǎn)品制造，同期國(guó)外可完成7納米級(jí)產(chǎn)品制造；產(chǎn)能?chē)?yán)重不足，50%的芯片依賴(lài)進(jìn)口；同時(shí)中國(guó)的產(chǎn)能和需求之間結(jié)構(gòu)失配，實(shí)際能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品，與市場(chǎng)需求不匹配；長(zhǎng)期的代工模式導(dǎo)致設(shè)計(jì)能力和制造能力失配、核心技術(shù)缺失；投資混亂、研發(fā)投入和人才不足等問(wèn)題，導(dǎo)致中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)目前總體還處于“核心技術(shù)受制于人、產(chǎn)

16、品處于中低端”的狀態(tài)，并且在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法根本改變。再具體一點(diǎn)的，數(shù)字電路部分的芯片設(shè)計(jì)我們還可以抄一抄、趕上來(lái)，但是在模擬電路部分，我們的晶振、AD采集卡等產(chǎn)品的精度還不夠高，積累得還不夠，核心技術(shù)還沒(méi)有把握到手里。雖然中國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)整體上還比較落后，但是這并不妨礙我們?cè)谝恍┚唧w的應(yīng)用場(chǎng)景中造出自己的芯片。舉兩個(gè)例子，一個(gè)是手機(jī)芯片、一個(gè)是新興的區(qū)塊鏈技術(shù)中的底層“挖礦”用的計(jì)算芯片。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大潮中，中國(guó)企業(yè)早早介入了手機(jī)芯片的研發(fā)之中，在手機(jī)這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中占有了自己的地位。在區(qū)塊鏈技術(shù)火爆的今天，礦機(jī)專(zhuān)用的芯片基本上已經(jīng)被中國(guó)的產(chǎn)品所壟斷。挖礦用的芯片起初只是普通電腦的CPU，后來(lái)是GPU、FPGA芯片，再后來(lái)中國(guó)的創(chuàng)業(yè)者通過(guò)把其中不必要的部件都減掉，造出來(lái)專(zhuān)門(mén)用來(lái)挖礦的芯片，把算力和能耗發(fā)揮到極致，再加上中國(guó)強(qiáng)大的基礎(chǔ)制造體系，一舉壟斷了這個(gè)新興的市場(chǎng)。在傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域已經(jīng)被巨頭壟斷的當(dāng)今，一些面向?qū)ｉT(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域的芯片是中國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)的重點(diǎn)，除了上面提到的手機(jī)芯片、礦機(jī)芯片，還有專(zhuān)門(mén)用于人工智能計(jì)算的AI芯片