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

2、重依賴進(jìn)口。2013年以來，中國每年需要進(jìn)口超過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。而國內(nèi)相關(guān)行業(yè)內(nèi)流傳著這么一句話“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年的時間。芯片制造的困難由此就可看出。那么究竟這么一個小小的芯片的制造過程究竟有哪些呢？正文大概流程設(shè)計電路圖濕洗（用各種試劑保持硅晶圓表面沒有雜質(zhì))光刻(用紫外線透過蒙版照射硅晶圓, 被照到的地方就會容易被洗掉, 沒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, 此時還沒有加入雜質(zhì), 依然是一個硅晶圓. )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效應(yīng)管.)干蝕刻(之前用光刻出來的形狀有許多其實不是我們需要的,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芯片)熱處理, 其中又分為: 快速熱退火(就是瞬間把整個片子通過大功率燈啥的照到1200攝氏度以上, 然后慢慢地冷卻下來, 為了使得注

4、入的離子能更好的被啟動以及熱氧化)退火熱氧化(制造出二氧化硅, 也即場效應(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)如果需要長單晶的話就需要這個 12. 電鍍、表面處理 13晶圓打磨和測試二，場效應(yīng)管 不難看出制造過程中最主要的過程就是利用一些手段在晶圓上做出場效應(yīng)管。所以這里就來詳細(xì)地講一下場效應(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),可以通過擴散與熱氧化在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構(gòu)筑晶體管,即MOS管。 場

5、效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）因有兩個PN結(jié)而得名，絕緣柵型場效應(yīng)管（JGFET）則因柵極與其它電極完整絕緣而得名。目前在絕緣柵型場效應(yīng)管中，應(yīng)用最為普遍的是MOS場效應(yīng)管，簡稱MOS管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET）；此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場效應(yīng)管，以及最近剛問世的MOS場效應(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)電方式來劃分，場效應(yīng)管又可分紅耗盡型與加強型。結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有加強型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管。而M

6、OS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和加強型；P溝耗盡型和加強型四大類。見下圖。 場效應(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，場效應(yīng)管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等特性。 場效應(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)的絕對值增大時，耗盡層增大，溝道減小，漏極電流ID減小。當(dāng)負(fù)偏壓（一UG）的絕對值減小時，耗盡層減小，溝道增大，漏極電流ID增大。可見，漏極電流ID受柵極電壓的控制，所以場效應(yīng)管是電壓控制型器件，即經(jīng)過輸入電壓的變化來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，場效應(yīng)管用于放大等電路時，其柵極也應(yīng)加偏置電壓。結(jié)型場效府管的柵極應(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。加強型絕緣柵場效應(yīng)管應(yīng)加正向柵壓。耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的柵壓可正、可負(fù)、可為“0”。相比于一般晶體管場效應(yīng)管有以下特點（1）場效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場效應(yīng)管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。（2）場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，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、因此場效應(yīng)管在工作中更穩(wěn)定。（3）有些場效應(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效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。三，芯片制造工藝簡述 制造過程中涉及的工藝有很多，我這里只簡述其中幾大難點。 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基本步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長、晶圓成型。首先是硅提純，

9、將沙石原料放入一個溫度約為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，又稱作冶金級硅，這對微電子器件來說不夠純，因為半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性對雜質(zhì)的濃度非常敏感，因此對冶金級硅進(jìn)行進(jìn)一步提純：將粉碎的冶金級硅與氣態(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%，成為電子級硅。接下來是單晶硅生長，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，同時又不會產(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)，同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅會粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。因此所生長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，一般來說，上拉速

11、率越慢，生長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，才能保證足夠的機械應(yīng)力支撐，因此晶圓的厚度會隨直徑的增長而增長。晶圓制造廠把這些多晶硅融解，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，此過程稱為“長晶”。硅晶棒再經(jīng)過切段，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)把對光

12、的應(yīng)用推向了極限。光刻使用的是波長很短的紫外光并配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來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，處理器的門電路就完成了。說起來不復(fù)雜，但是由于這項技術(shù)對精度的要求已經(jīng)到了一個離譜的地步，尤其是在曝光這一步的光刻機。芯片的集成程度取決于光刻機的精度，光刻機需要達(dá)到幾十納米甚至更高的圖像分辨率，光刻機的兩套核心系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)和對準(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、計算能力越強。目前，世界上80%的光刻機市場被荷蘭公司占據(jù)，高端光刻機也被其壟斷。中國在努力追趕，但是目前仍與國外存在技術(shù)代差，比美國差兩代、比美國的盟國差一代但是這不是說我們的追趕不重要，如果我們不做出來，國外就可以想怎么賣就怎么賣，賣不賣、賣啥型號、賣多少錢都不由我們，而我們做出來了，國外更高精度的設(shè)備就會賣給我們，價格也相對實惠很多。第三，去污技術(shù)。芯片的精細(xì)程度使得微塵雜質(zhì)對其的影響是毀滅性的。為了芯片的純凈，首先要有一個無塵的環(huán)境。例如在intel的每一個超凈化室里，空氣每分鐘要徹底更換一次。空氣從天花板壓入，從地板吸出。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)部的潔凈空氣也會通過裂縫溜走，防止受污染的空氣流入。但這只是事情一半。在芯片制造廠里，Intel有上千名員工。他們都穿著特殊的稱為“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)中的計算機芯片。這兔裝有適合每一個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)過含有54個單獨步驟的嚴(yán)格著裝程序。而且每一次進(jìn)入和離開超凈化室都必須重復(fù)這個程序。另外的還有對晶圓的清洗技術(shù)。四，中國芯片制造產(chǎn)業(yè)概況總的來說，中國的芯片制造技術(shù)在快速發(fā)展，同時存在工藝落后、產(chǎn)能不足、人才

15、緊缺等問題。中國集成電路行業(yè)共分芯片封裝、設(shè)計、制造三部分，總體呈現(xiàn)高速增長狀態(tài)。2004年至2017年，年均增長率接近20%。2010至2017年間，年均復(fù)合增長率達(dá)20.82%，同期全球僅為3%-5%。 但是另一方面，中國集成電路制造工藝落后國際同行兩代，預(yù)計于2019年1月，中國可完成14納米級產(chǎn)品制造，同期國外可完成7納米級產(chǎn)品制造；產(chǎn)能嚴(yán)重不足，50%的芯片依賴進(jìn)口；同時中國的產(chǎn)能和需求之間結(jié)構(gòu)失配，實際能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品，與市場需求不匹配；長期的代工模式導(dǎo)致設(shè)計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題，導(dǎo)致中國集成電路產(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)，并且在很長的一段時間內(nèi)無法根本改變。再具體一點的，數(shù)字電路部分的芯片設(shè)計我們還可以抄一抄、趕上來，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)還沒有把握到手里。雖然中國的芯片產(chǎn)業(yè)整體上還比較落后，但是這并不妨礙我們在一些具體的應(yīng)用場景中造出自己的芯片。舉兩個例子，一個是手機芯片、一個是新興的區(qū)塊鏈技術(shù)中的底層“挖礦”用的計算芯片。在移動互聯(lián)網(wǎng)的大潮中，中國企業(yè)早早介入了手機芯片的研發(fā)之中，在手機這個應(yīng)用場景中占有了自己的地位。在區(qū)塊鏈技術(shù)火爆的今天，礦機專用的芯片基本上已經(jīng)被中國的產(chǎn)品所壟斷。挖礦用的芯片起初只是普通電腦的CPU，后來是GPU、FPGA芯片，再后來中國的創(chuàng)業(yè)者通過把其中不必要的部件都減掉，造出來專門用來挖礦的芯片，把算力和能耗發(fā)揮到極致，再加上中國強大的基礎(chǔ)制造體系，一舉壟斷了這個新興的市場。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的應(yīng)用領(lǐng)域的芯片是中國未來實現(xiàn)彎道超車的重點，除了上面提到的手機芯片、礦機芯片，還有專門用于人工智能計算的AI芯片