圖解芯片技術

超大規模芯片製造能力，是科學與技術的高度結晶。產業鏈上下游涉及到設計、IP、材料、設備、封裝、測試等衆多廠商，需要大協同才能完成一顆芯片的生產。沒有一家企業可以獨立完成，即使Intel這樣有設計和製造能力的老牌IDM，也需要ASML光刻機、以及購買光刻膠等。芯片製造過程，是在晶圓之上，進行一遍又一遍的薄膜沉積、光刻、刻蝕、離子注入等等工序，幾百道工序，一層層搭建出由百億個晶體管構成的大廈，每個晶體管是如此之效，一個特徵長度（柵極的寬度）可以做到7nm，甚至更小，相比之下，一粒塵埃都是龐然大物。高速運動、nm級加工精度、天文數目的數量，一個小小的差錯就會影響到良品率。半導體行業看似製造業，但是廣泛運用到各種基礎科學知識，材料學、光學、化學、量子力學。摩爾定律定義了產業發展的速度，意味着半導體行業要不斷在基礎科學和材料上研究突破，保持芯片性能的指數級增長。 中國要建立這條產業鏈，擺脫被“卡脖子”的困境，任重道遠。

快速過一遍，主要獲取一個初步的認識。建議作者改版時集中一款芯片，每一個節點/工藝只講一種主要技術/工藝，其它作爲附件。 現在感覺書包羅的東西太多，重複內容也多下。分支太多，很容易讓人看不下去。

芯片技術的科普書籍，內從晶圓，切片，塗膠掩模，刻蝕，薄膜沉積，平坦技術等，外從產業結構，行業龍頭，中國發展前景與未來等，一一進行了講述。 對於一個外行來講，憑藉過往的理工基礎尚且能模糊讀懂，希望在工作中不斷積累不斷髮現，更多的去了解眼下對於祖國格外重要與緊急的高科技行業。

教授出的書就這麼垃圾嗎？資料如此陳舊。這得是什麼書啊？建議就不要看了，全是陳舊資料的堆積

作爲一個非專業的人 能夠看懂其中的一些內容，也對芯片有一更近一步的認知

比較混亂的一本書，感覺編者沒用心，拼湊感強烈，讀起來也喫力，邊看邊整理，精簡如下： 一、單晶硅棒的製取 1.還原金屬硅 自然界的硅通常以硅石（主要成分爲SiO2）或硅酸鹽的形式存在。硅石中硅與氧的結合鍵很強，因此要在電弧爐中將硅石熔化，用碳或石墨使硅還原，製成純度大約爲98%的還原金屬硅(冶金級單質硅)。硅石還原需要大量的能量，製造金屬硅所需要的電力，與製造金屬鋁所需要的電力不相上下。 硅石還原反應的化學方程式爲： SiO2+2C（焦炭等）——→Si+2CO↑ 2.生成三氯氫硅 將冶金級單質硅（金屬硅）製成微細粉末，使其與液態氯化氫（HCl）在大約300℃發生如下反應： Si+3HCl—→SiHCl3+H2↑ 得到三氯氫硅， 三氯氫硅爲透明液體。在反應過程中，含於金屬硅中的雜質等變成氯化物（AlCl3 、FeCl3等）。一般來說，金屬氯化物的飽和蒸氣壓比單體金屬要高一個數量級左右，在合成三氯氫硅的同時，含於金屬硅中的金屬雜質變成氯化物而蒸發掉。 3.多晶硅的析出 將精製成高純度的三氯氫硅與超高純氫一起通入反應器(如石英玻璃鐘罩)中，在通電加熱的硅芯棒表面，三氯氫硅被氫還原會析出並生長多晶硅。所發生的反應爲SiHCl3+H2——→Si+3HCl 或4SiHCl3——→Si+3SiCl4+2H2 上述反應要在1100℃的反應爐內進行，在此反應中，要控制芯棒的溫度、氣體的混合比及流量。 【第三代改良西門子法是目前成熟的多晶硅生產技術，除了工藝流程合理外，由於具備完善的循環和回收系統（還包括對水、電、氣等能源和資源的回收再利用），生產效率高，產品價格低，具有很強的市場競爭力。】 4.製作單晶硅棒 工業上製造單晶硅棒有兩大類方法，一類是直拉法（Czochralski，CZ法），另一類是區熔法（Floating Zone法，FZ法），二者的共同點是將多晶硅加熱熔融，再將其在嚴格控制下固化。直拉法是將熔融硅保持在石英玻璃制坩堝中相對，區熔法具有熔液不與多晶硅以外的固體相接觸的特徵，因此可以獲得更高純度。目前先進器件製造用的硅晶圓幾乎全部由直拉法單晶硅棒加工而成。 直拉法： （1）將多晶硅裝入CZ生長爐內的石英坩堝中，由石墨加熱器將其加熱熔融得到硅熔液（硅的熔點大約爲1420℃，因此爐內要用石墨隔熱材料，爐壁要用水冷等隔熱散熱）。 （2）將稱爲籽晶（seed）的短棒狀或小方塊狀單晶硅用卡具裝緊，使籽晶下降至接觸熔液表面，接觸界面的熔液部分瞬時固化。與之相接觸的熔液部分會以單晶的形式生長。此後稍微向上方提拉籽晶，由於此前固化的部分變冷，故該固化部分繼續作爲籽晶促使其正下方的熔液以單晶的形式固化。通過連續進行的這種操作，原來的籽晶之下就會逐漸生長出單晶（由提拉速度和熔液溫度分佈的精細控制，可以生產出所要求直徑的單晶硅棒）。此時，通常保持液麪高度爲同一位置，而在晶體生長的同時使坩堝緩緩上升。採用這種坩堝上升法，直徑控制和熔液的溫度控制都比較容易。 如上所述，伴隨着由熔液中提拉單晶體而進行的連續的固化過程稱爲晶體生長（crystal growth）。注意其生長方向是朝下而非朝上。 區熔法： 區熔法是控制溫度梯度使狹窄的熔區移過材料而生長出單晶的方法,分爲水平區熔法和懸浮區熔法（前者主要用於鍺、GaAs等材料的提純和單晶生長，後者主要用於硅。由於硅的熔點高，化學性能活潑， 容易受到異物的玷污，難以找到適合的舟皿，不能採用水平區熔法）。 在原料的頂端有一籽晶，當爐子加熱時，接觸到籽晶的物料熔融，隨着爐子緩慢勻速向上移動時，在籽晶處發生定向凝固，且原料錠繼續熔化、定向凝固，逐漸生成單晶，原料中雜質移至錠尾（晶體質量和性能取決於區熔溫度、移動速率、冷卻溫度梯度，從熔液到單晶的雜質去除關係，通過偏析現象可以理解。熔於液相而難熔於固相的雜質，隨着這個熔融區向下移動。較難熔於液相的雜質，則留在後面。當熔融區向前移動時，更多的雜質就濃集在它後面凝固的部分，操作結束時，將桿狀物後端凝固的雜質切去即可）。 二、從單晶硅到硅圓片 伴隨硅圓片的大外徑化有許多問題需要解決： 1.從硅棒中要切除不需要的部分，如剝皮和切除上、下兩端頭，並將其切分成若干個硅坯。 2.按所要求的硅圓片直徑，用磨削刀具研削硅坯外圓（在拉制單晶時，應按硅圓片尺寸要求，保證硅棒外徑足夠大，並留有研磨外圓的尺寸裕度）。 3.在硅坯周邊切出稱爲“取向平面(OF：Orientation Plat)”或“缺口(notch)”的標誌。 4.將硅坯切割成一片一片的硅圓片 用黏合劑把硅坯固定在支持架上，將其切割成一片一片的硅圓片【內圓刃刀片切片和線刀切片】 對於外徑大於300mm的硅圓片，用線刀切割目前已成爲標準切割方法。 5.倒角(beveling)工序 用化學溶液溶解黏合劑，使硅圓片從支撐架上剝離，成爲一片一片的硅圓片。把硅圓片的側面研磨成拋物線形狀。這樣做的目的，是爲了在IC製造過程中裝卸及加工硅圓片時，避免側面棱角處破損(併產生後續製程中令人討厭的顆粒污染)，還可防止在熱處理等製程中，由側面部分導入晶體缺陷。 6.機械研磨（lapping） 切好的硅圓片經倒角後，使用含有CeO2微細顆粒研磨劑的研磨液，進行機械研磨（lapping）。在對側面磨削之後，將硅圓片置於轉盤之上，對錶面進行化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP），使其變爲閃閃發光的鏡面狀態。 （1）退火片：在經研磨洗淨後，部分硅圓片還要放入擴散爐中，在氮氣和氫氣氣氛中進行熱處理，確保硅片表面附近成爲無缺陷層，這樣處理過的硅圓片爲退火片。 （2）外延片：採用單晶基板，並在此單晶基板上使生長出單晶膜的晶軸與基板的晶軸相一致。外延層與基板可以是相同物質，也可以是不同物質，稱前者爲同質外延（homoepitaxy），後者爲異質外延（heteroepitaxy）。按原料物質的供應方式不同，有氣相外延、液相外延、固相外延之分，在氣相外延中又有化學生長法和物理生長法。 對於常用的氣相外延來說，要想獲得理想的外延層，一般需要控制的條件有：基板單晶要完整，基板表面要乾淨，外延溫度要高，生長速度要慢等。 （3）SOI片：在絕緣體之上形成Si單晶層的結構。 其與僅僅構建在一塊簡單的硅片上相比，在SOI薄層上構建的晶體管，其運算速度更快、功耗更低。 SOI基板依其形成方法不同，有各種不同的種類，但主要分爲SIMOX（Separation by IMplanted OXygen，利用注入氧進行隔離型）和鍵合基板。 三、光刻過程 1.前處理。清洗晶圓以去除表面沾污及雜質等異物，通常將晶圓浸入酸溶液等中，溶解、去除異物，用流動的純水漂洗（rinse），經乾燥去除水分。 2.氣相沉積。在900℃左右的高溫水蒸氣環境中，使硅與氧發生反應（熱氧化），在硅圓片表面生長硅氧化膜（SiO2）。接着，在高溫下通過硅烷（SiH4）與氨（NH3）的CVD（化學氣相沉積）反應，在氧化膜上生長氮化硅（Si3N4）膜。 3.塗膠。在硅圓片表面均勻地塗布感光性樹脂光刻膠，塗布操作在塗膠機（Coating）中進行。在塗膠機中，將硅圓片固定在旋轉甩膠臺上，抽真空，由上方的噴嘴向硅片表面中心滴入液態光刻膠，由於硅圓片高速旋轉，從而在表面形成均勻的光刻膠薄膜。 4.曝光。塗布好光刻膠的硅圓片經預焙後，在步進重複曝光機的曝光裝置中進行掩模圖形的複製。光刻掩模一次只形成一個芯片部分的圖形，需要在硅圓片表面按一個一個芯片的順序反覆（步進）曝光，完成全硅圓片的圖形轉寫。決定步進重複曝光機性能的兩大要素，一是光的波長，二是透鏡的數值孔徑(NA)。 5.顯影。曝光後的硅圓片在經過PEB（Post Exposure Bake ：曝光後烘烤）後，進行顯影（又稱顯相）處理，形成光刻膠圖形。顯影在顯影機（Developer）中進行，將強鹼性顯影液TMAH［N(CH3)4OH］滴在或噴射在硅圓片上。以正光刻膠爲例，被光照射部分的光刻膠發生化學反應，在鹼溶液作用下化學結構發生變化，溶於顯影液中，未被光照射部分的光刻膠圖形則不發生變化而保留下來。 6.顯影后的硅圓片在烘箱中熱處理，使光刻膠中殘留的沖洗液及水分蒸發，增加光刻膠的熱穩定性。 7.刻蝕過程。 （1）採用碳氟化合物等離子體氣體的幹法刻蝕（dry-etching），以光刻膠爲掩模按順序依次將硅氮化膜和硅氧化膜去除（流程5）。 （2）用鹵化物氣體等對硅基板的硅進行幹法刻蝕，形成淺溝槽隔離（Shallow Trench Isolation，STI）（圖示流程6），淺溝槽對各個三極管起到電氣絕緣分離的作用。 （3）幹法刻蝕後剝離光刻膠，可採用氧等離子體對光刻膠進行灰化（ashing）去除，也可以採用溶液的方法（圖示流程7）。 （4）在高溫氧氣中對晶圓片進行熱氧化，在露出硅的淺溝槽隔離內壁上生長薄的硅氧化膜（圖示流程8）。 （5）利用硅烷氣體和氧氣的CVD法，在晶圓表面生長厚的硅氧化膜，用於淺溝槽隔離的埋置（圖示流程9）。 （6）利用CMP法對硅氧化膜研磨，平坦化，使淺溝槽隔離溝部分埋置硅氧化膜（圖示流程10）。 （7）在表面露出的硅氮化膜採用磷酸熱溶液溼法刻蝕（wet-etching）後，進行光刻工序，此後，將形成n溝道MOS三極管的部分用光刻膠覆蓋。對晶圓進行磷（P）離子注入，形成p溝道MOS三極管的部分形成n阱（n型導電層的阱），但覆蓋光刻膠的部分只是注入光刻膠中而不能到達基板。這樣，光刻膠即作爲離子注入的掩模。（圖示流程11）。 （8）光刻膠剝離後，用氫氟酸將晶圓表面的薄氧化膜溼法刻蝕去除，露出硅表面。 （9）在高溫氧氣氣氛中對晶圓熱氧化，使表面生成硅氧化膜成爲柵氧化膜。 （10）採用CVD法使硅烷氣體在氮氣中熱分解，進行多晶硅（poly-silicon）生長。 （11）在CVD生長中在此多晶硅添加磷及砷等n型導電雜質，或者在生長後通過離子注入進行添加。利用光刻、刻蝕及光刻膠剝離等，使多晶硅形成圖形（圖示流程15），由此作爲柵電極（多晶硅柵）。 （12）進行光刻工序，p溝道部分被光刻膠覆蓋後，注入磷離子，在n溝道部分形成低濃度的淺n型導電區域（延伸）（圖示流程16）。這時覆蓋p溝道部分的光刻膠起到離子注入掩模的作用。而且，n溝道柵極也起到離子注入掩模的作用，因此柵極正下方不被離子注入，n型導電區域相對於n溝道柵極，通過自對準（自調整）決定位置而形成。 （13）光刻膠剝離後，利用後續的光刻工序，對n溝道部分覆蓋光刻膠，通過硼（B）離子注入在p溝道部分低濃度的淺p型導電區域（延伸）相對於p溝道電極，通過自對準（自調整）決定位置而形成（圖示流程17）。 （14）光刻膠剝離後，利用CVD法生長硅氧化膜（圖示流程18）。 （15）利用各向異性幹法刻蝕，對晶圓進行全面刻蝕，僅有柵電極側壁的硅氧化膜得以保留（圖示流程19），作爲柵電極的側壁氧化膜。在此所使用的對晶圓全面的刻蝕工序稱爲反向刻蝕（etch-back），利用在臺階部位等所形成的生長膜的厚度差而使部分膜層保留的情況。 （16）進行光刻工序的p溝道部分被光刻膠覆蓋後，進行砷離子注入。這樣，在向n溝道三極管的柵多晶硅導入雜質的同時，向作爲源和漏的高濃度的n型導電區域（n+區域）形成。此區域，相對於n溝道三極管的柵極側壁由自對準定位而形成（圖示流程20）。 （17）光刻膠剝離後，進行光刻工序，n溝道部分由光刻膠覆蓋，進行硼離子注入。這樣，在向p溝道三極管的柵多晶硅導入雜質的同時，p溝道區域的作爲源和漏的高濃度的p型導電區域（p+區域）形成。此區域，相對於p溝道柵極側壁，由自對準定位而形成（圖示流程21）。 （18）光刻膠剝離後，利用濺鍍法生長鈷（Co）膜（圖示流程22）。 （19）對晶圓加熱處理，在硅與鈷相接觸的部分（源，漏，柵），硅與鈷發生反應形成鈷的硅化物（CoSi2）。此後，進行溼法刻蝕處理，去除未發生反應的鈷。通過這種處理，硅面與柵極多晶硅部分的鈷硅化物的膜不被刻蝕而存留（圖示流程23）。這種鈷硅化物的形成方法也是一種自對準。 （20）採用硅烷氣體與氧氣的CVD法生長作爲厚絕緣膜的硅氧化膜（圖示流程24）。 （21）採用CMP法對硅氧化膜研磨至一定的厚度，實現表面平坦化（圖示流程25）。 （22）利用光刻、刻蝕及光刻膠剝離等在硅氧化膜中開出引出電極用的接觸孔（連接孔）（圖示流程26）。 （23）利用濺鍍法生長作爲阻擋膜的氮化鈦（TiN）膜，接着利用CVD法生長鎢（W）膜（圖示流程27）。 （24）利用CMP法研磨鎢膜，使其平坦化，保留接觸孔中的鎢。接着利用CMP法研磨表面的氮化鈦（TiN）膜，利用這種方法埋置稱爲鎢塞（鎢柱）的電接觸（圖示流程28）。 （25）利用濺鍍在晶圓上依次生長氮化鈦（TiN）膜、鋁（Al）膜和氮化鈦（TiN）膜（圖示流程29）。現在多以鋁-銅合金（Al-Cu）替代鋁，但這裏以鋁爲例加以說明。 （26）利用光刻、幹法刻蝕及光刻膠剝離等使氮化鈦（TiN）膜-鋁（Al）膜和氮化鈦（TiN）膜形成圖形化，形成第1層的金屬佈線圖形（圖示流程30）。以上所述即完成LSI迴路的基本製造工藝流程，而先進的LSI還需要重疊多層佈線層的所謂多層佈線結構，下面繼續以兩層佈線的實例加以說明。 （27）爲保證上層和下層佈線層的絕緣，需要生長厚的層間絕緣膜（圖示流程31）。一般是由硅烷氣體與氧氣通過等離子體CVD（PECVD）法生長硅氧化膜。 （28）採用CMP法對層間絕緣膜研磨至一定的厚度，實現表面平坦化（圖示流程32）。 （29）利用光刻、幹法刻蝕及光刻膠剝離等對層間絕緣膜進行刻蝕加工，開出層間導通孔（via hole）（圖示流程33）。 （30）利用濺鍍在晶圓上依次生長氮化鈦（TiN）膜、鋁（Al）膜和氮化鈦（TiN）膜。利用光刻、幹法刻蝕及光刻膠剝離等使氮化鈦（TiN）膜、鋁（Al）膜和氮化鈦（TiN）膜形成圖形化，形成第2層的金屬佈線圖形（圖示流程34）。 （31）爲了對佈線金屬及迴路元件進行保護，利用CVD法生長鈍化膜（絕緣膜）（圖示流程35）。一般是由硅烷氣體與氧氣、氮氣通過CVD法生長硅氮氧化膜（SiON）。利用光刻、幹法刻蝕及光刻膠剝離等部分地去除Al電極上的鈍化膜，用於後道工藝的引線鍵合。以上便完成前道工藝。

芯片製造過程：從沙子裏面提取出純硅，做成圓柱狀，再切成片（晶元）；拿設計好的圖紙（當前大部分是設計公司與製造廠分離的，個別如三星，英特爾是全都有），用機器（光刻機）在晶元上刻蝕出各種形狀；通常晶元有臉盤子那麼大，一個裸片大概就豆子那大，所以一個晶元刻蝕好之後，還要切成碎片。目前芯片功能都比較複雜，引腳比較多，一個豆子上放太多接線點，可能放不下，還有就是爲了防塵防水放輻射，給它套個大殼子，底部把引腳整齊引出來，方便接到電路板上；經過出廠測試，基本上就算是做出來一個芯片了；至於能不能用，設計公司再拿回去經過詳細的測試。只要不是板磚，一切還好說。 大概就這個過程。

不要去花時間讀這本書。我給大家舉個例子就明白了。比如，“IC中包括各種類型的微細化元件，結構非常複雜，而且伴隨着邏輯系IC多層佈線層數的增加，IC表面各種各樣的凹凸越來越多，高差逐漸增大。”  讀了之後，感覺像是集成電路芯片高高低低凹凸不平，有高度差。全篇說了多次凹凸不平，但是沒有一次告訴你這個高高低低，凹凸不平的作用是哪裏，是高電平，低電平電壓值不同還是其他作用。總之，作者不太理解讀者的困惑，通篇就這個調調…

從材料學的角度介紹了芯片的工作原理，製作工藝和改良方向等。尤其是芯片的製作工藝，田教授對芯片從源砂到最後商用成片過程中涉及到的工藝流程和新材料做了詳盡的描述，非常適合半導體從業者及準備進入半導體行業的畢業生和半導體專業相關的本科生研究生閱讀。本書雖儘可能地降低閱讀難度，力求簡單明瞭的講述芯片技術原理，但材料學專業名詞較多，閱讀者可能需要一定材料學基礎才能順暢地閱讀此書。本書關於半導體三極管的原理解釋形象生動，簡單明瞭，讀之即懂。半導體被廣泛地應用於芯片行業是因爲半導體與導體和絕緣體相比，可以在閉合電路中實現兩種狀態的變化，即可實現布爾邏輯運算。而三極管是實現這種狀態變化的結構，場效應晶體管由源極漏極柵極組成，通過控制柵極電壓，實現源極和漏極間電流的導通和不導通，達成兩種狀態的變化。

作爲科普，它是失敗的。外行絕大部分看不懂的專業術語太多太多