图解芯片技术

超大规模芯片制造能力，是科学与技术的高度结晶。产业链上下游涉及到设计、IP、材料、设备、封装、测试等众多厂商，需要大协同才能完成一颗芯片的生产。没有一家企业可以独立完成，即使Intel这样有设计和制造能力的老牌IDM，也需要ASML光刻机、以及购买光刻胶等。芯片制造过程，是在晶圆之上，进行一遍又一遍的薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入等等工序，几百道工序，一层层搭建出由百亿个晶体管构成的大厦，每个晶体管是如此之效，一个特征长度（栅极的宽度）可以做到7nm，甚至更小，相比之下，一粒尘埃都是庞然大物。高速运动、nm级加工精度、天文数目的数量，一个小小的差错就会影响到良品率。半导体行业看似制造业，但是广泛运用到各种基础科学知识，材料学、光学、化学、量子力学。摩尔定律定义了产业发展的速度，意味着半导体行业要不断在基础科学和材料上研究突破，保持芯片性能的指数级增长。 中国要建立这条产业链，摆脱被“卡脖子”的困境，任重道远。

快速过一遍，主要获取一个初步的认识。建议作者改版时集中一款芯片，每一个节点/工艺只讲一种主要技术/工艺，其它作为附件。 现在感觉书包罗的东西太多，重复内容也多下。分支太多，很容易让人看不下去。

芯片技术的科普书籍，内从晶圆，切片，涂胶掩模，刻蚀，薄膜沉积，平坦技术等，外从产业结构，行业龙头，中国发展前景与未来等，一一进行了讲述。 对于一个外行来讲，凭借过往的理工基础尚且能模糊读懂，希望在工作中不断积累不断发现，更多的去了解眼下对于祖国格外重要与紧急的高科技行业。

教授出的书就这么垃圾吗？资料如此陈旧。这得是什么书啊？建议就不要看了，全是陈旧资料的堆积

作为一个非专业的人 能够看懂其中的一些内容，也对芯片有一更近一步的认知

比较混乱的一本书，感觉编者没用心，拼凑感强烈，读起来也吃力，边看边整理，精简如下： 一、单晶硅棒的制取 1.还原金属硅 自然界的硅通常以硅石（主要成分为SiO2）或硅酸盐的形式存在。硅石中硅与氧的结合键很强，因此要在电弧炉中将硅石熔化，用碳或石墨使硅还原，制成纯度大约为98%的还原金属硅(冶金级单质硅)。硅石还原需要大量的能量，制造金属硅所需要的电力，与制造金属铝所需要的电力不相上下。 硅石还原反应的化学方程式为： SiO2+2C（焦炭等）——→Si+2CO↑ 2.生成三氯氢硅 将冶金级单质硅（金属硅）制成微细粉末，使其与液态氯化氢（HCl）在大约300℃发生如下反应： Si+3HCl—→SiHCl3+H2↑ 得到三氯氢硅， 三氯氢硅为透明液体。在反应过程中，含于金属硅中的杂质等变成氯化物（AlCl3 、FeCl3等）。一般来说，金属氯化物的饱和蒸气压比单体金属要高一个数量级左右，在合成三氯氢硅的同时，含于金属硅中的金属杂质变成氯化物而蒸发掉。 3.多晶硅的析出 将精制成高纯度的三氯氢硅与超高纯氢一起通入反应器(如石英玻璃钟罩)中，在通电加热的硅芯棒表面，三氯氢硅被氢还原会析出并生长多晶硅。所发生的反应为SiHCl3+H2——→Si+3HCl 或4SiHCl3——→Si+3SiCl4+2H2 上述反应要在1100℃的反应炉内进行，在此反应中，要控制芯棒的温度、气体的混合比及流量。 【第三代改良西门子法是目前成熟的多晶硅生产技术，除了工艺流程合理外，由于具备完善的循环和回收系统（还包括对水、电、气等能源和资源的回收再利用），生产效率高，产品价格低，具有很强的市场竞争力。】 4.制作单晶硅棒 工业上制造单晶硅棒有两大类方法，一类是直拉法（Czochralski，CZ法），另一类是区熔法（Floating Zone法，FZ法），二者的共同点是将多晶硅加热熔融，再将其在严格控制下固化。直拉法是将熔融硅保持在石英玻璃制坩埚中相对，区熔法具有熔液不与多晶硅以外的固体相接触的特征，因此可以获得更高纯度。目前先进器件制造用的硅晶圆几乎全部由直拉法单晶硅棒加工而成。 直拉法： （1）将多晶硅装入CZ生长炉内的石英坩埚中，由石墨加热器将其加热熔融得到硅熔液（硅的熔点大约为1420℃，因此炉内要用石墨隔热材料，炉壁要用水冷等隔热散热）。 （2）将称为籽晶（seed）的短棒状或小方块状单晶硅用卡具装紧，使籽晶下降至接触熔液表面，接触界面的熔液部分瞬时固化。与之相接触的熔液部分会以单晶的形式生长。此后稍微向上方提拉籽晶，由于此前固化的部分变冷，故该固化部分继续作为籽晶促使其正下方的熔液以单晶的形式固化。通过连续进行的这种操作，原来的籽晶之下就会逐渐生长出单晶（由提拉速度和熔液温度分布的精细控制，可以生产出所要求直径的单晶硅棒）。此时，通常保持液面高度为同一位置，而在晶体生长的同时使坩埚缓缓上升。采用这种坩埚上升法，直径控制和熔液的温度控制都比较容易。 如上所述，伴随着由熔液中提拉单晶体而进行的连续的固化过程称为晶体生长（crystal growth）。注意其生长方向是朝下而非朝上。 区熔法： 区熔法是控制温度梯度使狭窄的熔区移过材料而生长出单晶的方法,分为水平区熔法和悬浮区熔法（前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长，后者主要用于硅。由于硅的熔点高，化学性能活泼， 容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法）。 在原料的顶端有一籽晶，当炉子加热时，接触到籽晶的物料熔融，随着炉子缓慢匀速向上移动时，在籽晶处发生定向凝固，且原料锭继续熔化、定向凝固，逐渐生成单晶，原料中杂质移至锭尾（晶体质量和性能取决于区熔温度、移动速率、冷却温度梯度，从熔液到单晶的杂质去除关系，通过偏析现象可以理解。熔于液相而难熔于固相的杂质，随着这个熔融区向下移动。较难熔于液相的杂质，则留在后面。当熔融区向前移动时，更多的杂质就浓集在它后面凝固的部分，操作结束时，将杆状物后端凝固的杂质切去即可）。 二、从单晶硅到硅圆片 伴随硅圆片的大外径化有许多问题需要解决： 1.从硅棒中要切除不需要的部分，如剥皮和切除上、下两端头，并将其切分成若干个硅坯。 2.按所要求的硅圆片直径，用磨削刀具研削硅坯外圆（在拉制单晶时，应按硅圆片尺寸要求，保证硅棒外径足够大，并留有研磨外圆的尺寸裕度）。 3.在硅坯周边切出称为“取向平面(OF：Orientation Plat)”或“缺口(notch)”的标志。 4.将硅坯切割成一片一片的硅圆片 用黏合剂把硅坯固定在支持架上，将其切割成一片一片的硅圆片【内圆刃刀片切片和线刀切片】 对于外径大于300mm的硅圆片，用线刀切割目前已成为标准切割方法。 5.倒角(beveling)工序 用化学溶液溶解黏合剂，使硅圆片从支撑架上剥离，成为一片一片的硅圆片。把硅圆片的侧面研磨成抛物线形状。这样做的目的，是为了在IC制造过程中装卸及加工硅圆片时，避免侧面棱角处破损(并产生后续制程中令人讨厌的颗粒污染)，还可防止在热处理等制程中，由侧面部分导入晶体缺陷。 6.机械研磨（lapping） 切好的硅圆片经倒角后，使用含有CeO2微细颗粒研磨剂的研磨液，进行机械研磨（lapping）。在对侧面磨削之后，将硅圆片置于转盘之上，对表面进行化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP），使其变为闪闪发光的镜面状态。 （1）退火片：在经研磨洗净后，部分硅圆片还要放入扩散炉中，在氮气和氢气气氛中进行热处理，确保硅片表面附近成为无缺陷层，这样处理过的硅圆片为退火片。 （2）外延片：采用单晶基板，并在此单晶基板上使生长出单晶膜的晶轴与基板的晶轴相一致。外延层与基板可以是相同物质，也可以是不同物质，称前者为同质外延（homoepitaxy），后者为异质外延（heteroepitaxy）。按原料物质的供应方式不同，有气相外延、液相外延、固相外延之分，在气相外延中又有化学生长法和物理生长法。 对于常用的气相外延来说，要想获得理想的外延层，一般需要控制的条件有：基板单晶要完整，基板表面要干净，外延温度要高，生长速度要慢等。 （3）SOI片：在绝缘体之上形成Si单晶层的结构。 其与仅仅构建在一块简单的硅片上相比，在SOI薄层上构建的晶体管，其运算速度更快、功耗更低。 SOI基板依其形成方法不同，有各种不同的种类，但主要分为SIMOX（Separation by IMplanted OXygen，利用注入氧进行隔离型）和键合基板。 三、光刻过程 1.前处理。清洗晶圆以去除表面沾污及杂质等异物，通常将晶圆浸入酸溶液等中，溶解、去除异物，用流动的纯水漂洗（rinse），经干燥去除水分。 2.气相沉积。在900℃左右的高温水蒸气环境中，使硅与氧发生反应（热氧化），在硅圆片表面生长硅氧化膜（SiO2）。接着，在高温下通过硅烷（SiH4）与氨（NH3）的CVD（化学气相沉积）反应，在氧化膜上生长氮化硅（Si3N4）膜。 3.涂胶。在硅圆片表面均匀地涂布感光性树脂光刻胶，涂布操作在涂胶机（Coating）中进行。在涂胶机中，将硅圆片固定在旋转甩胶台上，抽真空，由上方的喷嘴向硅片表面中心滴入液态光刻胶，由于硅圆片高速旋转，从而在表面形成均匀的光刻胶薄膜。 4.曝光。涂布好光刻胶的硅圆片经预焙后，在步进重复曝光机的曝光装置中进行掩模图形的复制。光刻掩模一次只形成一个芯片部分的图形，需要在硅圆片表面按一个一个芯片的顺序反复（步进）曝光，完成全硅圆片的图形转写。决定步进重复曝光机性能的两大要素，一是光的波长，二是透镜的数值孔径(NA)。 5.显影。曝光后的硅圆片在经过PEB（Post Exposure Bake ：曝光后烘烤）后，进行显影（又称显相）处理，形成光刻胶图形。显影在显影机（Developer）中进行，将强碱性显影液TMAH［N(CH3)4OH］滴在或喷射在硅圆片上。以正光刻胶为例，被光照射部分的光刻胶发生化学反应，在碱溶液作用下化学结构发生变化，溶于显影液中，未被光照射部分的光刻胶图形则不发生变化而保留下来。 6.显影后的硅圆片在烘箱中热处理，使光刻胶中残留的冲洗液及水分蒸发，增加光刻胶的热稳定性。 7.刻蚀过程。 （1）采用碳氟化合物等离子体气体的干法刻蚀（dry-etching），以光刻胶为掩模按顺序依次将硅氮化膜和硅氧化膜去除（流程5）。 （2）用卤化物气体等对硅基板的硅进行干法刻蚀，形成浅沟槽隔离（Shallow Trench Isolation，STI）（图示流程6），浅沟槽对各个三极管起到电气绝缘分离的作用。 （3）干法刻蚀后剥离光刻胶，可采用氧等离子体对光刻胶进行灰化（ashing）去除，也可以采用溶液的方法（图示流程7）。 （4）在高温氧气中对晶圆片进行热氧化，在露出硅的浅沟槽隔离内壁上生长薄的硅氧化膜（图示流程8）。 （5）利用硅烷气体和氧气的CVD法，在晶圆表面生长厚的硅氧化膜，用于浅沟槽隔离的埋置（图示流程9）。 （6）利用CMP法对硅氧化膜研磨，平坦化，使浅沟槽隔离沟部分埋置硅氧化膜（图示流程10）。 （7）在表面露出的硅氮化膜采用磷酸热溶液湿法刻蚀（wet-etching）后，进行光刻工序，此后，将形成n沟道MOS三极管的部分用光刻胶覆盖。对晶圆进行磷（P）离子注入，形成p沟道MOS三极管的部分形成n阱（n型导电层的阱），但覆盖光刻胶的部分只是注入光刻胶中而不能到达基板。这样，光刻胶即作为离子注入的掩模。（图示流程11）。 （8）光刻胶剥离后，用氢氟酸将晶圆表面的薄氧化膜湿法刻蚀去除，露出硅表面。 （9）在高温氧气气氛中对晶圆热氧化，使表面生成硅氧化膜成为栅氧化膜。 （10）采用CVD法使硅烷气体在氮气中热分解，进行多晶硅（poly-silicon）生长。 （11）在CVD生长中在此多晶硅添加磷及砷等n型导电杂质，或者在生长后通过离子注入进行添加。利用光刻、刻蚀及光刻胶剥离等，使多晶硅形成图形（图示流程15），由此作为栅电极（多晶硅栅）。 （12）进行光刻工序，p沟道部分被光刻胶覆盖后，注入磷离子，在n沟道部分形成低浓度的浅n型导电区域（延伸）（图示流程16）。这时覆盖p沟道部分的光刻胶起到离子注入掩模的作用。而且，n沟道栅极也起到离子注入掩模的作用，因此栅极正下方不被离子注入，n型导电区域相对于n沟道栅极，通过自对准（自调整）决定位置而形成。 （13）光刻胶剥离后，利用后续的光刻工序，对n沟道部分覆盖光刻胶，通过硼（B）离子注入在p沟道部分低浓度的浅p型导电区域（延伸）相对于p沟道电极，通过自对准（自调整）决定位置而形成（图示流程17）。 （14）光刻胶剥离后，利用CVD法生长硅氧化膜（图示流程18）。 （15）利用各向异性干法刻蚀，对晶圆进行全面刻蚀，仅有栅电极侧壁的硅氧化膜得以保留（图示流程19），作为栅电极的侧壁氧化膜。在此所使用的对晶圆全面的刻蚀工序称为反向刻蚀（etch-back），利用在台阶部位等所形成的生长膜的厚度差而使部分膜层保留的情况。 （16）进行光刻工序的p沟道部分被光刻胶覆盖后，进行砷离子注入。这样，在向n沟道三极管的栅多晶硅导入杂质的同时，向作为源和漏的高浓度的n型导电区域（n+区域）形成。此区域，相对于n沟道三极管的栅极侧壁由自对准定位而形成（图示流程20）。 （17）光刻胶剥离后，进行光刻工序，n沟道部分由光刻胶覆盖，进行硼离子注入。这样，在向p沟道三极管的栅多晶硅导入杂质的同时，p沟道区域的作为源和漏的高浓度的p型导电区域（p+区域）形成。此区域，相对于p沟道栅极侧壁，由自对准定位而形成（图示流程21）。 （18）光刻胶剥离后，利用溅镀法生长钴（Co）膜（图示流程22）。 （19）对晶圆加热处理，在硅与钴相接触的部分（源，漏，栅），硅与钴发生反应形成钴的硅化物（CoSi2）。此后，进行湿法刻蚀处理，去除未发生反应的钴。通过这种处理，硅面与栅极多晶硅部分的钴硅化物的膜不被刻蚀而存留（图示流程23）。这种钴硅化物的形成方法也是一种自对准。 （20）采用硅烷气体与氧气的CVD法生长作为厚绝缘膜的硅氧化膜（图示流程24）。 （21）采用CMP法对硅氧化膜研磨至一定的厚度，实现表面平坦化（图示流程25）。 （22）利用光刻、刻蚀及光刻胶剥离等在硅氧化膜中开出引出电极用的接触孔（连接孔）（图示流程26）。 （23）利用溅镀法生长作为阻挡膜的氮化钛（TiN）膜，接着利用CVD法生长钨（W）膜（图示流程27）。 （24）利用CMP法研磨钨膜，使其平坦化，保留接触孔中的钨。接着利用CMP法研磨表面的氮化钛（TiN）膜，利用这种方法埋置称为钨塞（钨柱）的电接触（图示流程28）。 （25）利用溅镀在晶圆上依次生长氮化钛（TiN）膜、铝（Al）膜和氮化钛（TiN）膜（图示流程29）。现在多以铝-铜合金（Al-Cu）替代铝，但这里以铝为例加以说明。 （26）利用光刻、干法刻蚀及光刻胶剥离等使氮化钛（TiN）膜-铝（Al）膜和氮化钛（TiN）膜形成图形化，形成第1层的金属布线图形（图示流程30）。以上所述即完成LSI回路的基本制造工艺流程，而先进的LSI还需要重叠多层布线层的所谓多层布线结构，下面继续以两层布线的实例加以说明。 （27）为保证上层和下层布线层的绝缘，需要生长厚的层间绝缘膜（图示流程31）。一般是由硅烷气体与氧气通过等离子体CVD（PECVD）法生长硅氧化膜。 （28）采用CMP法对层间绝缘膜研磨至一定的厚度，实现表面平坦化（图示流程32）。 （29）利用光刻、干法刻蚀及光刻胶剥离等对层间绝缘膜进行刻蚀加工，开出层间导通孔（via hole）（图示流程33）。 （30）利用溅镀在晶圆上依次生长氮化钛（TiN）膜、铝（Al）膜和氮化钛（TiN）膜。利用光刻、干法刻蚀及光刻胶剥离等使氮化钛（TiN）膜、铝（Al）膜和氮化钛（TiN）膜形成图形化，形成第2层的金属布线图形（图示流程34）。 （31）为了对布线金属及回路元件进行保护，利用CVD法生长钝化膜（绝缘膜）（图示流程35）。一般是由硅烷气体与氧气、氮气通过CVD法生长硅氮氧化膜（SiON）。利用光刻、干法刻蚀及光刻胶剥离等部分地去除Al电极上的钝化膜，用于后道工艺的引线键合。以上便完成前道工艺。

芯片制造过程：从沙子里面提取出纯硅，做成圆柱状，再切成片（晶元）；拿设计好的图纸（当前大部分是设计公司与制造厂分离的，个别如三星，英特尔是全都有），用机器（光刻机）在晶元上刻蚀出各种形状；通常晶元有脸盘子那么大，一个裸片大概就豆子那大，所以一个晶元刻蚀好之后，还要切成碎片。目前芯片功能都比较复杂，引脚比较多，一个豆子上放太多接线点，可能放不下，还有就是为了防尘防水放辐射，给它套个大壳子，底部把引脚整齐引出来，方便接到电路板上；经过出厂测试，基本上就算是做出来一个芯片了；至于能不能用，设计公司再拿回去经过详细的测试。只要不是板砖，一切还好说。 大概就这个过程。

不要去花时间读这本书。我给大家举个例子就明白了。比如，“IC中包括各种类型的微细化元件，结构非常复杂，而且伴随着逻辑系IC多层布线层数的增加，IC表面各种各样的凹凸越来越多，高差逐渐增大。”  读了之后，感觉像是集成电路芯片高高低低凹凸不平，有高度差。全篇说了多次凹凸不平，但是没有一次告诉你这个高高低低，凹凸不平的作用是哪里，是高电平，低电平电压值不同还是其他作用。总之，作者不太理解读者的困惑，通篇就这个调调…

从材料学的角度介绍了芯片的工作原理，制作工艺和改良方向等。尤其是芯片的制作工艺，田教授对芯片从源砂到最后商用成片过程中涉及到的工艺流程和新材料做了详尽的描述，非常适合半导体从业者及准备进入半导体行业的毕业生和半导体专业相关的本科生研究生阅读。本书虽尽可能地降低阅读难度，力求简单明了的讲述芯片技术原理，但材料学专业名词较多，阅读者可能需要一定材料学基础才能顺畅地阅读此书。本书关于半导体三极管的原理解释形象生动，简单明了，读之即懂。半导体被广泛地应用于芯片行业是因为半导体与导体和绝缘体相比，可以在闭合电路中实现两种状态的变化，即可实现布尔逻辑运算。而三极管是实现这种状态变化的结构，场效应晶体管由源极漏极栅极组成，通过控制栅极电压，实现源极和漏极间电流的导通和不导通，达成两种状态的变化。

作为科普，它是失败的。外行绝大部分看不懂的专业术语太多太多