那么要想造個(gè)芯片，首先，你得畫出來(lái)一個(gè)長(zhǎng)這樣的玩意兒給Foundry (外包的晶圓制造公司)▼
再放大▼
我們終于看到一個(gè)門電路啦! 這是一個(gè)NAND Gate(與非門)，大概是這樣▼
A, B 是輸入, Y是輸出
其中藍(lán)色的是金屬1層，綠色是金屬2層，紫色是金屬3層，粉色是金屬4層。那晶體管(“晶體管”自199X年以后已經(jīng)主要是 MOSFET, 即場(chǎng)效應(yīng)管了 ) 呢?仔細(xì)看圖，看到里面那些白色的點(diǎn)嗎?那是襯底，還有一些綠色的邊框?那些是Active Layer (也即摻雜層)。
Foundry是怎么做的呢? 大體上分為以下幾步:
首先搞到一塊圓圓的硅晶圓, (就是一大塊晶體硅, 打磨的很光滑, 一般是圓的)
圖片按照生產(chǎn)步驟排列. 但是步驟總結(jié)單獨(dú)寫出.
1、濕洗(用各種試劑保持硅晶圓表面沒有雜質(zhì))
2、光刻(用紫外線透過(guò)蒙版照射硅晶圓, 被照到的地方就會(huì)容易被洗掉, 沒被照到的地方就保持原樣. 于是就可以在硅晶圓上面刻出想要的圖案. 注意, 此時(shí)還沒有加入雜質(zhì), 依然是一個(gè)硅晶圓. )
3、 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.)
4.1、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?，F(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).
4.2、濕蝕刻(進(jìn)一步洗掉，但是用的是試劑， 所以叫濕蝕刻)—— 以上步驟完成后, 場(chǎng)效應(yīng)管就已經(jīng)被做出來(lái)啦，但是以上步驟一般都不止做一次, 很可能需要反反復(fù)復(fù)的做，以達(dá)到要求。
5、等離子沖洗(用較弱的等離子束轟擊整個(gè)芯片)
6、熱處理，其中又分為：
6.1 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), 為了使得注入的離子能更好的被啟動(dòng)以及熱氧化)
6.2 退火
6.3 熱氧化 (制造出二氧化硅, 也即場(chǎng)效應(yīng)管的柵極(gate) )
7、化學(xué)氣相淀積(CVD)，進(jìn)一步精細(xì)處理表面的各種物質(zhì)
8、物理氣相淀積 (PVD)，類似，而且可以給敏感部件加coating
9、分子束外延 (MBE) 如果需要長(zhǎng)單晶的話就需要。
10、電鍍處理
11、化學(xué)/機(jī)械表面處理
12、晶圓測(cè)試
13、晶圓打磨就可以出廠封裝了。
再通過(guò)圖示來(lái)一步步看▼
1、上面是氧化層, 下面是襯底(硅)——濕洗
2、一般來(lái)說(shuō), 先對(duì)整個(gè)襯底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物質(zhì)(最外層少一個(gè)電子)，作為襯底——離子注入
3、先加入Photo-resist, 保護(hù)住不想被蝕刻的地方——光刻
4、上掩膜! (就是那個(gè)標(biāo)注Cr的地方。中間空的表示沒有遮蓋，黑的表示遮住了。) —— 光刻
5、紫外線照上去，下面被照得那一塊就被反應(yīng)了——光刻
6、撤去掩膜——光刻
7、把暴露出來(lái)的氧化層洗掉, 露出硅層(就可以注入離子了)——光刻
8、把保護(hù)層撤去. 這樣就得到了一個(gè)準(zhǔn)備注入的硅片. 這一步會(huì)反復(fù)在硅片上進(jìn)行(幾十次甚至上百次)——光刻
9、然后光刻完畢后, 往里面狠狠地插入一塊少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物質(zhì)就做成了一個(gè)N-well (N-井)——離子注入
10、用干蝕刻把需要P-well的地方也蝕刻出來(lái)，也可以再次使用光刻刻出來(lái)——干蝕刻
11、上圖將P-型半導(dǎo)體上部再次氧化出一層薄薄的二氧化硅—— 熱處理
12、用分子束外延處理長(zhǎng)出的一層多晶硅，該層可導(dǎo)電——分子束外延
13、進(jìn)一步的蝕刻，做出精細(xì)的結(jié)構(gòu)。(在退火以及部分CVD)—— 重復(fù)3-8光刻 + 濕蝕刻
14、再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物質(zhì)，此時(shí)注意MOSFET已經(jīng)基本成型——離子注入
15、用氣相積淀 形成的氮化物層 —— 化學(xué)氣相積淀
16、將氮化物蝕刻出溝道——光刻 + 濕蝕刻
17、物理氣相積淀長(zhǎng)出 金屬層——物理氣相積淀
18、將多余金屬層蝕刻。光刻 + 濕蝕刻重復(fù) 17-18 次長(zhǎng)出每個(gè)金屬層。
附圖的步驟在每幅圖的下面標(biāo)注，一共18步。
最終成型大概長(zhǎng)這樣:
其中，步驟1-15 屬于 前端處理 (FEOL)，也即如何做出場(chǎng)效應(yīng)管。步驟16-18 (加上許許多多的重復(fù)) 屬于后端處理 (BEOL)，后端處理主要是用來(lái)布線。最開始那個(gè)大芯片里面能看到的基本都是布線!一般一個(gè)高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片，都會(huì)被布線遮擋住。
SOI (Silicon-on-Insulator) 技術(shù)：
傳統(tǒng)CMOS技術(shù)的缺陷在于：襯底的厚度會(huì)影響片上的寄生電容，間接導(dǎo)致芯片的性能下降。 SOI技術(shù)主要是將 源極/漏極 和 硅片襯底分開，以達(dá)到(部分)消除寄生電容的目的。
傳統(tǒng)：
SOI:
制作方法主要有以下幾種(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的結(jié)構(gòu)，之后的步驟跟傳統(tǒng)工藝基本一致。)
1. 高溫氧化退火:
在硅表面離子注入一層氧離子層
等氧離子滲入硅層, 形成富氧層
高溫退火
成型
或者是
2. Wafer Bonding(用兩塊! )不是要做夾心餅干一樣的結(jié)構(gòu)嗎? 爺不差錢! 來(lái)兩塊!
對(duì)硅2進(jìn)行表面氧化
對(duì)硅2進(jìn)行氫離子注入對(duì)硅2進(jìn)行氫離子注入
翻面
將氫離子層處理成氣泡層將氫離子層處理成氣泡層
切割掉多余部分切割掉多余部分
成型 + 再利用
光刻
離子注入離子注入
微觀圖長(zhǎng)這樣:
再次光刻+蝕刻
撤去保護(hù), 中間那個(gè)就是Fin撤去保護(hù), 中間那個(gè)就是Fin
門部位的多晶硅/高K介質(zhì)生長(zhǎng)門部位的多晶硅/高K介質(zhì)生長(zhǎng)
門部位的氧化層生長(zhǎng)門部位的氧化層生長(zhǎng)
長(zhǎng)成這樣
源極 漏極制作(光刻+ 離子注入)
初層金屬/多晶硅貼片
蝕刻+成型
物理氣相積淀長(zhǎng)出表面金屬層(因?yàn)槭侨S結(jié)構(gòu), 所有連線要在上部連出)
機(jī)械打磨(對(duì)! 不打磨會(huì)導(dǎo)致金屬層厚度不一致)
成型! 成型!
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