楊磊

一項新產(chǎn)品從實驗室誕生到落地工業(yè)生產(chǎn)，繼而形成新的產(chǎn)業(yè)鏈條、產(chǎn)業(yè)集群，這一過程需要幾代研發(fā)人員的共同努力來完成（挖掘材料性能、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)產(chǎn)品功能集成化等）。

1958年第一個芯片問世了，但當(dāng)時芯片的需求和產(chǎn)量都太小，生產(chǎn)成本還很高，只有10%的晶體管廠家能在晶體管生產(chǎn)上獲利。另外，人們對半導(dǎo)體材料特性認(rèn)知很有限，生產(chǎn)工藝水平還無法達(dá)到規(guī)模量產(chǎn)從而降低成本的程度。隨著20世紀(jì)60年代美國的兩個軍工計劃——阿波羅登月計劃和“民兵”導(dǎo)彈開發(fā)計劃的實施，軍工產(chǎn)品對芯片小型化和芯片性能提出更高要求，這大大促進(jìn)了芯片技術(shù)的發(fā)展。很快，芯片取代晶體管變成業(yè)界主流，需求增加了，規(guī)模化生產(chǎn)導(dǎo)致成本大幅降低，開啟了第三代電子器件的時代序幕。

技術(shù)改進(jìn)：場效應(yīng)管技術(shù)

簡單地說，芯片的功能就是控制和放大信號，所以芯片上除了電阻電容外，最重要的電子器件有兩種：一是雙極型晶體三極管;二是場效應(yīng)管（FET）。二者都具有放大和開關(guān)作用，但特點不同：雙極型晶體管的特點是高速，是電流控制器件，適用于高頻區(qū);場效應(yīng)管則是能耗低，是電壓控制器件，適用于大多數(shù)的邏輯電路。

場效應(yīng)管（Field Effect Transistor，縮寫為FET）是利用電場效應(yīng)控制半導(dǎo)體中電流的一種半導(dǎo)體器件，它只依靠一種載流子參與導(dǎo)電，故稱單極型晶體管。場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)可分為結(jié)型（Junction Field Effect Transistor，縮寫為JFET）和絕緣柵型（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，縮寫為MOS）兩種。結(jié)型場效應(yīng)管是利用導(dǎo)電溝道之間耗盡區(qū)的寬窄來控制電流，輸入電阻在105～1015歐姆之間。絕緣柵型是利用感應(yīng)電荷的數(shù)量來控制導(dǎo)電溝道的寬窄從而控制電流的大小，因柵極與其他電極相互絕緣，所以它的輸入阻抗很高，MOS在硅片上集成度高，因而在大規(guī)模集成電路中占有重要位置。

1925年貝爾實驗室的利菲爾德最早提出JFET想法，1935年奧斯卡·黑爾發(fā)明出MOS型效應(yīng)管，但二者都不具有“場”的意義。直到1960年，貝爾實驗室的約翰·阿特拉和達(dá)旺·康利用熱生長技術(shù)在硅晶體表面制作出了絕緣柵極，研制出世界上第一款實用性強(qiáng)的場效應(yīng)管，很快場效應(yīng)管被應(yīng)用在芯片中，在半導(dǎo)體器件市場中占據(jù)重要份額。

1.場效應(yīng)管的構(gòu)造

場效應(yīng)管本質(zhì)上就是利用PN結(jié)原理制作而成，所以MOS管從結(jié)構(gòu)上分為NMOS管和PMOS管。NMOS管就是在一塊摻雜濃度較低的P型硅晶體襯底上，用光刻、擴(kuò)散、離子注入等工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅絕緣層膜，接著在這個絕緣層膜上裝上一個多晶硅電極，作為柵極G。這就是一個N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管（NMOS），它的柵極和其他電極間是絕緣的，如圖1所示。

同理，PMOS管就是在一塊摻雜濃度較低的N型硅晶體襯底上，用光刻、擴(kuò)散、離子注入等工藝制作兩個高摻雜濃度的P+區(qū)和柵極，從而制成了P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管（PMOS）。

2.場效應(yīng)管的改進(jìn)

1963年，仙童半導(dǎo)體的工程師弗蘭克·萬拉斯提出生產(chǎn)互補(bǔ)型MOS管（Complementary MOS，縮寫為CMOS）想法，即在一塊半導(dǎo)體基片上同時生產(chǎn)兩種不同類型NMOS管和PMOS管，其結(jié)構(gòu)見圖2。CMOS既可以做成互補(bǔ)放大器，也可以利用結(jié)構(gòu)中的一類MOS管充當(dāng)另一類MOS管的電阻，從而達(dá)到節(jié)省材料和芯片面積、提高集成電路密度的目的。不僅如此，CMOS所需的工作電流還很小，它的靜態(tài)電流要比等效的晶體三極管和PMOS邏輯門低6個數(shù)量級，這樣就能夠大幅度降低能耗。

互補(bǔ)型場效應(yīng)管問世后，人們在此基礎(chǔ)上開發(fā)出靜態(tài)可讀寫儲存器（SRAM）、一次性可讀儲存器（OTP）、動態(tài)儲存器（DRAM）、電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）、閃存（FLASH）等不同的低能耗電子器件。同時，人們也研制出各種各樣的高壓場效應(yīng)管。20世紀(jì)90年代，三維場效應(yīng)管被發(fā)明出來，它大大降低了芯片的能耗。今天，大多數(shù)手機(jī)和筆記本電腦中的芯片都是由三維場效應(yīng)管組成的。

場效應(yīng)管可以說是在電子設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的電子器件。在邏輯電路中，無論是CPU還是存儲器，場效應(yīng)管在其中都起著重要作用，可以說99%的邏輯電路使用的都是場效應(yīng)管;在模擬電路中，如線性放大器、震蕩器、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換器及功率放大器中，都能見到場效應(yīng)管的身影。

芯片的制造

時至今日，芯片行業(yè)早已發(fā)展成一個龐大的產(chǎn)業(yè)鏈群，它的生產(chǎn)流程非常復(fù)雜。簡單地說，芯片從設(shè)計到產(chǎn)品成形這個過程涉及電路設(shè)計、制造、封裝和測試等多個環(huán)節(jié)，其中電路設(shè)計和制造是最重要的兩個環(huán)節(jié)，制造工藝更是代表一個公司的技術(shù)水平，乃至體現(xiàn)一個國家的綜合實力。

1.電路設(shè)計

電路設(shè)計就是運用一種計算機(jī)程序語言（如HDL語言）把電路、電子器件以及它們之間復(fù)雜的邏輯關(guān)系以程序代碼的形式表述出來，然后通過EDA軟件工具將工程師編寫的程序代碼轉(zhuǎn)換成邏輯電路圖的過程?，F(xiàn)實中電路設(shè)計非常復(fù)雜，而且不同行業(yè)的芯片有不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，所以電路設(shè)計都需要遵從行業(yè)的規(guī)范，保證芯片設(shè)計出來能跟市面上的產(chǎn)品相容，能與其他設(shè)備連線。

2.芯片制造

芯片種類繁多，制作工藝也多樣，其中CMOS工藝是制造大規(guī)模集成電路芯片最基礎(chǔ)、最重要的工藝。筆者以CMOS工藝為例，簡單講述一下芯片的制造過程。

（1）單晶硅生產(chǎn)

眾所周知，自然界中硅元素極少以單質(zhì)形式出現(xiàn)，多是以復(fù)雜的硅酸鹽或二氧化硅的形式存在。單質(zhì)硅包括晶態(tài)和無定形兩種同素異形體，晶體硅為灰黑色，無定形硅為黑色。其中，晶體硅根據(jù)晶面取向不同又分為單晶硅和多晶硅。由于多晶硅在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面不如單晶硅，所以多晶硅常被用于拉制單晶硅的原料，它也是太陽能電池片以及光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。單晶硅的純度要高于多晶硅，一般的半導(dǎo)體器件要求硅的純度達(dá)到“六個9”以上。大規(guī)模集成電路的要求更高，硅的純度必須達(dá)到“九個9”，因而單晶硅是現(xiàn)代電子制造行業(yè)必不可少的基礎(chǔ)材料。

從硅化合物到制成單晶硅大致需要三步：硅化合物→硅→多晶硅→單晶硅。我們首先需要在電弧爐中，利用石英砂與焦炭或木炭在1820℃～1900℃的條件下發(fā)生反應(yīng)生成硅（反應(yīng)式為：SiO2+C→Si+CO），但此時生成的硅的雜質(zhì)含量高，我們還需進(jìn)一步提純。提純的方法有傳統(tǒng)的三氯氫硅還原法，也稱西門子法，還有近年來國內(nèi)研究較多的硅烷熱分解法。硅烷熱分解法的實質(zhì)是先用硅粉或硅的化合物制成硅烷，然后用精餾等方法進(jìn)行提純，再將純硅烷經(jīng)熱分解得到高純度多晶硅。最后一步是在直拉單晶爐中將多晶硅熔化成液態(tài)后，利用直拉法將液體硅凝固成單晶硅棒。

（2）晶圓制備

單晶硅棒需要經(jīng)過切片、研磨、拋光等一系列加工工序才能形成符合半導(dǎo)體芯片制造要求的半導(dǎo)體襯底，即晶圓。為防止晶圓受到污染，這一過程需要在超凈車間或超凈工作臺，采用超純、高純化學(xué)試劑或高純水，對硅片、金屬材料、生產(chǎn)用具等進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)清洗。

晶圓尺寸越大，每片晶圓生產(chǎn)出的芯片數(shù)就越多。但一方面尺寸增加產(chǎn)生的邊際成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于芯片數(shù)量增加帶來的邊際收益;另一方面芯片離晶圓中心越遠(yuǎn)就越容易出現(xiàn)壞點，所以增大晶圓尺寸就會受到技術(shù)水平限制，如果想增大晶圓尺寸，就必須提高單晶棒生產(chǎn)及芯片制造工藝的質(zhì)量控制程度。

（3）薄膜積淀

人們在制造半導(dǎo)體器件過程中會使用多種類型的薄膜以達(dá)到特定作用，如介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜、導(dǎo)體膜及超導(dǎo)體膜等。介質(zhì)膜的材料有：SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃和Si3N4;半導(dǎo)體膜的材料有：Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs和V2O3;導(dǎo)體膜的材料有：Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2和摻雜多晶硅;超導(dǎo)體膜的材料有：Nb3Sn、NbN和Nb4N5。

我們以二氧化硅為例，簡要介紹它的作用和制備方法。二氧化硅具有極穩(wěn)定的化學(xué)性和絕緣性，它不僅可以保護(hù)器件，還可以作為掩蔽層（雜質(zhì)在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù)非常小）實現(xiàn)選擇性擴(kuò)散雜質(zhì)、配合完成光刻和摻雜工序。人們常用熱氧化法制備二氧化硅，即在1000℃以上的高溫下，硅經(jīng)氧化生成二氧化硅。因為二氧化硅膜的質(zhì)量直接關(guān)系到半導(dǎo)體芯片的性能，所以生成二氧化硅后還需要進(jìn)行檢測，要求薄膜表面無斑點、裂紋、白霧和針孔等缺陷，厚度符合標(biāo)準(zhǔn)，薄厚均勻，可動離子含量低等。

（4）光刻

晶圓表面生成介質(zhì)薄膜后，下一步需要進(jìn)行光刻。光刻（Photo Etching）就是通過勻膠、曝光、顯影等一系列步驟，在晶圓表面留下圖形結(jié)構(gòu)。這一過程就如同我們在一塊平滑的石頭表面刻字，去除多余部分，留下字形部分。通常光刻工藝要經(jīng)過涂光刻膠、前烘、曝光、顯影、堅膜等工序。

①光刻膠。

將光刻膠液體涂覆在晶圓表面，然后曝光后將其烘烤成固態(tài)。它的作用是將光刻板上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面的氧化層中，同時在后繼工序中保護(hù)下面的材料。光刻膠的技術(shù)要求：高分辨率，具有區(qū)別半導(dǎo)體晶片表面相鄰圖形特征的能力;強(qiáng)對比度，從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度要高;高敏感度，曝光需要用深紫外光（DUV）甚至極深紫外光（EUV），光波最小能量值（或最小曝光量）用毫焦/平方厘米衡量，它也是衡量光刻機(jī)性能最為重要的指標(biāo)。除此以外，還有黏度、抗腐蝕性等方面的要求。

按曝光后發(fā)生的變化情況和在顯影液中的溶解度不同，光刻膠可分為負(fù)光刻膠和正光刻膠兩類，如下頁圖3所示。負(fù)光刻膠（負(fù)膠）受光照部分發(fā)生反應(yīng)而成為不溶物，非曝光部分被顯影液溶解，獲得的圖形與光刻板圖形互補(bǔ)，它適用于低集成度器件的生產(chǎn)。正光刻膠（正膠）受光照部分發(fā)生反應(yīng)而能被顯影液所溶解，留下的非曝光部分的圖形與光刻板一致。它具有分辨率高、對比度高、對駐波效應(yīng)不敏感、曝光容限大等優(yōu)點，適用于高集成度器件的生產(chǎn)。

②光刻板。

光刻板又叫光刻掩膜板或光罩，是光刻過程中原始圖形的載體。通過曝光和顯影過程，光刻板上的圖形被復(fù)制到晶圓上。制作光刻板基板采用符合特定要求的玻璃，如鈉鈣玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃。光刻板上的掩膜材料是乳膠、鉻或者氧化鐵。

③曝光方式。

在潔凈的光刻室內(nèi)光源發(fā)出的光，光線透過光刻板射到涂布完光刻膠的晶圓片上，從而完成圖形復(fù)制。光刻機(jī)的類型不同，曝光方式也不同。常用的曝光方式有接觸式曝光、接近式曝光和投影式曝光，如圖4所示。

接觸式曝光，光刻膠和光刻板之間緊密接觸，可以得到比較高的分辨率，但容易損傷光刻板和光刻膠，影響成品率和光刻板的壽命，它適用于0.4～5微米線寬的生產(chǎn)，曾是20世紀(jì)70年代最主要的光刻設(shè)備，現(xiàn)在只在分辨率要求相對低一些的LED芯片制造中還被使用。接近式曝光與接觸式曝光相似，只是在曝光時晶圓片和光刻板之間保留2.5～25微米間隙，它可以降低對光刻板的損傷，但受間隙間空氣的影響會導(dǎo)致光線發(fā)散，從而降低了系統(tǒng)分辨率，因而它只能應(yīng)用在2～4微米的集成電路生產(chǎn)線中。投影式曝光是利用透鏡將光刻板上的圖形縮小投影到晶圓上進(jìn)行曝光，這種投影方式使得光刻板的圖形可以大于晶圓上的圖形，便于人們在光刻板上設(shè)計微型圖形。

在現(xiàn)代集成電路工藝中，使用范圍最廣的投影光刻系統(tǒng)是分步式投影光刻機(jī)，也稱步進(jìn)式投影光刻機(jī)，它的每一步只投影一個曝光場，曝光完成后步進(jìn)到另一個位置進(jìn)行曝光，依次完成整個晶圓片的曝光。

④光刻工序。

完整的光刻工藝步驟：表面清洗→脫水烘焙→成底膜→涂光刻膠→前烘（干燥光刻膠，增強(qiáng)膠的黏附性）→對準(zhǔn)（將光刻板與晶圓片上的圖形對準(zhǔn)）→曝光→顯影（顯影液溶解多余光刻膠，留下圖形）→檢查→堅膜（也稱后烘或硬烘焙，將顯影后軟化的膠膜再次干燥，增強(qiáng)膠的黏附性）→刻蝕→去膠。

（5）摻雜

摻雜就是將一定數(shù)量的雜質(zhì)摻入晶圓中的特定區(qū)域內(nèi)，通過改變半導(dǎo)體的電學(xué)性能，生成相應(yīng)的P、N型半導(dǎo)體。當(dāng)前摻雜工藝主要有兩種：擴(kuò)散和離子注入。

擴(kuò)散是在一定溫度下，濃度高的物質(zhì)摻入濃度低的物質(zhì)內(nèi)。雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體材料中典型的擴(kuò)散形式有兩種：間隙式擴(kuò)散和替位式擴(kuò)散。間隙式擴(kuò)散是指雜質(zhì)原子從一個原子間隙運動到相鄰的另一個原子間隙的過程，如Au、Ag、Cu、Fe和Ni等半徑較小的重金屬雜質(zhì)原子以此種方式擴(kuò)散。替位式擴(kuò)散是當(dāng)相鄰格點處有一個空位時，替位雜質(zhì)原子才能運動到鄰近格點填充空位，P、As、Sb、B、Al和Ga等Ⅲ、Ⅴ族半徑較大的雜質(zhì)原子，一般按替位式進(jìn)行擴(kuò)散。

擴(kuò)散是較早時期就被采用的摻雜工藝，人們通過控制擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時間以及氣體流量能夠較好地控制摻雜質(zhì)量，由于它生產(chǎn)流程簡單、設(shè)備成本低，一直沿用至今，廣泛應(yīng)用于結(jié)深為1微米以上的半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中。

離子注入技術(shù)是使用離子注入機(jī)將雜質(zhì)以離子形式注入晶圓的過程。雜質(zhì)離子注入到晶圓中后，會與硅原子碰撞而發(fā)生能量損失，能量耗盡后雜質(zhì)離子就會停在晶圓中的某個位置上，雜質(zhì)離子通過與硅原子的碰撞將其能量傳遞給硅原子，使硅原子成為新的入射粒子，新的入射粒子又會與其他硅原子碰撞，從而形成連鎖反應(yīng)。離子注入相比擴(kuò)散具有加工溫度低、容易制作淺結(jié)、能夠均勻地大面積注入雜質(zhì)和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，離子注入法已成為超大規(guī)模集成電路制造中不可缺少的摻雜工藝。

（6）布線

經(jīng)過薄膜、光刻、摻雜后，晶圓片的表面就形成一層P、N型半導(dǎo)體，這些組件可以滿足簡單芯片要求。當(dāng)芯片功能復(fù)雜時，需要重復(fù)多組薄膜、光刻、摻雜工藝，從而形成多層級的立體結(jié)構(gòu)。如何將這些組件連接起來組成一個完整的電路系統(tǒng)，提供與外界電路相連接的接點？這需要布線工藝。

布線是首先使用真空蒸發(fā)或濺射等方法在組件上面覆蓋一層金屬薄膜，然后運用光刻、刻蝕工藝把金屬膜的連接線刻畫成金屬膜線，讓金屬膜線連接電子組件，就會形成一層電路。隨著集成電路集成度的增加，晶圓表面無法提供足夠的面積來制作所需的內(nèi)連線時，如微處理器，這就需要更多層的金屬連線才能完成各個組件間的連接，這一結(jié)構(gòu)類似于城市內(nèi)的多層級立交橋。為防止一層金屬線與另一層金屬線直接接觸而發(fā)生短路現(xiàn)象，金屬層之間必須用介電層來絕緣。介電層的制作涉及濺射、化學(xué)氣相沉積、光刻、刻蝕等諸多工藝技術(shù)。因為金屬層表面高低不平，沉積在上面的介電層也會不平坦，這樣會影響接下來的第二層金屬層的光刻效果，所以需要進(jìn)行平坦化處理，平坦化是隨著集成電路的多層布線的出現(xiàn)而出現(xiàn)的工藝技術(shù)。

3.封裝

電路布線完成后，需要對搭建完成的電路進(jìn)行測試。測試通過后，芯片進(jìn)入封裝程序。封裝是用絕緣材料將通過測試的電路包裹起來，并把芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳連接起來的過程。封裝既能保護(hù)芯片免受機(jī)械、熱、潮濕及其他外界干擾，防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降，又便于器件安裝和運輸。封裝工藝全程對灰塵含量、溫度、濕度、靜電等方面都有著嚴(yán)格要求。

常用的封裝材料有陶瓷、金屬、塑料等。不同材料封裝出的器件的特性會有差異，具體要根據(jù)實際需要來選擇封裝材料。金屬封裝是半導(dǎo)體器件封裝最原始的形式，它氣密性好，不受外界環(huán)境因素的影響，但價格昂貴，外形靈活性差，目前只在有特殊性能要求的軍事或航空、航天技術(shù)產(chǎn)品上使用。陶瓷封裝雖然成本較高，但它有良好的可靠性、可塑性，且密封性好，而且陶瓷具有較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，其線性膨脹系數(shù)與電子元器件非常相近，化學(xué)性能穩(wěn)定且熱導(dǎo)率高，因而它被用于多芯片組件（MCM）、球柵陣列（BGA）等封裝作業(yè)中，在航空航天、軍事及許多大型計算機(jī)方面應(yīng)用廣泛。塑料封裝的優(yōu)點是成本低廉、工藝簡單、適合批量生產(chǎn)，因而能占據(jù)集成電路市場份額的90%以上，它的缺點是不能實現(xiàn)氣密性封裝、容易受潮等。

4.測試

封裝后的芯片在出廠前還需進(jìn)行最后一步——測試。測試就是將封裝后的芯片置于各種環(huán)境下測試其電氣特性，如消耗功率、運行速度、耐壓度等。經(jīng)過測試后的芯片，依電氣特性劃分為不同等級，測試合格的產(chǎn)品貼上規(guī)格、型號及出廠日期等標(biāo)識的標(biāo)簽包裝后就可以出廠，測試不合格的芯片則視其達(dá)到的參數(shù)情況定做降級品或廢品。

芯片的制造工藝是芯片產(chǎn)業(yè)中最重要的一個環(huán)節(jié)，它的發(fā)展需要投入大量的資金、人才，以及與之相配套的龐大的上下游產(chǎn)業(yè)鏈條和產(chǎn)業(yè)集群，因而它也最能反映一個國家的科技和經(jīng)濟(jì)的綜合實力水平。時至今日，芯片的生產(chǎn)制程（即溝道長度）早已從十幾微米縮小到五納米，也就是幾個SiO2分子的長度。一個指甲蓋大小的芯片上面布滿了數(shù)公里長度的導(dǎo)線和幾千萬甚至上億個電子器件。我們在驚訝于人類創(chuàng)造的科技奇跡的同時，不禁好奇未來芯片的制造技術(shù)會走向哪里？下期我們會討論當(dāng)今世界芯片技術(shù)的發(fā)展格局和未來發(fā)展方向，下期見。