芯片制造全流程简述

以下文章来源于且听芯说 ，作者云天明

⌈“兵马未动，粮草先行”，各路IC英雄是否备好了Hamburger&Chips来迎接下一次的远征。其实，在芯片制造过程中，每一个步骤都像是制作汉堡一样层次分明：从最基础的晶圆开始，像是汉堡的底层面包；经过一系列精密加工，就像是添加了各种酱料和蔬菜，最终形成了复杂的电路结构，每一步都至关重要，缺一不可。当芯片成功点亮的那一刻，就像品尝米其林大厨制作的汉堡一样，唇齿留香，回味无穷。⌋

芯片制造流程从广义的角度可分为三重奏，首先是“芯片设计”的灵感迸发，如厨师构思新菜；然后经过“芯片制造”的精心打磨，如同食材在厨师手中历经千锤百炼；最后以“封装测试”的细致呈现，如同佳肴装盘，展现其最终的风味与魅力。

01. 芯片制造全流程

人们常说，芯片制造过程就像是一粒沙子的神奇之旅。那么粗糙的沙子是如何变成每秒能执行数十亿次计算的芯片的呢？好比朴实的食材需要经过煎、炒、烹、炸，再配以与其相融合的配料反复调味，才能释放出其独特的美味一样，沙子则需要经过炼、提、拉、切，得到晶圆，在晶圆表面反复进行离子注入、光刻、刻蚀、沉积等步骤，才能制造出具有特定功能的芯片；色香味俱全的佳肴出锅后还需要精心摆盘才能上桌供顾客食用，而复杂精妙的芯片则需要封装测试后才能交付客户使用。

02. Foundry中的芯片制造

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺是现代超大规模集成电路半导体工艺的基础，为了更好地管理和优化制造工序、提高生产效率、降低成本，同时也能够更好地控制芯片的性能和质量，CMOS工艺又被分成前段工艺(Front-end of Line, FEOL)和后段工艺(Back-end of Line, BEOL)。前段工艺是指对芯片有源部分的制造工序，即位于芯片硅衬底上的晶体管；而后段工艺是指在晶体管上部建立若干层的导电金属线，不同层金属线之间由通孔相连的制造工序。

2.1 芯片制造的前段工艺流程

FEOL是整个芯片制造流程的核心部分，主要涉及晶体管器件的制造，通常包括以下步骤:

(1) 浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)，首先在硅晶圆表面形成STI结构，来隔离各个器件区域；

(2) 离子注入掺杂，在STI结构上有选择性地形成n型和p型区域，即NMOS和PMOS晶体管的阱区域(如图2中n-well和p-well区域)，通过离子注入等方法实施不同浓度分布的掺杂处理；

(3) 源漏栅区域，在阱区域形成之后，需要在上方生长栅氧化层，然后在栅氧化层上沉积多晶硅层形成栅极结构。经过刻蚀处理在栅极两侧形成扩散区，即源/漏区(如图2中S/D区域)；

(4) 后掺杂，在源漏区周围进行LDD(Lightly Doped Drain，轻掺杂)和深度注入掺杂，完成NMOS和PMOS晶体管的制造。

2.2 芯片制造的后段工艺流程

BEOL主要是形成金属互连线，用来实现器件连接，包括以下几个步骤：

(1) 介质层沉积，在FEOL完成的基础上沉积一层或多层绝缘介质层(如图3中SOD区域)，包括低介电常数的硅氮化物或碳掺杂氧化硅等；

(2) 光刻与刻蚀，通过光刻和干式刻蚀在介质层上形成各种大小的沟槽和通孔，用于实现金属互联和接触；

(3) 金属层沉积，采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)等在介质层上沉积金属(Cu或Al)，为了确保金属与介质层的良好粘附，在沉积金属前还需要先沉积一层薄的衬底层，如钛或钽化合物；

(4) 金属互连线的形成，最后再次沉积介质层，并利用光刻和干式刻蚀形成更上层所需的互连线路和接触结构(如图3中Cu1-Cu5区域)；

整个BEOL工艺需要重复多次沉积、刻蚀和图形化，才可以构建出多层金属的互连布局。

03. 芯片制造的四大核心工艺

芯片制造的工艺流程繁多，但其中最核心的工艺主要有离子注入、光刻、刻蚀和薄膜沉积四种：

(1) 离子注入工艺，如图4(a)所示将特定的杂质离子加速注入到晶圆表面，从而改变半导体材料的导电性，这是制造MOSFET等器件的关键步骤；

(2) 光刻工艺，如图4(b)所示通过光照、显影和刻蚀等步骤，将设计好的版图转移到晶圆表面。首先在晶圆上涂覆光敏胶，然后利用光掩膜精准照射，光敏胶在曝光区域发生化学反应并被溶解掉，从而形成所需的图形；

(3) 刻蚀工艺，如图4(c)所示用于选择性地去除晶圆表面的薄膜材料形成所需的图形结构，干式刻蚀(利用离子轰击)和湿式刻蚀(利用化学腐蚀)是两种主要方法，刻蚀工艺的精度和选择性直接影响器件的尺寸和性能；

(4) 薄膜沉积工艺，如图4(d)所示用于在晶圆表面沉积各种薄膜材料，比如：绝缘层、导电层和半导体层等，常用的沉积技术包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等，薄膜材料的选择和沉积过程对器件性能有重要影响。

从粗糙的沙子到复杂的芯片，沙子的这一趟神奇之旅，是否也让你感受到了芯片制造的奇妙之处？小小芯片内部如汉堡一样层次分明结构在勾起你食欲的同时是否也激发了你对芯片制造的求知欲？相信此次的分享，能够抛砖引玉，从而为大家在半导体制造工艺的理解上铺设一块小小的基石。