芯片的奧秘（中）

楊磊

一項新產品從實驗室誕生到落地工業(yè)生產，繼而形成新的產業(yè)鏈條、產業(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、改進生產工藝、降低生產成本、實現(xiàn)產品功能集成化等）。

1958年第一個芯片問世了，但當時芯片的需求和產量都太小，生產成本還很高，只有10%的晶體管廠家能在晶體管生產上獲利。另外，人們對半導體材料特性認知很有限，生產工藝水平還無法達到規(guī)模量產從而降低成本的程度。隨著20世紀60年代美國的兩個軍工計劃——阿波羅登月計劃和“民兵”導彈開發(fā)計劃的實施，軍工產品對芯片小型化和芯片性能提出更高要求，這大大促進了芯片技術的發(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)模化生產導致成本大幅降低，開啟了第三代電子器件的時代序幕。

技術改進：場效應管技術

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;二是場效應管（FET）。二者都具有放大和開關作用，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。

場效應管（Field Effect Transistor，縮寫為FET）是利用電場效應控制半導體中電流的一種半導體器件，它只依靠一種載流子參與導電，故稱單極型晶體管。場效應管按結構可分為結型（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。結型場效應管是利用導電溝道之間耗盡區(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電荷的數(shù)量來控制導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·阿特拉和達旺·康利用熱生長技術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的場效應管，很快場效應管被應用在芯片中，在半導體器件市場中占據重要份額。

1.場效應管的構造

場效應管本質上就是利用PN結原理制作而成，所以MOS管從結構上分為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溝道增強型場效應管（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溝道增強型場效應管（PMOS）。

2.場效應管的改進

1963年，仙童半導體的工程師弗蘭克·萬拉斯提出生產互補型MOS管（Complementary MOS，縮寫為CMOS）想法，即在一塊半導體基片上同時生產兩種不同類型NMOS管和PMOS管，其結構見圖2。CMOS既可以做成互補放大器，也可以利用結構中的一類MOS管充當另一類MOS管的電阻，從而達到節(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。

互補型場效應管問世后，人們在此基礎上開發(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管。20世紀90年代，三維場效應管被發(fā)明出來，它大大降低了芯片的能耗。今天，大多數(shù)手機和筆記本電腦中的芯片都是由三維場效應管組成的。

場效應管可以說是在電子設備中應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管;在模擬電路中，如線性放大器、震蕩器、數(shù)模模數(shù)轉換器及功率放大器中，都能見到場效應管的身影。

芯片的制造

時至今日，芯片行業(yè)早已發(fā)展成一個龐大的產業(yè)鏈群，它的生產流程非常復雜。簡單地說，芯片從設計到產品成形這個過程涉及電路設計、制造、封裝和測試等多個環(huán)節(jié)，其中電路設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水平，乃至體現(xiàn)一個國家的綜合實力。

1.電路設計

電路設計就是運用一種計算機程序語言（如HDL語言）把電路、電子器件以及它們之間復雜的邏輯關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換成邏輯電路圖的過程?，F(xiàn)實中電路設計非常復雜，而且不同行業(yè)的芯片有不同的設計標準，所以電路設計都需要遵從行業(yè)的規(guī)范，保證芯片設計出來能跟市面上的產品相容，能與其他設備連線。

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、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

眾所周知，自然界中硅元素極少以單質形式出現(xiàn)，多是以復雜的硅酸鹽或二氧化硅的形式存在。單質硅包括晶態(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，晶體硅根據晶面取向不同又分為單晶硅和多晶硅。由于多晶硅在力學性質、電學性質等方面不如單晶硅，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)電產業(yè)的基礎材料。單晶硅的純度要高于多晶硅，一般的半導體器件要求硅的純度達到“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)生反應生成硅（反應式為：SiO2+C→Si+CO），但此時生成的硅的雜質含量高，我們還需進一步提純。提純的方法有傳統(tǒng)的三氯氫硅還原法，也稱西門子法，還有近年來國內研究較多的硅烷熱分解法。硅烷熱分解法的實質是先用硅粉或硅的化合物制成硅烷，然后用精餾等方法進行提純，再將純硅烷經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

單晶硅棒需要經過切片、研磨、拋光等一系列加工工序才能形成符合半導體芯片制造要求的半導體襯底，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、高純化學試劑或高純水，對硅片、金屬材料、生產用具等進行嚴格的化學清洗。

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

（3）薄膜積淀

人們在制造半導體器件過程中會使用多種類型的薄膜以達到特定作用，如介質膜、半導體膜、導體膜及超導體膜等。介質膜的材料有：SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃和Si3N4;半導體膜的材料有：Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs和V2O3;導體膜的材料有：Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2和摻雜多晶硅;超導體膜的材料有：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)定的化學性和絕緣性，它不僅可以保護器件，還可以作為掩蔽層（雜質在二氧化硅中的擴散系數(shù)非常?。崿F(xiàn)選擇性擴散雜質、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，硅經氧化生成二氧化硅。因為二氧化硅膜的質量直接關系到半導體芯片的性能，所以生成二氧化硅后還需要進行檢測，要求薄膜表面無斑點、裂紋、白霧和針孔等缺陷，厚度符合標準，薄厚均勻，可動離子含量低等。

（4）光刻

晶圓表面生成介質薄膜后，下一步需要進行光刻。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構。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移到晶圓表面的氧化層中，同時在后繼工序中保護下面的材料。光刻膠的技術要求：高分辨率，具有區(qū)別半導體晶片表面相鄰圖形特征的能力;強對比度，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，它也是衡量光刻機性能最為重要的指標。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，光刻膠可分為負光刻膠和正光刻膠兩類，如下頁圖3所示。負光刻膠（負膠）受光照部分發(fā)生反應而成為不溶物，非曝光部分被顯影液溶解，獲得的圖形與光刻板圖形互補，它適用于低集成度器件的生產。正光刻膠（正膠）受光照部分發(fā)生反應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、對駐波效應不敏感、曝光容限大等優(yōu)點，適用于高集成度器件的生產。

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，從而完成圖形復制。光刻機的類型不同，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，曾是20世紀70年代最主要的光刻設備，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致光線發(fā)散，從而降低了系統(tǒng)分辨率，因而它只能應用在2～4微米的集成電路生產線中。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，也稱步進式投影光刻機，它的每一步只投影一個曝光場，曝光完成后步進到另一個位置進行曝光，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，增強膠的黏附性）→對準（將光刻板與晶圓片上的圖形對準）→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)量的雜質摻入晶圓中的特定區(qū)域內，通過改變半導體的電學性能，生成相應的P、N型半導體。當前摻雜工藝主要有兩種：擴散和離子注入。

擴散是在一定溫度下，濃度高的物質摻入濃度低的物質內。雜質原子在半導體材料中典型的擴散形式有兩種：間隙式擴散和替位式擴散。間隙式擴散是指雜質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原子以此種方式擴散。替位式擴散是當相鄰格點處有一個空位時，替位雜質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族半徑較大的雜質原子，一般按替位式進行擴散。

擴散是較早時期就被采用的摻雜工藝，人們通過控制擴散溫度、擴散時間以及氣體流量能夠較好地控制摻雜質量，由于它生產流程簡單、設備成本低，一直沿用至今，廣泛應用于結深為1微米以上的半導體器件的生產中。

離子注入技術是使用離子注入機將雜質以離子形式注入晶圓的過程。雜質離子注入到晶圓中后，會與硅原子碰撞而發(fā)生能量損失，能量耗盡后雜質離子就會停在晶圓中的某個位置上，雜質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。離子注入相比擴散具有加工溫度低、容易制作淺結、能夠均勻地大面積注入雜質和易于實現(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

經過薄膜、光刻、摻雜后，晶圓片的表面就形成一層P、N型半導體，這些組件可以滿足簡單芯片要求。當芯片功能復雜時，需要重復多組薄膜、光刻、摻雜工藝，從而形成多層級的立體結構。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，這一結構類似于城市內的多層級立交橋。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、化學氣相沉積、光刻、刻蝕等諸多工藝技術。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。

3.封裝

電路布線完成后，需要對搭建完成的電路進行測試。測試通過后，芯片進入封裝程序。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。封裝既能保護芯片免受機械、熱、潮濕及其他外界干擾，防止空氣中的雜質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，具體要根據實際需要來選擇封裝材料。金屬封裝是半導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、航天技術產品上使用。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，化學性能穩(wěn)定且熱導率高，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方面應用廣泛。塑料封裝的優(yōu)點是成本低廉、工藝簡單、適合批量生產，因而能占據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，測試合格的產品貼上規(guī)格、型號及出廠日期等標識的標簽包裝后就可以出廠，測試不合格的芯片則視其達到的參數(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業(yè)鏈條和產業(yè)集群，因而它也最能反映一個國家的科技和經濟的綜合實力水平。時至今日，芯片的生產制程（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會走向哪里？下期我們會討論當今世界芯片技術的發(fā)展格局和未來發(fā)展方向，下期見。