我們通常所說的“芯片”是指集成電路，它是微電子技術的主要產品，它處理的電子信號極其微小，是現代信息技術的基礎。我們通常所接觸的電子產品,包括通訊、電腦、智能化系統、自動控制、空間技術、電臺、電視等等都是在微電子技術的基礎上發展起來的。而芯片又是由許多晶體管、電阻、電容等電子元件，再用導線將其連接所制成，一個芯片上會集成好多億個晶體管，除了二極管還有三極管和MOS管，其中MOS管應用最廣泛。

圖1  集成電路示意圖

       新型金屬氧化物半導體晶體管，簡稱MOS管，穩定的特性和超低的功耗在IC領域被廣泛使用，除了模擬電路中還有用到三極管外，現在集成電路都是用MOS管，它可以代替三級管更加靈活的連接更多的電路，功耗還要低。

1.1 二極管原理

       晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體燒結形成的p-n結界面。在PN結中，N區的電子偏愛傾向與P區的空穴中，所以P區帶負電，反之P區的電子偏愛傾向與N區的空穴中，所以N區帶正電，從而內部建立電場。純硅是沒有電子的，所以就需要摻雜N型雜質跟P型雜質。當電源正極極連接到二極管的P側，那么正極將N區中的電子吸引到P區空穴中，在穿透中間勢力后，電流急劇增加，并且在外部電路中流動，這一過程就叫二極管中的正向偏置；反之為反向偏置，在反向偏置時，電壓太高二極管就會擊穿，這就是二極管的單向電流特性。

圖2  PN結

1.2 MOS管 

       在一塊摻雜濃度較低的P型半導體硅襯底上，用半導體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區，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型半導體表面復蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層膜，再在這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極，作為柵極G。這就構成了一個N溝道(NPN型)增強型MOS管。同樣還有PNP型MOS管。

圖3  MOS管結構

       增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓VGS=0時，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個PN結處于反偏狀態，漏-源極間沒有導電溝道(沒有電流流過)，所以這時漏極電流ID=0。此時若在柵-源極間加上正向電壓，即VGS>0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個電容，VGS等效是對這個電容充電，并形成一個電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個從漏極到源極的N型導電溝道，當VGS大于管子的開啟電壓VT(一般約為 2V)時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示?？刂茤艠O電壓VGS的大小改變了電場的強弱，就可以達到控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個重要特點，所以也稱之為場效應管。

2.  芯片制造

2.1 晶圓制造

       沙子/石英經過脫氧提純以后得到含硅量25％的二氧化硅，二氧化硅經電弧爐提煉，鹽酸氯化，并蒸餾后，得到純度達99.9999999%（9-11個9）以上的電子級晶體硅。晶體硅的純度要求非常高，這也是造出晶圓昂貴的原因。晶體硅經過高溫成型，采用旋轉拉伸的方法做成圓形的晶棒；將晶棒橫向切成厚度基本一致的晶圓片，最后對晶圓進行打磨拋光。這就形成了電路工廠的基本原料 — 硅晶圓片。

圖4  已制造完成的硅晶圓片

2.2 電路設計

       電路設計是產生芯片的第一步。電路設計由布局、尺寸、功能電路圖開始，先確定邏輯功能圖，再將邏輯功能圖轉化為示意圖，并標示各種電路元件的數量和連接關系，之后設計電路版面。電路的工作運行與很多因素相關，包括材料電阻率，材料物理特性和元件的物理尺寸、相對定位關系等。線路圖設計采用復雜尖端的計算機輔助設計系統（CAD），將每一個電路元件轉化為具體的圖形和尺寸，通過CAD系統構造成電路。

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圖5  電路設計圖

2.3 芯片生產

2.3.1 硅外延

       隨著集成電路的應用場景不斷增加，由硅片廠制造的標準硅片在電學特性上已經不能滿足某些產品的要求；同時，通過熱退火減少的晶格缺陷也不能滿足越來越小的線寬需求。這就衍生出了外延層硅片，通常的外延層就是硅薄膜。是在原始硅片的基礎上，利用薄膜沉積技術，生長一層硅薄膜，生長完成后的硅片表面的晶格缺陷可以被降到很低。

圖6  Si外延示意

       硅外延常規有氫氣還原法和直接熱分解法。采用氫氣還原法硅源主要是有SiHCl₃,SICl₄,生長溫度高，但生長速度快；采用熱分解法硅源主要是SiH₂Cl₂,SiH₄，反應溫度低，但SiH₄會因漏氣產生外延缺陷。

表1  CVD應用

2.3.2 摻雜

摻雜是將特定量的雜質通過薄膜開口引入晶圓表層的工藝，主要有： 

（1）熱擴散

       熱擴散是在1000℃左右的高溫下，發生的化學反應。氣態下的摻雜原子通過擴散化學反應遷移到暴露的晶圓表面，形成一層薄膜。

（2）離子注入

       離子注入是一個物理反應過程。晶圓被放在離子注入機的一端，摻雜離子源（通常為氣態）在另一端。在離子源一端，摻雜體原子被離子化（帶有一定的電荷），被電場加到超高速，穿過晶圓表層注入到內部。

       在外延片上涂光刻膠，對需要摻雜部位進行曝光，并去除光刻膠使得要摻雜部位暴露，N型摻雜主要采用PH3/P/AsH3，P型摻雜主要采用B2H6/BF3,摻雜完成后去掉光刻膠就形成了PN阱。

阱摻雜位置較深，用以調節阱的濃度防止Latch-up效應。

圖7  摻雜示意

2.3.3 溝槽填充

       在PN阱上沉積一層SiN保護層,Si源主要有SiH₂Cl₂/SiH₄，N源主要為NH3。沉積后進行光刻，刻蝕SiN和Si,之后沉積SiO2,Si源主要采用SiH4/TEOS，O源主要是O2/N2O，沉積之后采用化學機械拋光及濕刻除去多余的USG及SiN,完成溝槽的填充。

圖8  溝槽填充示意

表2 刻蝕氣體應用

2.3.4 N/P型溝道

       溝通離子注入的位置較淺，主要是為了加大離子摻雜濃度，使器件工作時該位置的耗盡層更窄，防止器件耗盡區相接而發生的穿通現象。

       在P阱上摻雜P建立N型溝道，摻雜源主要為PH3/P；在N阱上摻雜B建立P型溝道，摻雜源主要為B2H6/BF3。

圖9  N/P型溝道摻雜示意

2.3.5 柵級

       柵極相當于閘門，主要負責控制兩端源極和漏級的通斷，而柵極的最小寬度(柵長)，就是 XX nm工藝中的數值。對于芯片制造商而言，主要就要不斷升級技術，力求柵極寬度越窄越好。

       先在建立N/P型溝道基礎上，通O2/HCl進行氧化，表面形成絕緣層SiO2,之后沉積多晶硅，并刻蝕形成柵極。

圖10  柵極制作示意

2.3.6 輕摻雜漏區

       在溝道中靠近漏極的附近設置一個低摻雜的漏區，讓該低摻雜的漏區也承受部分電壓，這種結構可防止熱電子退化效應，并調整器件的開啟電壓。

       在N型溝道上方再摻雜N型As,摻雜源為AsH3; 在P型溝道上方再摻雜P型B,摻雜源為B2H6/BF3。

圖11  輕摻雜漏區示意

2.3.7 側墻

       為了防止大劑量的源漏注入過于接近溝道從而導致溝道過短甚至源漏連通，在LDD注入之后要在多晶硅柵的兩側形成側墻。

       側墻的形成主要有兩步，先在薄膜區利用化學氣相淀積設備淀積一層二氧化硅，氣源主要有TEOS； 然后利用干法刻蝕工藝刻掉這層二氧化硅。由于所用的各向異性，刻蝕工具使用離子濺射掉了絕大部分的二氧化硅，當多晶硅露出來之后即可停止反刻，但這時并不是所有的二氧化硅都除去了，多晶硅的側墻上保留了一部分二氧化硅。

圖12 側墻形成示意

2.3.8 源/漏注入

       先要進行的是n+源/漏注入，光刻出n型晶體管區域后，進行中等劑量的注入(注入源為PH3/P)，其深度大于LDD的結深，且二氧化硅構成的側墻阻止了砷雜質進入狹窄的溝道區。接下來進行P+源/漏注入(注入源為B2H6/BF3)。注入后的硅片在快速退火裝置中退火，在高溫狀態下，對于阻止結構的擴展以及控制源/漏區雜質的擴散都非常重要。

圖13  源/漏注入示意

2.3.9 接觸孔

       接觸孔形成工藝的目的是在所有硅的有源區形成金屬接觸，利用物理氣相沉積(PVD)或MOCVD在硅片表面沉積一層金屬。之后對硅片進行高溫退火，金屬和硅在高溫下形成金屬硅化物,最后用化學方法刻蝕掉沒有發生反應的金屬（如Cl2），將金屬的硅化物留在了硅表面。鈦是做金屬接觸的理想材料，它的電阻很低，可以與硅發生反應形成TiSi2 (鈦化硅)，而鈦和二氧化硅不發生反應。

圖14  接觸孔形成示意

2.3.10 局部互連1

接觸孔形成后便是在晶體管以及其它鈦硅化物接觸之間布金屬連接線。

（1）先淀積一層氮化硅作為阻擋層，將硅有源區保護起來，使之與隨后的摻雜淀積層隔絕。

（2）沉積二氧化硅，并摻雜磷或硼輕。

（3）利用化學機械拋光工藝平坦化局部互連的氧化層，然后在氧化層中制作出窄溝槽，這些溝槽定義了局部互連金屬的路徑形式。

（4）PVD工藝沉積金屬鈦，充當了鎢與二氧化硅間的粘合劑；再沉積一層氮化鈦，充當金屬鎢的擴散阻擋層。

（5）采用鎢填滿局部互連的溝槽并覆蓋硅片表面，鎢能夠無空洞地填充孔，形成鎢塞，同時鎢具有良好的磨拋特性。

圖15  接觸孔形成示意

2.3.10 金屬互連1

（1）鎢被拋磨后，沉積一層鈦（PVD），提供鎢塞和下一層Metal之間的良好鍵合，同時它與ILD材料的結合也非常緊密，提高了金屬疊加結構的穩定性。

（2）將鋁銅合金濺射在有鈦覆蓋的硅片上（PVD），鋁中加入1%的銅提高了鋁的穩定性。

（3）在鋁銅合金層上淀積氮化鈦（PVD）充當下一次光刻中的抗反射層.

（4）刻蝕，刻蝕氣主要為BCl3/Cl2/SF6/O2。

圖16  金屬互連1

2.3.10 金屬互連2

（1）沉積SiO2,氣源主要是TEOS/O2。

（2）對SiO2進行溝槽刻蝕。

（3）進行局部互聯，沉積金屬鈦及氮化鈦，再做鎢塞，之后在沉積鈦，鋁銅合金及氮化鈦，最后進行刻蝕。

按要求不斷進行金屬互連，最終完成所有金屬互連。

圖17  金屬互連2

最終成品芯片示意圖如下

圖18  芯片結構示意

2.4 晶圓測試

       在晶圓制造完成之后，非常重要的步驟是測試。在測試過程中，每一個芯片的電性能力和電路功能都被檢測到。在測試時，晶圓被固定在真空吸力的卡盤上，并與很薄的探針電測器對準，同時探針與芯片的每一個焊接墊相接觸。

測試是可以實現以下三個目標：

（1）在晶圓送到封測工廠之前，鑒別出合格的芯片。

（2）對器件/電路的電性參數進行特性評估。工程師們需要監測參數的分布狀態來保持工藝的質量水平。

（3）芯片合格品與不良品的核算，會給晶圓生產人員提供全面的業績反饋。

2.5 晶圓測試集成電路的封測

       在封裝過程中，晶圓被分成許多小芯片，合格的芯片被封裝在一個保護殼內。也有一些種類的芯片無需封裝而直接合成到電子系統中。芯片測試是將封裝后的芯片置于各種環境下測試其電氣特性，并依其電氣特性劃分為不同等級。

       經封測后的合格產品貼上規格、型號及出廠日期等標識的標簽，包裝后即可出廠；而未通過測試的芯片則視其達到的參數情況定作降級品或廢品。

       未來高端制造+封測融合趨勢初顯，國內廠商與臺廠技術差距逐漸縮小。國內廠商已基本掌握SiP、WLCSP、FOWLP等先進技術，應用方面FC、SiP等封裝技術已實現量產。

圖19  封裝芯片示意圖