工艺集成作者

半导体制造流程:从器件到互连的全景图

芯片是怎样制造出来的

半导体制造通过反复添加材料、定义图形、去除选定区域和改变材料性质,在晶圆上构建器件及其连接。光刻规定变化应发生的位置,沉积与刻蚀等工序形成实际结构。完整芯片还需要电连接、测试和封装;把这些操作各做一遍,并不能得到完整电路。[T1]

理解流程可以从结构入手:先找到晶体管,再找到连接器件与布线的接触,最后找到连接多个器件的金属网络。本文用这条线索建立全景,不把某一家公司的工艺顺序当成通用配方。

Process map · 流程地图

28nm流程地图流程概览

28nm Planar Flow

在28nm平面流程概览中定位隔离、栅极、接触和金属模块,用其顺序理解参考集成序列。

读懂制造流程图

图解把器件形成、局部连接和布线分开,下方的单元操作则会在多个阶段重复出现。例如,沉积的介质既可能隔离相邻器件,也可能隔开相邻金属线;仅凭材料名称无法判断它的任务。[T1]

流程部分正在构建什么阅读时应问什么
器件形成,通常称为FEOL隔离、阱、栅极和源漏区什么控制电流,什么使器件相互隔离?
器件接触与局部连接,常归入MOL通向晶体管端子的电连接连接的是哪个器件区域?
互连,通常称为BEOL金属线、通孔和绝缘层哪些电路节点应连接,哪些必须隔开?
测试与封装经过测试的裸片及其外部连接裸片能否工作并与外围系统连接?

FEOL、MOL和BEOL是帮助整理流程的标签,不代表所有工艺组织都采用完全相同的分界。本文用MOL表示从器件到布线的过渡。封装也可能被称为后段活动,但这一用法不应与晶圆上的BEOL互连混淆。

器件、接触与互连使用重复单元操作,测试与封装完成整体地图。
器件、接触与互连使用重复单元操作,测试与封装完成整体地图。

独立绘制的教学概念图,依据所引原理,不是课程工艺截面。

为什么图形化会反复出现

晶体管和上方导线需要在不同材料中形成不同形状。典型图形化循环包括涂覆光刻胶、曝光显影、把图形转移到下方材料或将其用作掩膜,以及在任务结束后去胶。下一层需要自己的图形,并与已有结构对准。[T1]

因此,“光刻制造芯片”并不完整。曝光先在光刻胶系统中建立空间信息,后续改变材料的操作才决定晶圆中留下什么。刻蚀选择性、表面状态和对准都会影响结果;胶中的图像还不是最终电学结构。

可以把光刻原理、光刻胶和去胶作为同一循环的三个环节阅读。

为什么沉积工艺不能随意互换

沉积用于添加薄膜,但具体要求取决于任务。覆盖狭窄结构的侧壁、填满其内部,以及形成导电层,是不同的问题。膜层可以很好地沿表面生长,却在内部填满之前封住开口;用于填充的材料也可能需要后处理才具备最终性质。

CVD、PVD和ALD描述了不同的材料供应与成膜机制。工艺名称本身不能证明某张膜已满足器件的电学或几何要求,必须把机制与膜层在流程中的位置一起判断。[T1]

为什么顺序如此重要

每一步都会继承前序操作留下的结构。加热、清洗、注入或刻蚀可能影响已存在的材料;能独立形成优质薄膜的操作,在敏感材料引入后未必仍然适用。工艺集成需要协调前后步骤,使整条序列相容。[T1]

接触结构可以说明物理结构与电路目的的关系。即使栅极能正确控制沟道,电路仍需要低电阻地访问器件端子,并通过不会把相邻节点短接的布线网络实现连接。因此,器件形成和互连解决的是相互关联、又各有分工的问题。[T1]

用实际流程做一次阅读练习

打开28nm平面器件流程概览,定位隔离、栅极、接触和金属层。对每一部分,说清它产生什么结构,以及需要保留哪一种前序结构。概览提供参考制造序列,本文提供整体地图;其他器件架构和图像传感器会增加或调整模块。

当你能解释沉积和光刻为何反复出现、区分接触与金属线,并沿着一条电连接从器件追踪到上层布线,就已经掌握这张地图。理解这些依赖关系,比背诵固定的“芯片制造几大步骤”更有用。

参考来源

[T1] 教科书2000

Silicon VLSI Technology - Full

James D. Plummer, Michael D. Deal, Peter B. Griffin

Silicon VLSI Technology · ISBN 978-0130850379

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常见问题

半导体制造主要有哪些阶段?
可以分为器件形成、接触与局部连接、晶圆互连,以及测试和封装。沉积、图形化与材料去除会在这些阶段重复,不是各做一次就结束。[T1]
光刻就是芯片制造吗?
不是。光刻先在光刻胶系统中定义图形,改变材料的工艺及其集成才形成器件与布线,之后还需要测试和封装。[T1]
FEOL、MOL和BEOL有统一边界吗?
没有完全通用的边界。它们分别帮助整理器件形成、器件到布线的过渡以及互连,但具体分界可能不同;晶圆BEOL布线也应与后段封装区分。
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