计算机芯片及微细加工技术

1、一、芯片介绍 芯片（chip），或称微芯片（microchip）、微电路（microcircuit）、集成电路（integrated circuit, IC）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上，这样制成的金属片或者非金属片称为芯片。GPUCPUCMOS芯片声卡芯片二、芯片的工艺流程 芯片生产是在晶圆表面上和表面内制造出半导体器件的一系列生产过程。整个制造过程从硅单晶抛光片开始，到晶圆上包含了数以百计的集成电路芯片，最后封装检验出厂为止。 精密芯片的具体的制造过程极其复杂。在光刻蚀那一步，需要设计的刻蚀步骤超过20步，而每一步

2、所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量，每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话，其精细结构可以和整个纽约市外加郊区范围的地图相比，甚至还要复杂，试想一下，把整个纽约地图缩小到实际面积大小只有100个平方毫米的芯片上，那么这个芯片的结构有多么复杂，可想而知。 生产流程图1、芯片制造的准备阶段 首先，硅原料要进行化学提纯，这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要，还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。 而后，将原料进行高温溶化。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出，此时一个圆柱体的硅锭就产生

3、了。从目前所使用的工艺来看，硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel和其它一些公司已经开始使用450毫米直径的硅锭了。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的，仅仅是为了增加单晶硅的横截面积，intel就为研制和生产300毫米硅锭而建立工厂耗费了大约35亿美元。 然后就是从硅锭上切下来一片片的小圆片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多，但是加工工艺要求就越高。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑，之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要，它直接决定了成品芯片的质量。极其光滑的单晶硅单晶硅的平整度抛光后的单晶硅硅圆片微细加

4、工 从广义的角度来讲，微细加工是指所有制造微小尺寸零件的加工技术。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术。 芯片的微细加工工艺主要是下面的这几个步骤。2、芯片的制造过程 切好的芯片在制造前还要进行预处理，新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料，而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子进入硅原子之间的空隙，彼此之间发生原子力的作用，从而使得硅原料具有半导体的特性。 今天的半导体制造多选择CMOS工艺(互补型金属氧化物半导体)。该工艺是在硅片上把制作出的n-MOS 和p-MOS 连接成互补结构，两种极性的MOSFET相当于 一关一开，几乎没有静态电

5、流，即相当于0与1，跟二极管的原理相同，这样就很适于作为计算机的逻辑电路。P型N型 CMOS工艺将n-MOS 和p-MOS连接起来之后，就形成了类似于发光二极管的结构。P型MOS有多余的空穴，而N型有多余的电子，构成PN结，如下图 PN结的形成及特征本来的电子流向（红）加了外加正向电压后电子流向（红）及电流方向（蓝）加了反向电压后，两边均稳定，P区空穴填满，N区多余电子流入电源，达到平衡而不再导电。 在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度，空气成分和加温时间，该二氧化硅层的厚度是可以

6、控制的。在intel的90纳米制造工艺中，门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分，晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制，电子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小。准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在光刻蚀过程结束之后，能够通过化学方法将其溶解并除去。 插在石英舟上的硅片3、光刻蚀 这是目前的芯片制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤，为什么这么说呢？光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕，由此改变该处材料的化学特性。

7、这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。 当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质，而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。光刻蚀的基本流程（1）前处理 采取打磨、抛光、脱脂、酸洗、水洗等方法，对硅材料表面进行光整和净化处理，以保证光刻胶与基底表面有良好的附着力。（2）涂胶 光致抗蚀剂，在基础聚合物的基础上添加抗刻蚀物质、光敏物质与保护物质。当曝光发生时，抗蚀剂发生光化学反应

8、，聚合物分解，光敏物质脱离聚合物。同时，与其连接的保护物质也离开了基础聚合物，当显影发生时，由于整个聚合物失去了保护物质的保护，显影液与其发生反应使之溶解。而未受到曝光的部分由于保护物质的存在与显影液之间基本不发生反应，从而保留在衬底表面，聚合物中存在的抗刻蚀物质将在后道刻蚀工艺中对衬底起到保护作用。（3）曝光接触式接触式：掩膜板直接和涂有光致抗蚀剂的半导体基片接触，通过抽 真空方法调节压力。高分辨率、设备简单、操作方便、生产效率高、成本低；因机械接触容易损伤模板，使用寿命短，多次使用严重影响芯片成品率。衍射效应使进一步提高光刻分辨率和对准精度有困难。接近式接近式：光掩膜和基片之间保持相距很近

9、的距离，利用高度平行光束进行曝光。避免玷污和损伤；衍射效应会使分辨率变坏。为了提高光刻分辨率，在基片平整度和机械控制精度允许条件下，应尽量保持小的间隙或减小曝光所用的波长。投影式投影式：用光学投影的方法将掩膜版图形的影像（以等倍方式或缩小的方式）投影在半导体基片表面上，这时掩膜版作为光学成像系统的物方，基片表面上的光致抗蚀剂层为像方。由于投影成像曝光是把掩模图形的像直接投影在光致抗蚀剂层上，从而有效地克服了光衍射效应的影响，提高了光刻分辨率与对准精度。得到接触式光刻的高分辨率，而又避免接触式光刻容易产生缺陷的弊端。光学三种曝光方法（4）显影与坚膜 正胶的曝光部分在显影液中溶解，被去除；负胶的未

10、曝光部分在显影液中溶解，被去除。然后用定影液固定图形。 由于显影时胶层浸泡在显影液中会发生溶胀，软化，需要烘干，使胶层坚固，增强抗蚀性。（5）腐蚀与去胶l 1、湿法腐蚀湿法腐蚀：利用材料的化学特性将材料在特定的溶液中溶解掉。高选择比、均匀性和对硅片损伤少；图形保真性不强，横向、过腐蚀严重，属于各向同性腐蚀。l 2、干法腐蚀干法腐蚀：利用气态的原子、分子与表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。能实现各向异性刻蚀，即纵向的刻蚀速率远大于横向刻蚀速率，保证细小图形转移后的保真度。 （一）、化学性干法刻蚀：利用等离子体离化反应气体，使之和被腐蚀的薄膜 反应生成可挥发的物质。

11、 （二）、物理性干法刻蚀：借助于等离子体的加速能量，使之和被腐蚀的薄膜发生碰撞达到铣蚀的目的。 （三）、介于两者间的反应离子刻蚀（RIE）：同时利用了上述方法的优势。当前REI及其改进方式（HDRIE、ICP、ECR、MERIE等）已成为深亚微米集成电路生产中的主流腐蚀工艺。 REI是一个很复杂的过程，由刻蚀的反应气体种类、气压、流量、温度、产生等离子体的射频频率/功率等因素决定。用REI法腐蚀不同的薄膜对应不同的反应气体。总的流程后续步骤 在残留的感光层物质被去除之后，剩下要做的的就是充满沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层。这一步之后，另一个二氧化硅层制作完成。然后，加入另一个带

12、有感光层的多晶硅层。多晶硅是门电路的另一种类型。由于此处使用到了金属原料(因此称作金属氧化物半导体)，多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀。再经过一部刻蚀，所需的全部门电路就已经基本成型了。然后，要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击，此处的目的是生成N沟道或P沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接，每个晶体管都有输入端和输出端，两端之间被称作端口。 重复这一过程， 从这一步起，持续添加层级，加入一个二氧化硅层，然后光刻一次。重复这些步骤，然后就出现了一个多层立体架构，这就是芯片的萌芽状态了。在每层之间采用金属涂膜的技术进行层间的导电连接。