半导体@@制程工艺@@概览@@
在@@第一篇的最后@@，我们说到金属氧@@化@@物半导体@@场效应晶体管@@（MOSFET）的平面式结构让人们可以在@@晶圆上@@同时制造@@出好几个@@MOSFET。且与@@第一代晶体管@@BJT¹不同@@，MOSFET无需焊接过程@@。本期内容就让我们来详细了解一下具体的制程工艺@@@@。
为方便讲解@@，我们先来看一下普通电子@@零件是怎么制成的@@。只要拆解身边的任何一件电子@@产品@@，我们便不难发现@@：其基本结构都是把晶体管@@、干电池@@、蓄电池和@@电感线圈等各种单位电子@@元器件固定@@在@@@@PCB²上@@，制程工艺@@可简单概括为@@“电子@@元器件的制造@@@@ → 电子@@元器件的固定@@@@”。
¹BJT ：双极结型晶体管@@（Bipolar Junction Transistor），即通过一定的工艺将半导体@@内的@@P型半导体@@和@@@@N型半导体@@结合@@在@@一起@@（PN结合@@）制成的晶体管@@。
²PCB ：印刷电路板@@（Printed Circuit Board），大部分电子@@产品采用的一种半导体@@基板@@，将电路布置在@@一个基板上@@@@，在@@其表面上@@焊接各种电子@@零件@@。
图@@1: 基板上@@焊接了各种电子@@元器件@@@@。过去@@，计算机的@@CPU也采用这种制作方法@@。（摘自@@：查看原文@@）
同样@@，在@@晶圆上@@制作@@ MOSFET时也采用这种顺序@@。晶圆加工的第一道工艺就是@@“制造@@”各种电子@@元器件@@。说是@@“制造@@”，其实就是通过在@@晶圆上@@的各种处理@@，绘制所需的电子@@元器件@@。这一过程我们称之为晶圆加工的前端工艺@@@@（FEOL，Front End Of the Line）。随后@@，我们需要@@“固定@@”这些电子@@元器件@@。当然@@，对于这么小的电子@@元器件@@，无法使用直接焊接的方式@@，而是需要采用与@@@@FEOL相似的技术@@@@，通过金属布线@@在@@多达数十亿个电子@@元器件之间形成连接@@@@。这一过程我们称之为晶圆加工的后端工艺@@（BEOL，Back End Of the Line）。FEOL与@@BEOL加起来@@，统称为半导体@@制造@@的@@“前端工艺@@”。
图@@2：实际工艺顺序@@；在@@FEOL阶段制作@@MOSFET，然后再以金属布线@@代替焊接过程@@，连接@@FEOL的各种电子@@元器件@@@@。（摘自@@：查看原文@@）
接下来我们要逐一讲解的氧@@化@@@@、光刻@@、刻蚀@@等都是@@FEOL和@@BEOL中的工艺@@，各工艺的目的不同@@@@，使用特定设备@@的频率和@@次数也各不相同@@，但根本目的都是为了绘制繁多而精细的电路@@。
图@@3: 半导体@@制程工艺@@概览@@及其相关制造@@公司@@
一般来说@@，我们所知道的半导体@@制造@@的八大工艺分别为@@：晶圆制造@@@@、氧@@化@@、光刻@@、刻蚀@@、沉积@@、金属布线@@、测试和@@封装@@。但这八大工艺不能一概而论@@，如上@@图@@所示@@，严格来说@@，其实晶圆制造@@@@并不是在@@半导体@@制造@@工厂内完成的@@。此外@@，金属布线@@、封装和@@测试@@，与@@光刻@@@@、刻蚀@@、沉积@@等只有单一步骤的工艺不同@@@@，是对某个有特定目的的作业流程的统称@@。
玻璃膜覆盖@@：氧@@化@@
从图@@@@2中可以看出@@，半导体@@的制程工艺@@是从下至上@@的@@。这一过程并非像堆积木一样简单地把均匀的物质堆积起来就可以@@。为了把形状各异的物质在@@半导体@@内变成均匀的物质@@，需要经过多道处理工艺@@，如不需要的部分就要削减掉@@，需要的部分还要裹上@@特定物质等@@。在@@这一过程中@@，还会使用各种反应性很强的化学物质@@，如果化学物质接触到不应接触的部分@@，就会影响到半导体@@制造@@的顺利进行@@。而且@@，半导体@@内还有一些物质@@，一旦相互接触就会产生短路@@。氧@@化@@工艺的目的@@，就是通过生成隔离膜防止短路的发生@@。
氧@@化@@工艺就是在@@硅@@晶圆上@@生成一层保护膜@@。硅@@（Si）和@@氧@@气反应就会形成玻璃@@（SiO₂）。在@@我们的日常生活中也能@@体会到玻璃具有较高的化学稳定性@@，常用作各种饮料甚至盐酸@@、硫酸等各种化学药品的容器@@。在@@半导体@@制作过程中@@，通过氧@@化@@工艺形成的氧@@化@@膜也同样@@具有稳定性@@。它可以防止其他物质的穿透@@，因此@@在@@离子注入@@@@3工艺中非常实用@@。
氧@@化@@膜还可以用于阻止电路间电流的流动@@。MOSFET结构的核心就是栅极@@@@（Gate）。MOSFET与@@BJT晶体管不同@@@@，栅极@@不与@@电流沟道@@@@（S与@@D的中间@@部分@@）直接接触@@，只是@@“间接@@”发挥作用@@。这也是@@MOSFET不运作时@@，电力消耗小的原因@@。MOSFET通过氧@@化@@膜隔绝栅极@@与@@电流沟道@@@@，这种氧@@化@@膜被称为栅氧@@化@@层@@（Gate Oxide）。随着最近推出的先进半导体@@产品体积逐渐变小@@，它们也会采用@@ HKMG4等各种栅极@@绝缘层来取代氧@@化@@膜@@。
3离子注入@@（Ion Implant）：在@@半导体@@制造@@过程中@@，为把纯净的晶圆变成半导体@@状态@@，将三族或@@五族元素以一定的方式掺入到半导体@@基片规定的区域内@@。
4HKMG（High-K Metal Gate）: 可有效减少电流泄露的新一代@@MOSFET栅极@@；是一种以金属代替传统的多晶矽@@（Polysilicon） 栅极@@，以高介电@@（High-K）取代氧@@化@@硅@@绝缘膜的晶体管@@。
图@@4: 栅极@@（G）与@@电流沟道@@（S-D中间@@）的隔绝物质@@（红框部分@@）。过去@@使用二氧@@化@@硅@@@@（SiO₂）作为绝缘膜@@。（摘自@@：查看原文@@）
可用作保护膜的并非只有二氧@@化@@硅@@@@（SiO₂）一种物质@@。我们还可通过沉积@@方式覆盖保护膜@@，或@@者使用部分已形成的电路作为保护@@。
氧@@化@@工艺使用的是晶圆的组成物质@@，即通过氧@@化@@晶圆的大量硅@@原子@@形成保护膜@@。需要提前说明的是@@，这一点与@@后面要说到的@@“沉积@@”工艺有所不同@@@@。
氧@@化@@工艺的种类@@
氧@@化@@工艺可分为干法氧@@化@@@@（Dry Oxidation）、湿法氧@@化@@@@（Wet Oxidation）和@@自由基氧@@化@@@@（Radical Oxidation）三大类@@。
氧@@化@@的种类@@（摘自@@：（株@@）图@@书出版@@HANOL出版社@@[半导体@@制造@@技术@@的理解@@143p]）
湿法氧@@化@@@@采用晶圆与@@高温水@@蒸气@@（水@@）反应的方式生成氧@@化@@膜@@，化学方程式如下@@。
Si （固体@@） + 2H₂O （气体@@） → SiO₂ （固体@@） + 2H₂ （气体@@）
这一化学方程式可以简单理解为用高温水@@让晶圆表面生锈@@。湿法氧@@化@@@@，虽然氧@@化@@膜生长速度快@@， 但其氧@@化@@层整体的均匀度和@@密度较低@@。而且@@，反应过程中还会产生氢气等副产物@@。由于@@湿法氧@@化@@@@过程的特性难以控制@@，在@@对半导体@@性能而言至关重要的核心领域中无法使用该方法@@。
干法氧@@化@@则采用高温纯氧@@与@@晶圆直接反应的方式@@。氧@@分子比水@@分子重@@（32 vs 18）5，渗入晶圆内部的速度相对较慢@@。因此@@，相比湿法氧@@化@@@@@@，干法氧@@化@@的氧@@化@@膜生长速度更慢@@。但干法氧@@化@@的优点在@@于不会产生副产物@@（H₂），且氧@@化@@膜的均匀度和@@密度均较高@@。正是考虑到这种优点@@，我们在@@生成对半导体@@性能影响重大的栅极@@氧@@化@@膜时@@，会选用干法氧@@化@@的方式@@。
自由基氧@@化@@与@@前两种不同@@@@：湿法与@@干法氧@@化@@都是通过提高@@自然气体@@的温度来提升其能量@@，从而促使气体@@与@@晶圆表面发生反应@@。自由基氧@@化@@则多一道工艺@@，即在@@高温条件下把氧@@原子和@@氢分子混合在@@一起@@，形成化学反应活性极强的自由基气体@@@@，再使自由基气体@@与@@晶圆进行反应@@。由于@@自由基的化学活性极强@@，自由基氧@@化@@不完全反应的可能性极小@@。因此@@，相比干法氧@@化@@@@，该方法可以形成更好的氧@@化@@膜@@。
5假设氢@@（H）原子的重量为@@1，氧@@（O）原子的重量为@@16，氧@@（O2）分子的重量就是@@32, 水@@（H2O）分子的重量就是@@18，因此@@，氧@@分子比水@@分子更重@@。
自由基氧@@化@@的特点@@ [摘自@@: （株@@）图@@书出版@@HANOL出版社@@《半导体@@制造@@技术@@的理解@@149p》]
此外@@，自由基氧@@化@@还可以生成在@@立体结构上@@厚度均匀的氧@@化@@膜@@。半导体@@公司使用的都是单结晶体晶圆@@，结晶方向相同@@。
上@@图@@中的数字@@100和@@110表示硅@@的结晶方向@@，下方的两幅图@@是硅@@原子@@的解析图@@@@。从图@@@@中可以看出@@@@，采用湿法和@@干法氧@@化@@时@@，晶圆上@@侧@@（100）方向的氧@@化@@膜生长速度相对较慢@@，而侧面@@（110）方向的氧@@化@@速度较快@@。由于@@100方向的硅@@原子@@排列更稠密@@，干法或@@湿法氧@@化@@@@时@@，氧@@化@@气体@@很难穿透结晶与@@硅@@发生反应@@，而自由基氧@@化@@在@@这方面则相对容易@@。
图@@5：密勒指数@@（Miller indices）描述的硅@@原子@@排列@@
此外@@，采用自由基氧@@化@@可以在@@很难形成氧@@化@@膜的圆化顶角上@@形成均匀的氧@@化@@膜@@，在@@反应活性较弱的氮化硅@@@@@@（Si₃N₄）6中也能@@“夺取@@”硅@@原子@@，发生氧@@化@@反应@@。
随着半导体@@微细化难度的增加@@，半导体@@公司纷纷开始在@@半导体@@内引进三维式结构@@。因此@@，能否生成厚度均匀的高品质保护膜变得越来越关键@@，氧@@化@@工艺也更加重要@@。
6氮化硅@@@@（Si₃N₄）：氮化硅@@@@是保护膜的一种@@，在@@半导体@@电子@@元器件的制造@@@@过程中以沉积@@方式覆盖在@@电子@@表面@@。
氧@@化@@设备@@的简化结构图@@@@
图@@6是氧@@化@@设备@@的简化结构图@@@@@@，实际的氧@@化@@设备@@要比本图@@复杂得多@@。
图@@6：晶圆氧@@化@@设备@@的结构@@
通过气体@@注入口进入氧@@化@@设备@@的反应气体@@@@，在@@被加热后@@，与@@晶圆发生氧@@化@@反应@@@@。为了减少正面接触气体@@的部分与@@稍后接触气体@@的部分间的氧@@化@@程度差异@@，晶圆中掺杂着假片@@（Dummy Wafer），以利用它们作为牺牲晶片来调整气体@@的均匀度@@。从图@@@@6中也可以看出@@，氧@@化@@工艺是把数十张晶圆同时放入进行氧@@化@@@@，可见氧@@化@@速度是非常之快的@@。
本期内容我们主要讲了前端工艺@@的概览和@@氧@@化@@工艺@@。为帮助大家理解@@，我们主要采用了大家非常熟悉的八大工艺的结构@@。但实际上@@@@，这些过程也属于半导体@@扩散@@（Diffusion）工艺领域@@，如果按温度划分@@，还可归类为高温工艺@@。下一期@@，我们就一起来了解一下光刻@@技术@@@@，看看如何利用光在@@晶圆上@@绘制电路吧@@。
※ 本文为外部专家对半导体@@@@/ICT的见解@@，并不代表@@SK海力士@@的立场@@。
文章来源@@：SK海力士@@