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1、自 1948 年 Bell 实验室发明了第一个晶体管以来，半导体制造工艺发生了巨大的变化。这里 简要叙述了现代集成电路制造工艺所采用的步骤和技术。硅圆片。制造工艺的基础是一个单晶轻掺杂圆片。这些圆片的典型直径在412 英寸之 间，厚度最多为1mm。它们是通过把一个单晶锭切成薄片得到的。而单晶硅锭蚀在坩锅中将 纯净的硅熔化然后拉成，这种方法称为 Czochralski 方法。图10概述了简单的CMOS工艺流程.图11给出了更详细的工艺步骤。制造过程包括沉积、 掩模、刻蚀、注入等步骤。加工后的晶片被切成小片（芯片）并进行封装。简化的 CMOS 工艺流程tai Base material: d+ s
2、ubstrate jp-epi layersfb After deDoaition afaate-oxide and sacrificial nitrklfi farts 就空 a birffer市 source-dramfil After insulorAfter n-well adjustfdl After trench fillina. .and removaIIIIIII1IIIHIIIIII!77777/7777/7)総、frl AftprRich rrf infill；)rinntrenches usina the inverse of the artivfl arpa niakA
3、fter o-weH adiustirriDlanta. dooe the下面给出了制造过程中工艺步骤的细节：掩模。半导体集成电路制作过程通常需要经过多次光刻工艺，在半导体晶体表面的介质 层上开凿各种掺杂窗口、电极接触孔或在导电层上刻蚀金属互连图形。光刻工艺需要一整套 （几块多至十几块）相互间能精确套准的、具有特定几何图形的光复印掩蔽模版，简称光掩 模版。光掩模版是光刻工艺中复印光致抗蚀掩蔽层的“印相底片”。随着大规模集成电路工 艺技术的迅速发展，对光掩模版的质量，包括各种掩模精度、缺陷密度和掩模版的耐用性能 等都提出了极高的要求。光掩模制作技术大体上可分为传统的刻图缩微制版技术系统、计算 机
4、辅助设计、光学图形发生器自动制版技术系统和以电子束扫描成像为代表的各种短波长射 线成像曝光技术系统。光刻。在每一个工艺步骤中，芯片的某些区域采用合适的光掩模遮蔽起来，从而使所需 要进行的工艺步骤能够有选择地应用在芯片其余区域。实现这种选择性掩蔽的技术称为光 刻。这一工艺步骤可以用于很广泛的目的，包括氧化、刻蚀、金属和多晶硅淀积以及离子注 入。光刻工艺有下列几个步骤：氧化层；涂光刻胶；光刻机曝光；光刻胶的显影和烘干；酸 刻蚀；旋转、清洗和干燥；离子注入、等离子刻蚀或者金属淀积等各种工艺加工步骤；去除 光刻胶（沙洗）。如下图所示。光刻机匾光旋转r淸洗、干燥进照陋根氧化涂代刻胶去除光胡胺（沙诜）豳劇
5、蚀下一步工艺光刻掘影胶一个光刻过程的典型操作步骤扩散和离子注入：工艺的许多步骤需要改变材料某些部分的掺杂浓度，如源区、漏区、 阱和衬底接触的形成，多晶掺杂以及器件阀值的调整。引入这些掺杂剂可以采用两种工艺 扩散和离子注入技术。淀积：工艺的过程中需要在整个圆片表面上反复淀积材料层，作为一个工艺步骤的缓冲 层，或作为绝缘层和导电层。例如圆片上的Si02层、多晶和铜互连的淀积等。刻蚀：材料一旦淀积之后，可以用有选择的刻蚀来形成如连线或接触孔这样的图形。包 括采用酸或碱溶液的湿刻蚀工艺，和干法或等离子刻蚀。抛光：现代CMOS工艺中有很多形成图形的金属互连层一层叠一层，需要在淀积之前有 一个化学机械抛光
6、的步骤。设计规则设计规则可以看成使对集成电路制造过程中所使用的光掩模制备方面的规定。版图规则 的主要目的使在尽可能小的面积内制作功能可靠的电路，设计规则为设计者规定了版图设计 过程中的几何尺寸约束，从而使制造过程中的电路图案能够保持所设计的拓扑结构和几何结 构。集成电路封装封装对器件的工作和性能起着极为重要的作用，除了提供信号及电源进出芯片的界面之 外，还能移去由电路产生的热并为芯片提供机械支持，以及保护芯片免受如潮湿等外部环境 的影响。CPU 制造全过程：一堆沙如何变成集成电路 作者： 来源：泡泡网发布时间： 2007-07-09 17:03:00 进入社区 本文一步一步地为您讲述中央处理器
7、（CPU）是如何从最初的一堆沙子到最终变成一个功能强大的集成电路芯片的全过程。这个制作过程的技术含量非常高！CPU(Centralprocessingunit）是现代计算机的核心部件，又称为微处理器（Microprocessor）。对于PC而言, CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标Intelx86架构已经经历了二十多个年 头，而 x86 架构的 CPU 对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。一代一代经典的 CPU许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道CPU里面最重要的东西就是晶体管了，提高CPU的速度， 最重要的一点说白了就是如何在相同的CPU面积里面放进去更加多的
8、晶体管，由于CPU实在太小，太精密, 里面组成了数目相当多的晶体管，所以人手是绝对不可能完成的，只能够通过光刻工艺来进行加工的。这 就是为什么一块CPU里面为什么可以数量如此之多的晶体管。晶体管其实就是一个双位的开关：即开和关。 如果您回忆起基本计算的时代，那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择，开和关，对于机器来 说即0和1。那么您将如何制作一个CPU呢？在今天的文章中，我们将一步一步的为您讲述中央处理器从 一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。（由于CPU的制作过程技术含量太高，小编能力有限, 图片与介绍都来至互联网收集）。本文仅是让大家对CPU制作过程有一个比较详细的了解，
9、这样小编的任 务也就完成了。 制造 CPU 的基本原料如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案一是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？ 其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然 来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子 就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下，如果用那最最廉价而 又储量充足的原料做成CPU,那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器吗？除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属。目前为止，铝已经成为制作处理器
10、内部配件 的主要金属材料，而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的，在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要 明显好于铜。所谓电迁移问题，就是指当大量电子流过一段导体时，导体物质原子受电子撞击而离开原有 位置，留下空位，空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置，会造成其它地方 的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用。这就是许多Northwood Pentium 4换上SNDS （北 木暴毕综合症）的原因，当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超频就急于求成，大幅提高芯片电压 时，严重的电迁移问题导致了 CPU的瘫痪。这就是intel首次尝试铜互连技
11、术的经历，它显然需要一些改 进。不过另一方面讲，应用铜互连技术可以减小芯片面积，同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的 速度也更快。除了这两样主要的材料之外，在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料，它们起着不同的作用， 这里不再赘述。 CPU 制造的准备阶段在必备原材料的采集工作完毕之后，这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作。而作为最主要 的原料，硅的处理工作至关重要。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。晶圆上
12、的方块称为“芯片（die）”，每个微处理器都会成为个人计算机系统的“大脑”而后，将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过，许多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此。 为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净，及单晶硅。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300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，不过只要企业肯投入大批资金来研究，还是可以 实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立
13、的工厂耗费了大约35亿美元，新技术的成功使得intel 可以制造复杂程度更高，功能更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就 从硅锭的切片开始介绍 CPU 的制造过程。清洁的空气源源不断地从天花板和地板中的空隙中流入室内，无尘车间中的全部空气每分钟都会多次 更换。在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片，切片越薄， 用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。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CPU的质量。新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导
14、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）。其中互补一词表示半导体 中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用。而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下， 切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计，这种类型的 晶体管空间利用率更高也更加节能。同时在多数情况下，必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造 过程的后期，需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS
15、管的形成。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。 光刻蚀这是目前的 CPU 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。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
