三言两语的科普：浅谈芯片制造

来源：芯论语

作者：天高云淡Andi863

前言：笔者试图用最简单、最通俗的语言介绍芯片制造，如果有专业人士发现有说的不准确的地方，请不吝赐教。笔者想写得更短更简单，但由于芯片制造过于复杂和专业，该文还是显得长了一些，请读者见谅！

一、芯片制造厂

芯片制造是芯片产业链的第二个专业化环节。芯片制造厂的核心价值是把自己擅长的芯片制造工艺标准化、成熟化和平台化，专门承接芯片设计公司相应类型芯片的委托加工，为客户提供专业化的芯片制造服务。芯片制造厂也叫作芯片代工厂(Foundry)。           

图1. 芯片制造的要素：设备(资金投入)、

人才(管理水平)、工艺(技术积累)

 

芯片制造厂的专业指标主要包括：晶圆材料(砷化镓、硅、碳化硅、氮化镓等)、晶圆尺寸(4英寸、8英寸、12英寸等)、工艺类型(模拟、数字、高压、存储器、MEMS等)、特征线宽(…、28nm、14nm、7nm、4nm等)、工艺良率和交货周期等。这些指标是芯片设计公司必须了解和熟悉的。一般情况下，一个芯片设计项目是瞄准某个芯片代工厂的某个目标工艺而进行的。特殊情况下，目标工艺需要转移时芯片后端设计需要重新来过。

 

二、芯片制造工艺

芯片制造最巧妙的技术是平面加工工艺。平面加工工艺就是对晶圆整个平面同时进行一层一层加工，并堆叠形成晶圆上所有芯片的所有晶体管和电路连线。例如华为的麒麟990 5G芯片面积为113平方毫米，一个晶圆上大约可以排列600个芯片，一个芯片上包含了103亿只晶体管和电路连线。晶圆平面加工流程走完后，晶圆上600个芯片同时制造完成。平面加工显然与传统的产品加工(一个一个地加工产品)有着本质的不同。就好比在纸张上印字，用印刷机印字是平面加工工艺，打字机打字是传统加工工艺。

图2. 平面加工工艺对整个晶圆进行加工，

同时获得大量芯片

 

做菜靠的是煎炒烹炸，制造芯片主要靠平面加工工艺的“掺杂”、“生长”和“雕刻”这三板斧。“掺杂”就是在半导体衬底材料中掺入特定杂质元素的原子，目的是改变半导体局部的导电性，“掺杂”分为扩散和离子注入两种工艺。“生长”就是在下层材料上生长一层半导体材料或介质薄层(例如氧化层、多晶硅、金属连线层等)，“生长”分为氧化、气相淀积和金属化三种工艺。“雕刻”就是按照芯片设计的图案，刻掉介质薄层上不需要的部分，留下有用的部分，“雕刻”分为光刻和蚀刻两个工艺阶段。光刻用来把芯片设计图案转移到介质薄层上的光刻胶层上，蚀刻把介质薄层不受光刻胶图案保护的部分“雕刻”去掉。光刻也用来为“掺杂”划定扩散或离子注入的限定区域。

上述7种芯片制造工艺简述如下：1.氧化(Oxidize)是在指定区域生成一层氧化膜。2.扩散(Diffusion)是对指定区域定量掺入其它元素的原子，改变该区域的电性。3.离子注入(Implant)是向指定区域定量注入杂质元素的原子或粒子，使该区域的电性能发生变化。与扩散相比，离子注入没有外溢效应，离子注入深度和注入量容易控制。4.气相淀积(CVD、PVD)是在指定区域沉积一层氧化硅、碳化硅、多晶硅等介质薄层。5.金属化(Metallization)是在绝缘介质薄层上淀积金属薄层，通过光刻和蚀刻形成金属连线和通孔填充。6.光刻(Litho)利用曝光和显影在光刻胶层上准确复制掩膜版上的几何图案。7.蚀刻(Etch)是用化学或物理方法从介质薄层上去除不被光刻胶图案保护的部分。光刻和刻蚀结合起来，就可以在半导体材料上正确地复制掩膜版上的图案。限于篇幅，还有许多配合性的制造工艺(例如打磨、清洗、溅射、平坦化、钝化、电镀等)本文不进行介绍。

 

三、芯片制造过程

以CMOS芯片制造工艺为例介绍芯片制造过程。芯片制造过程是对上述主要制造工艺的反复使用，首先要把芯片布图(版图)按照一定顺序制做成一套多张的掩膜版(图3所示)。其次要按照对应的掩膜版图案，在晶圆衬底上“掺杂”，以改变某些区域的半导体导电性。接下来就是在晶圆衬底上，一层一层地按掩膜版图案制作有图案的介质薄层(包括氧化层、多晶硅栅层、钝化层、金属连线层等)。制作每一层时，先在晶圆下一层上“生长”介质薄层，再用光刻工艺把掩膜版图案转移到这个介质薄层，然后用蚀刻工艺“雕刻”出这个材料层的图案。一层一层的介质薄层图案(有特定厚度，参见下图c)在晶圆衬底按芯片设计要求堆叠起来，就构成了晶圆上所有芯片的所有晶体管和连线。对晶圆平面加工的各个工艺步骤完成后，晶圆上所有芯片将被同时制造完成，只待后续切割、封装和测试。 

图3. 芯片布图、光掩膜版、芯片上介质薄层堆叠成

电路的示意图(芯片局部，一个晶体管的结构)

 

四、芯片制造精度

目前，全球只有台积电、三星、英特尔三家晶圆代工厂在10nm及更先进的芯片工艺制程上竞争。台积电、三星在7nm、5nm，甚至是3nm上交锋时，国内最大、最先进的晶圆代工厂中芯国际则在14nm工艺上取得了突破。

先进的芯片制造工艺到底有多精密？我们以7nm工艺举例，它可以在头发横切面大小的硅片上制作6000多根电路连线，可以在1毫米见方(芝麻的1/2)的硅片上集成1亿多只晶体管及其电路连线。

图4. 价值1.2亿美元的EUV光刻机

 

先进精密的芯片制造需要更加精密的制造设备，例如,每台价值超过1.2亿美元的EUV光刻机是7nm及更先进工艺制程的必备设备之一。先进晶圆代工厂每年需要巨额资金投入，例如，芯片代工三巨头每年资本性支出均在100～200亿美元水平，台积电在2020年的投资达到150～160亿美元，是台积电成立以来的新高。芯片制造业属于高端加工制造业，依赖于上游订单，是重资产、技术密集型行业，一般经营波动较小，但需要不断投入新设备，不易爆发式增长。

---

编辑：Lemon