图:芯片晶圆的构成
晶圆制备完成后,半导体的画布就形成了。后续半导体工艺由此开始。
二、氧化工艺:制作铠甲
在半导体电路中,除了用于可控导电的各种二极管、三极管外,还必须要用绝缘物质将不同的电路隔离开来。对于硅基元素来说,形成这种绝缘物质最方便的方法就是将硅进行氧化,形成二氧化硅(SiO2)了。
SiO2是自然界中常见的一种材料,也是玻璃的主要元素。SiO2材料的主要特点有:
- 具有高熔点和高沸点(分别为1713 º C和2950º C)
- 不溶于水和部分酸,溶于氢氟酸
- 具有良好的绝缘性、保护性和化学稳定性
由于以上特性,SiO2在芯片制备的多个步骤工艺中被反复使用。芯片工艺中的氧化工艺是在半导体制造过程中,在硅晶圆表面形成一层薄薄的SiO2层的过程。这层氧化层有以下作用:
- 作为绝缘层,阻止电路之间的漏电
- 作为保护层,防止后续的离子注入和刻蚀过程中对硅晶圆造成损伤
- 作为掩膜层,定义电路图案
图:氧化物在晶圆表面的保护作用
这些氧化层在半导体器件中也有举足轻重的作用。比如说CMOS器件中的重要结构:MOS(金属-氧化物-半导体)结构中用于金属和半导体之间绝缘的“氧化物”层(或称栅氧),就是采用氧化工艺制备的。另外,用于隔离不同CMOS器件的厚层氧化物场氧(Field Oxide)、SOI器件中用于隔离衬底与器件的绝缘隔离层,都是采用氧化工艺实现的SiO2材料。
氧化工艺的实现方法有多种,如热氧化、电化学阳极氧化等。其中最常用的是热氧化法,即在高温(800~1200℃)下,利用纯氧或水蒸汽与硅反应生成SiO2层。热氧化法又分为干法和湿法:
- 干法只使用纯氧,形成较薄、质量较好的氧化层,但生长速度较慢。
- 湿法使用纯氧和水蒸汽,形成较厚、密度较低的氧化层,但生长速度较快。
- 不同类型和厚度的SiO2可以满足不同功能和要求。
图:干法氧化和湿法氧化
在半导体工艺中,氧化工艺非常重要,它为后续的制造步骤提供了基础和保障。氧化层不仅可以隔离和保护硅晶圆,还可以作为掩膜层来定义电路图案。没有氧化层,半导体器件就无法实现高性能、高可靠性和高集成度。
SiO2和部分氧化物有透光特性,由于这些材料的厚度不同,就会对特定波长的光线产生衍射或反射,也就使芯片表面看上去五彩斑斓。所以芯片表面的颜色并不是真正的彩色,而是这些薄膜结构对光的反射或干涉。
图:五彩斑斓的晶圆表面
通过氧化工艺,脆弱的硅基晶圆就像穿上了一层“铠甲”。
三、光刻蚀刻:图案绘制
有了画布素材,终于可以任由芯片设计师挥毫泼墨,自由创作了。光刻和刻蚀步骤就是将芯片设计师所设计的图案,转移到晶圆片上的过程。
光刻:完成图案转移
光刻技术是一种将掩模板(Mask)上的图形转移到涂有光刻胶的晶圆片上的技术。光刻技术可以将半导体表面上特定的区域去除或者保留,从而构建半导体器件。