5. 集成电路的制造工艺简介

大家好！今天我想讲讲集成电路的工艺，这个不仅是模拟集成电路会涉及到，数字集成电路也会涉及到，只不过由于数字集成电路对工艺的敏感度没有模拟集成电路那么高，所以一般在模拟集成电路中会对工艺进行一个较为详细的描述，这样可以增加大家对模拟集成电路设计的底层理解，有利于设计出更高性能的电路。好，接下来我将从四个方面对集成电路的工艺进行一个介绍。

首先，我从类型上对工艺进行一个大致的分类，从工艺对材料的处理方式上，可以将工艺分为四种类型：原材料、添加材料、去除材料和确定区域。这里对于工艺的原材料不仅指的是晶圆，同时还包括掩埋板，光刻胶，3价离子，5价离子，纯水等化学试剂；一般俩说，对于电路设计人员而言，对前5种原材料有所了解就基本能对工艺有一个大概的了解，而后面的化学试剂则主要是工艺工程师的领域了。添加材料这项工艺类型，主要添加的一般是氧化物、金属、离子注入，这些工艺中离子注入比较关键，因为它决定了有源器件的有源特性，如gm等，而且由于离子注入时有一定的角度，所以注入时是不均匀的，这些在版图设计中都必须考虑。去除材料这个工艺主要是去除光刻胶，金属，或者金属过孔，或者多晶硅，这些材料的去除主要是为了进行器件和金属的成形，达到我们希望的器件外形和尺寸，由于在去除材料这类工艺时，主要采用的是化学腐蚀方法，所以去除表面不是那么光滑，从而会形成器件的缺陷，这些也是良率的根本原因。最后是确定材料区域，这类工艺是通过对区域内的光刻胶进行正性或者负性固化，从而实现了在确定区域进行添加材料和去除材料这类工艺的。

接着我想从工序这个方面来谈谈工艺，一般来说，集成电路工艺主要有六道工序，他们分别是晶片加工、光刻、氧化、离子注入、淀积、刻蚀。按照工艺类型来看这六道工序，可以看出，晶圆加工属于原材料；而光刻属于确定区域；氧化，离子注入，淀积属于添加材料；刻蚀属于去除材料。这六道工序可以通过不同的组合来完成不同器件的制作，有些无源器件的制作不需要离子注入这道工序，但是有源器件就需要这六道工序，所以对于不同器件，工序的数量和顺序会有所不同。这些大家如果感兴趣可以在专门的工艺书籍中找到很详细的讲解，我这边就不详述了。我这边主要要谈谈在这些工序中会用到的一种非常实用的方法：自对准技术，这个技术对集成电路的良率提升有着重要的作用，在这个技术发明之前，模拟集成电路的工艺尺寸无法在保证同样良率水平下进一步减低。而这一技术有效的解决了这个问题，是的现在CMOS工艺在更小尺寸下让中高速电路实现成为可能。

下面我想聊聊集成电路工艺的一些特点，这里我不想像理论书籍上面那样摆一些专业化的名词，我这边会从自身的理解下通过一些通俗的语言来表达。我认为集成电路的工艺有四个特点：一，设计尺寸和制造尺寸不一致；这个特点在尺寸进入到亚微米后更加明显，有一个指标可以显示这个特点，那就后端验证文件，越是尺寸小，验证文件就越多，因为这里面会有很多效应，其中一个就是为了让设计尺寸和制造尺寸在一个合理的容差范围内，需要有很多规则必须遵守。二，设计的斜线，制造出来的效果是阶梯线；这个也和我们一般理解的不一致，因为我们在反向版图中也看不到这个现象，但实际上如果我们在更小尺寸下进行观察，就是这个结果，这就意味着我们在设计时必须要考虑相关的效应，特别是这种斜线旁边的连线，需要比正常规则文件要大更多，这样才能保证有更高的良率。三，设计的圆形，制造出来的效果是多边形；这个也是因为在制造是掩膜版和光刻胶的自然形成不会那么完美，特别是在尺寸在um级时，要形成一个完美的圆形是比较困难的，设计人员必须心中有数。四，通过调整离子注入的浓度，可以生成特殊的模拟工艺；这个就是一些特殊应用芯片中的特殊工艺所涉及的，有时候也是一些公司的核心技术，由于专用从而形成了工艺壁垒，其他的公司想竞争就不是那么容易了。

最后我们来看看工艺的设备，其实它们才是实现以上工艺的重要工具，没有它们，设计师在电脑上设计出再完美的模拟集成电路和版图也是枉然。这些设备主要是光刻机、氧化机、刻蚀机、离子注入机；这些设备中主要是光刻机决定了工艺尺寸的大小，所以现在全世界的主流工艺设备商都是全世界的各个国家共同完成，每个国家各自占据其中一个技术点，而现在中国好没有在这个产业链上有一席之地，由于现在工艺设备、工艺、工艺模型是同步开发的，这导致在未来如果希望能使用更高级的制程可能在投入上是指数级的增长。

现在我们总结一下，这一讲我从工艺的类型、工序、特点、设备这四个方面简要介绍了一些集成电路工艺，这些只能作为工艺学习的入门基础，如果大家希望能继续深入学习的话，请参加我后面的学习，谢谢！