【制造流程揭秘】：SMIC 180nm工艺从晶圆到成品的全过程


参考资源链接：[SMIC 180nm工艺使用手册：0.18um混合信号增强SPICE模型](https://wenku.csdn.net/doc/4hpp59afiy?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. SMIC 180nm工艺概述

半导体制造业是一个精细而复杂的行业，每个制造工艺节点的进步都意味着科技的重大突破。本章节将为您概述SMIC（中芯国际集成电路制造有限公司）的180nm工艺技术。180nm工艺属于较为成熟的深亚微米技术，它在一定程度上代表了早期半导体工艺的发展水平。

## 1.1 工艺节点历史和重要性

180nm工艺节点位于上世纪末期，它开启了集成电路制造的一个新纪元，是连接深亚微米时代和纳米时代的桥梁。在这一节点上，集成电路的尺寸缩小至180纳米，使得芯片的性能得到显著提升，同时成本也得到了有效控制。

## 1.2 SMIC 180nm工艺的应用范围

SMIC的180nm工艺技术广泛应用于多个领域，包括微控制器、电源管理芯片、各类传感器以及存储芯片等。这一工艺在确保可靠性与成本效益的同时，也为各类电子产品的制造提供了强有力的支撑。

通过本章节的学习，读者将对SMIC 180nm工艺有一个全面且深入的了解，为后续章节的详细工艺流程打下坚实的理论基础。

# 2. 晶圆制备与前道工艺

## 2.1 晶圆的制造流程

### 2.1.1 硅提纯与单晶生长

硅是半导体工业中最常见的原材料，其纯度直接影响到芯片的质量。在生产过程中，首先需要对硅进行提纯，以去除各种杂质，达到半导体级别。硅的提纯过程包括多个步骤，如二氧化硅的生成、还原为金属硅、再转化为高纯度的多晶硅。通过化学蒸汽沉积（CVD）方法，进一步得到单晶硅。

单晶硅的生长是一个关键步骤，它涉及到一个称作"籽晶引拉法"（Czochralski process，简称CZ法）的过程，其中将一个硅晶体籽晶缓慢地浸入熔融的高纯度硅中。当籽晶旋转着缓慢提出时，熔融硅就会开始结晶，并沿籽晶的方向生长成为单晶硅。这一过程需要在无氧和无尘的环境中严格控制温度和旋转速度，以确保得到品质优良的晶棒。

### 2.1.2 切片与抛光

从单晶硅棒到可用于半导体制造的晶圆，需要经过切片与抛光两个主要步骤。首先使用精细的切割工具，如内圆锯或线锯，将硅棒切割成薄片，这些薄片就是晶圆的雏形。切割过程需要非常精确，以确保晶圆的厚度和表面平整度满足后续工艺的要求。

晶圆表面可能有微小的损伤，需要通过抛光来平滑。抛光分为化学机械抛光（CMP）和机械抛光两种。CMP是一种结合化学溶液腐蚀和机械研磨的过程，能够去除晶圆表面的微小不平整部分，留下一个均匀且平整的表面，为后续的光刻工艺做准备。

## 2.2 光刻过程的原理与实践

### 2.2.1 光刻机的原理

光刻是半导体制造中至关重要的步骤，它允许在晶圆上精确地转移电路图案。光刻机是实现这一过程的关键设备，它使用光源将图案（掩模或光罩）上的电路图形通过光化学反应转移到覆盖有光敏性抗蚀剂的晶圆表面。经过曝光和显影，抗蚀剂上形成了所需的电路图案。

目前常见的光刻机使用光源类型包括紫外光（DUV）和深紫外光（DUV）。其中，极紫外光（EUV）技术是目前最先进的光刻技术，可以实现更小线宽的图案化。

### 2.2.2 光刻工艺流程详解

光刻工艺流程主要包括以下几个步骤：

1. 清洗：晶圆表面需要经过彻底清洗，以去除可能存在的灰尘和其他污染物。
2. 涂覆抗蚀剂：将光敏性抗蚀剂均匀涂覆在晶圆表面，通常采用旋转涂覆的方式。
3. 前烘：去除抗蚀剂中的溶剂，提高抗蚀剂的黏附性。
4. 对准与曝光：将掩模或光罩对准晶圆上，然后通过光刻机的光源进行曝光，将掩模上的图案转移到抗蚀剂上。
5. 显影：使用适当的溶剂除去曝光后的抗蚀剂，未曝光的部分被溶解，形成图案。
6. 后烘：加固显影后的图案，提高其抗蚀刻的能力。
7. 硬烘：最终固化抗蚀剂图案，以承受后续的刻蚀等工艺。

通过这一系列的步骤，晶圆上就可以形成精确的电路图案，为后续的电路制造打下基础。

## 2.3 掺杂技术与离子注入

### 2.3.1 掺杂的基本概念

掺杂是指在硅晶体中引入杂质原子，从而改变其电学性质的过程。掺杂通常是为了给硅晶圆赋予N型或P型半导体的特性，这在制造晶体管时是不可或缺的。掺杂的类型分为N型掺杂（掺入五价元素如磷或砷）和P型掺杂（掺入三价元素如硼）。

掺杂过程中杂质原子的浓度、分布、以及与硅晶体的结合方式对半导体器件的电学性能有直接影响。因此，掺杂过程需要精确控制，以确保电子器件的一致性和可靠性。

### 2.3.2 离子注入过程及设备介绍

离子注入是一种现代掺杂技术，取代了早期的扩散工艺。这一过程涉及到将掺杂剂离子加速到高速度，然后注入到硅晶圆的表面以下。这些高速移动的离子与硅原子碰撞，将掺杂剂原子嵌入到晶格中，从而实现掺杂。

离子注入设备由几个关键部分组成：

- 离子源：产生掺杂剂离子。
- 加速器：将离子加速到所需能量。
- 分析磁铁：选择特定能量和质量的离子束。
- 束流扫描系统：将离子束均匀地分布到晶圆表面。

离子注入的优点在于它提供更精确的掺杂控制，可以实现更浅层的掺杂以及较小的掺杂区域。它还能提高掺杂速度和均匀性，是现代半导体制造不可或缺的工艺。

## 2.4 表面处理与薄膜沉积

### 2.4.1 化学气相沉积（CVD）

化学气相沉积是制备薄膜材料的常用技术，通过化学反应在晶圆表面形成所需的薄膜。CVD过程中，反应气体在晶圆表面发生化学反应，沉积形成固体薄膜，这种薄膜可以是绝缘材料、导电材料或半导体材料。

CVD反应器内部可以有不同的配置和设计，但常见的包括热壁CVD和冷壁CVD。热壁反应器将整个反应室加热，保证反应的进行，而冷壁反应器则只加热晶圆本身，防止了沉积在反应室壁上的材料污染晶圆表面。

### 2.4.2 物理气相沉积（PVD）

物理气相沉积是另一种制备薄膜的工艺，它主要通过物理过程（如蒸发或溅射）在晶圆表面形成所需的薄膜。PVD方法与CVD相比，不涉及化学反应，但可以获得高纯度的薄膜材料。

PVD的关键设备是镀膜机，它主要包括一个真空腔室和一个蒸发或溅射源。蒸发过程中，材料以热蒸发或电子束蒸发的方式从源中释放出来，并在真空环境中以薄膜形式沉积在晶圆上。溅射则涉及将气体离子化，并用这些离子轰击靶材，将靶材原子溅射到晶圆表面。

CVD和PVD方法在材料的种类、质量以及沉积速率上有各自的优缺点，因此在实际生产中经常根据具体需求和材料特性来选择合适的沉积技术。

# 3. 晶圆加工与后道工艺

## 3.1 刻