一顆電晶體是怎麼做出來的？從隔離到第一層金屬，一步一步看

一顆電晶體是在矽晶圓的表面，照這個順序做出來的：挖淺溝、填絕緣物，把一顆顆隔開（隔離）；打進原子，做出 n 型、p 型的底（井）；長一層很薄的絕緣層，做出閘極；拿閘極當擋板，在兩邊打出源極和汲極；加熱讓原子就位（退火）；蓋絕緣層、挖小洞填金屬（接點），接上第一層金屬。大多數步驟都要動用好幾個製程區。

這篇用最簡單的「平面」電晶體講道理，是簡化過的，真的流程還有更多步驟。電晶體本身是什麼，先讀「電晶體是什麼？」。

做好的電晶體，切開來長什麼樣？

把做好的晶片從側面切開來看，由下往上大概是：

• 矽裡面：p 型、n 型的井並排，每顆電晶體之間埋著填滿絕緣物的淺溝。
• 每顆電晶體：一條閘極躺在很薄的絕緣層上；閘極兩旁的矽，是源極（入口）和汲極（出口）。
• 矽的上面：厚厚的絕緣層裡插著一根根金屬小柱子，往下接到電晶體，往上接到第一層金屬導線。

兩種電晶體，一種坐在 p 型的井裡，一種坐在 n 型的井裡，配成一對用（見「CMOS 是什麼」）。

為什麼不能一次做好？印一次圖案，就是繞一整圈

晶圓廠沒辦法只在一小塊上做事：長膜、植入都是整片一起來。要讓一件事只發生在某些地方，就得先印一張「模板」，繞一整圈：

1. 長一層材料（薄膜或爐管），需要的話用 CMP 磨平。
2. 在黃光區塗光阻、隔著光罩曝光、顯影，把圖案印在光阻上；印錯了還能洗掉重來。
3. 照著光阻蝕刻，或拿光阻擋著做離子植入。
4. 去掉光阻、清洗、量。

一本 2000 年出版的大學教科書，拿一條簡化過的 CMOS 流程來教，做到第二層金屬就要十幾片光罩、一百多道步驟；現在真正量產的晶片多得多：一片晶圓要回黃光區幾十次，加起來幾百道步驟。每一區做什麼，見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」。

一顆電晶體怎麼做？七個步驟

第 1 步：隔離，在電晶體之間挖溝、填絕緣物

• 做什麼：先長一層薄氧化層墊底、再蓋一層很硬的氮化矽，印出要留下來做電晶體的地方，其他地方往矽裡挖淺溝、填滿氧化物；磨平之後，把氮化矽剝掉。
• 為什麼：電晶體擠得很密，每顆之間要有一道絕緣的牆，電才不會跑到隔壁。
• 不這樣會怎樣：隔壁的電晶體互相漏電，開關關不乾淨。
• 用到：清洗、爐管、薄膜、黃光、蝕刻、CMP，第一步就走過六區。

第 2 步：井，打進原子做出 n 型、p 型的底

• 做什麼：光阻蓋住一半，打進磷，做出 n 型的井；換一張模板，打進硼，做出 p 型的井，再進爐管加熱。
• 為什麼：入口、出口是 n 型的電晶體，要坐在 p 型的井裡，p 型的反過來；中間隔著相反型的矽，平常電過不去，要靠閘極的電壓打開（見「摻雜是什麼」）。
• 不這樣會怎樣：少了相反型的井，入口和出口之間平常就通著，開關關不掉；打錯了，開關就不照設計動作，而且打進去的拿不出來。
• 用到：黃光、植入、清洗、爐管。

第 3 步：閘極，很薄的絕緣層加上一條閘極

• 做什麼：在爐管長一層非常薄的氧化層當絕緣層，鋪一層會導電的多晶矽，再印出一條條閘極、把其他地方刻掉。
• 為什麼：閘極要隔著絕緣層、用電壓管住底下的通道；這條線印得多寬，大致就是入口和出口隔多遠，所以這一層要印得特別細、特別準。
• 不這樣會怎樣：絕緣層太薄會漏電、太厚開關變慢；閘極線太寬開關變慢、太窄關不緊。
• 用到：清洗、爐管、薄膜、黃光、蝕刻。

第 4 步：源極、汲極，閘極自己當擋板

• 做什麼：光阻蓋住另一種電晶體，把原子打進閘極兩旁的矽；閘極擋住了正下方，打出來的入口和出口剛好貼著閘極兩邊，這叫自我對準。
• 為什麼：另外印一張圖去對，總會偏一點；讓閘極自己當擋板，一定對齊。這個點子 1960 年代就有了。
• 不這樣會怎樣：對歪了，入口或出口跟通道之間留一段縫，電就過不去。
• 用到：黃光、植入；很多流程還會先淺淺打一次，在閘極兩側做一圈絕緣的側牆再打深一點，讓靠近通道那一段淡一點、比較耐用，這要再用到薄膜和蝕刻。

第 5 步：退火，加熱讓原子就位

• 做什麼：把晶圓加熱，讓打進去的原子坐進矽原子的位置，撞亂的排列也排回去。
• 為什麼：剛打進去的原子多半卡在縫裡，還不會導電。
• 不這樣會怎樣：熱不夠，片電阻偏高；熱太久，原子往旁邊跑，剛對齊的形狀就糊掉。所以常用只加熱幾秒的快速作法，每一次加熱都記進熱預算。
• 用到：爐管，或一次一片的快速加熱機台（見「爐管在做什麼？」）。

第 6 步：接點，蓋絕緣層、挖小洞、填金屬

• 做什麼：蓋一層厚的絕緣層、磨平，印出小洞、往下挖到源極、汲極和閘極，這就是接觸窗；鋪一層很薄的阻障層，填滿鎢這類金屬，再把洞外多的磨掉。
• 為什麼：上面的導線只能在該接的那幾點碰到電晶體，其他地方都要隔開。
• 不這樣會怎樣：洞沒挖到底或沒填滿，電阻變高甚至不通；洞對歪碰到閘極，就短路，所以每一層都要對準下面那一層（疊對）。
• 用到：薄膜、CMP、黃光、蝕刻、清洗。

第 7 步：第一層金屬，把接點連成電路

• 做什麼：再蓋一層絕緣層，挖出導線形狀的溝，填進金屬、磨平。
• 為什麼：用導線把接點連起來，兩種開關才配成一對，一群開關才組成會算東西的電路。
• 不這樣會怎樣：電晶體做得再好，沒接起來就只是一顆顆孤立的開關。再往上一層層疊的導線，見「晶片裡的導線怎麼做」。
• 用到：薄膜、黃光、蝕刻、CMP、清洗。

前段、後段在哪裡分開？

晶圓廠裡常把這條路分成兩半：在矽裡做電晶體的第 1～5 步叫前段製程（FEOL），在上面做金屬導線的第 7 步起叫後段製程（BEOL）。第 6 步的接點剛好在分界上，有的算前段、有的算後段，也有人叫它「中段」。前段有些步驟要上千度，金屬一上去，晶圓就不能再那樣烤，這也是分成兩半的原因之一。

講整條產業時，「前段」是晶圓廠、「後段」是封裝測試（見「晶片是怎麼做出來的？」）。看到「後段」，先看上下文。

現在的電晶體也是這樣做嗎？

道理一樣，形狀不一樣。最先進的晶片，通道多半立起來變成薄薄的鰭，或做成幾片疊起來、讓閘極四面包住，閘極和絕緣層的材料也換了（見「電晶體是什麼？」）。步驟更多、順序也有調整，可是「先隔開、做底、做閘極、對著閘極做入口出口、再接導線」這條主線還在。

在 fab24hr 裡

fab24hr 的主線「晶片的一生」第 2 章「一站一站」，就是這篇的第 1、2 步。投片後的頭五天，你是研發整合工程師，跟著虛構的助聽器晶片「螢火」第一批 12 片走研發線：清洗、在爐管長墊底的薄氧化層、量監控片、長氮化矽、印第一層圖案、蝕刻挖溝、CMP 磨到氮化矽（照配方再多磨一下，還是一碰到就停）、剝掉氮化矽、打 n 型和 p 型的井，七個製程區每一區親手做一步。

後面幾步在「打工人的一天」：按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」、左右滑到研發製程工程師，再點一區。爐管管閘極底下的氧化層和退火，植入管源極、汲極，黃光、蝕刻、薄膜、CMP 一起做接觸窗。遊戲裡的公司、晶片、人物、機台和數字都是虛構的；每一步照公開的一般資料寫，也是簡化過的。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。