半導(dǎo)體制造工藝 - 晶圓制造的過程

本文從晶圓制造開始，到光刻，再到蝕刻和離子注入，薄膜沉積，至最后的封裝測(cè)試，簡(jiǎn)單而又全面地介紹芯片制造工藝流程。 ?

芯片制造是當(dāng)今世界最為復(fù)雜的工藝過程。這是一個(gè)由眾多頂尖企業(yè)共同完成的一個(gè)復(fù)雜過程。本文努力將這一工藝過程做一個(gè)匯總，對(duì)這個(gè)復(fù)雜的過程有一個(gè)全面而概括的描述。

半導(dǎo)體制造工藝過程非常多，據(jù)說有幾百甚至幾千個(gè)步驟。這不是夸張的說法，一個(gè)百億投資的工廠做的可能也只是其中的一小部分工藝過程。對(duì)于這么復(fù)雜的工藝，本文將分成五個(gè)大類進(jìn)行解說：晶圓制造、光刻蝕刻、離子注入、薄膜沉積、封裝測(cè)試。

半導(dǎo)體制造工藝 - 晶圓制造(Wafer Manufacturing）

晶圓制造(Wafer Manufacturing）又可分為以下5 個(gè)主要過程：

（1）拉晶?Crystal Pulling

???

摻雜多晶硅在1400度熔煉

???注入高純氬氣的惰性氣體

???將單晶硅“種子”放入熔體中，并在“拔出”時(shí)緩慢旋轉(zhuǎn)。

???

單晶錠直徑由溫度和提取速度決定

（2）晶圓切片 （Wafer slicing）

用精密的“鋸(Saw)”將硅錠切成獨(dú)立的晶圓。

（3）晶圓研磨、侵蝕（Wafer lapping，etching）

?? 切片的晶圓片使用旋轉(zhuǎn)研磨機(jī)和氧化鋁漿料進(jìn)行機(jī)械研磨，使晶圓片表面平整、平行，減少機(jī)械缺陷。

???然后在氮化酸/乙酸溶液中蝕刻晶圓，以去除微觀裂紋或表面損傷，然后進(jìn)行一系列高純度RO/DI水浴。

(4) 硅片拋光、清洗 (Wafer polishing and Cleaning)

???接下來，晶圓在一系列化學(xué)和機(jī)械拋光過程中拋光，稱為CMP(Chemical Mechanical Polish)。

???拋光過程通常包括兩到三個(gè)拋光步驟，使用越來越細(xì)的漿液和使用RO/DI水的中間清洗。

???使用SC1溶液(氨，過氧化氫和RO/DI水)進(jìn)行最終清洗，以去除有機(jī)雜質(zhì)和顆粒。然后，用HF除去天然氧化物和金屬雜質(zhì)，最后SC2溶液使超干凈的新的天然氧化物在表面生長(zhǎng)。

(5)?晶片外延加工 (Wafer epitaxial processing)

???外延工藝(EPI)被用來在高溫下從蒸汽生長(zhǎng)一層單晶硅到單晶硅襯底上。

???氣相生長(zhǎng)單晶硅層的工藝被稱為氣相外延(VPE)。

SiCl4 + 2H2???Si + 4HCl

該反應(yīng)是可逆的，即如果加入HCl，硅就會(huì)從晶圓片表面蝕刻出來。

另一個(gè)生成Si的反應(yīng)是不可逆的:?

SiH4??→??Si + 2H2(硅烷)

?? EPI生長(zhǎng)的目的是在襯底上形成具有不同(通常較低)濃度的電活性摻雜劑的層。例如，p型晶圓片上的N型層。

???約為晶圓片厚度的3%。

???對(duì)后續(xù)晶體管結(jié)構(gòu)無污染。

半導(dǎo)體制造工藝 - 光刻 (Photolithography）

近年大量提及的光刻機(jī)，只是眾多工藝設(shè)備中的一個(gè)。即使是光刻，也有很多的工藝過程和設(shè)備。

（1）光刻膠涂層?Photoresist coating

光刻膠是一種光敏材料。將少量光刻膠液體加在晶圓片上。晶圓片在1000到5000 RPM的速度下旋轉(zhuǎn)，將光刻膠擴(kuò)散成2到200um厚的均勻涂層。

光刻膠有兩種類型:負(fù)膠和正膠。

正膠：暴露于光下可以分解復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，使其易于溶解。

負(fù)膠：曝光使分子結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，更難以溶解。

每個(gè)光刻步驟所涉及的步驟如下

???清潔晶圓片

???沉積屏障層SiO2，Si3N4，金屬

???涂上光刻膠

???軟烤

???對(duì)齊蒙版

???圖形曝光

???顯影

???烘焙

???蝕刻

???去除光刻膠

（2）圖案準(zhǔn)備?Pattern Preparation

IC設(shè)計(jì)人員使用CAD軟件設(shè)計(jì)每層的圖案。然后使用激光圖案發(fā)生器或電子束將圖案轉(zhuǎn)移到具有圖案的光學(xué)透明石英襯底(模板)上。

（3）圖案轉(zhuǎn)移（曝光）

這里使用光刻機(jī)，將圖案從模板上，投影復(fù)制到芯片層板上。

（4）顯影、烘烤

???曝光后，晶圓片在酸溶液或堿溶液中顯影，以去除光刻膠的暴露區(qū)域。

???一旦除去暴露的光刻膠，晶圓片將在低溫下“烘烤”以硬化剩余的光刻膠。

半導(dǎo)體制造工藝 - 蝕刻和離子注入 (Etching and Ion Implantation)

（1）濕式和干式蝕刻

???在大型濕平臺(tái)上進(jìn)行化學(xué)蝕刻。

???不同類型的酸，堿和苛性堿溶液用于去除不同材料的選定區(qū)域。

?? BOE，或緩沖氧化物蝕刻劑，由氟化銨緩沖的氫氟酸制備，用于去除二氧化硅，而不會(huì)蝕刻掉底層的硅或多晶硅層。

???磷酸用于蝕刻氮化硅層。

???硝酸用來蝕刻金屬。

???用硫酸去除光刻膠。

???對(duì)于干式蝕刻，晶圓片被放置在蝕刻室中，通過等離子體進(jìn)行蝕刻。

???人員安全是首要問題。

???許多晶圓廠使用自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行蝕刻過程。

（2）抗蝕劑剝離

然后光刻膠完全從晶圓上剝離，在晶圓上留下氧化物圖案。

（3）離子注入

???離子注入改變晶圓片上現(xiàn)有層內(nèi)精確區(qū)域的電特性。

???離子注入器使用高電流加速器管和轉(zhuǎn)向聚焦磁鐵，用特定摻雜劑的離子轟擊晶圓表面。

???當(dāng)摻雜化學(xué)物質(zhì)沉積在表面并擴(kuò)散到表面時(shí)，氧化物充當(dāng)屏障。

???將硅表面加熱到900℃來進(jìn)行退火，注入的摻雜離子進(jìn)一步擴(kuò)散到硅片中。

半導(dǎo)體制造工藝 - 薄膜沉積 (Thin Film Deposition)

薄膜沉積的方式和內(nèi)容也比較多，下面逐個(gè)說明：

（1）氧化硅

當(dāng)硅在氧氣中存在時(shí)，SiO2會(huì)熱生長(zhǎng)。氧氣來自氧氣或水蒸氣。環(huán)境溫度要求為900 ~ 1200℃。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是

Si + O2??→??SiO2

Si +2H2O —> SiO2 + 2H2

選擇性氧化后的硅片表面如下圖所示:

氧氣和水都會(huì)通過現(xiàn)有的SiO2擴(kuò)散，并與Si結(jié)合形成額外的SiO2。水(蒸汽)比氧氣更容易擴(kuò)散，因此蒸汽的生長(zhǎng)速度要快得多。

氧化物用于提供絕緣和鈍化層，形成晶體管柵極。干氧用于形成柵極和薄氧化層。蒸汽被用來形成厚厚的氧化層。絕緣氧化層通常在1500nm左右，柵極層通常在200nm到500nm間。

（2）化學(xué)氣相沉積?Chemical Vapor Deposition

化學(xué)氣相沉積(CVD)通過熱分解和/或氣體化合物的反應(yīng)在襯底表面形成薄膜。

CVD反應(yīng)器有三種基本類型:

???大氣化學(xué)氣相沉積

???低壓CVD (LPCVD)

???等離子增強(qiáng)CVD (PECVD)

低壓CVD工藝示意圖如下圖所示。

CVD的主要有下面幾種反應(yīng)過程

i). 多晶硅 Polysilicon

SiH4? —>? Si + 2H2?(600℃)

沉積速度 100 - 200 nm?/min

可添加磷(磷化氫)、硼(二硼烷)或砷氣體。多晶硅也可以在沉積后用擴(kuò)散氣體摻雜。

ii). 二氧化硅?Dioxide

SiH4 + O2→SiO2 + 2H2? (300 - 500℃)

SiO2用作絕緣體或鈍化層。通常添加磷是為了獲得更好的電子流動(dòng)性能。

iii). 氮化硅 Siicon Nitride

3SiH4 + 4NH3 —> Si3N4 + 12H2

(硅烷)? ? ?(氨)? ? ? ? ?(氮化物)

（3）濺射

目標(biāo)被高能離子如Ar+轟擊，目標(biāo)中的原子將被移動(dòng)并輸送到基材上。

金屬如鋁、鈦可以用作靶材。

（4）蒸鍍

Al或Au(金)被加熱到蒸發(fā)點(diǎn)，蒸汽將凝結(jié)并形成覆蓋晶圓片表面的薄膜。

下面用一個(gè)案例，來詳細(xì)說明一下光刻、蝕刻，到離子沉積的過程中，硅片上的電路是如何一步步成型的：

半導(dǎo)體制造工藝 - 封裝測(cè)試 (Post-processing)

（1）晶圓測(cè)試?Probe Test

在最終線路制備完成后，使用自動(dòng)化探針測(cè)試方法測(cè)試晶圓上測(cè)試器件，剔除不良品。

（2） 晶圓切割?Wafer Dicing

探針測(cè)試后，晶圓片被切成單個(gè)的芯片。

（3） 接線、封裝

???單個(gè)芯片連接到引線框架，鋁或金引線通過熱壓縮或超聲波焊接連接。

???通過將設(shè)備密封到陶瓷或塑料包裝中來完成包裝。

???多數(shù)芯片還需要經(jīng)過最后的功能測(cè)試，才會(huì)送到下游用戶手上。

審核編輯：黃飛