半導體制造工藝 - 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，至最后的封裝測試，簡單而又全面地介紹芯片制造工藝流程。 ?

芯片制造是當今世界最為復雜的工藝過程。這是一個由眾多頂尖企業共同完成的一個復雜過程。本文努力將這一工藝過程做一個匯總，對這個復雜的過程有一個全面而概括的描述。

半導體制造工藝過程非常多，據說有幾百甚至幾千個步驟。這不是夸張的說法，一個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。對于這么復雜的工藝，本文將分成五個大類進行解說：晶圓制造、光刻蝕刻、離子注入、薄膜沉積、封裝測試。

半導體制造工藝 - 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”時緩慢旋轉。

???

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)”將硅錠切成獨立的晶圓。

（3）晶圓研磨、侵蝕（Wafer lapping，etching）

?? 切片的晶圓片使用旋轉研磨機和氧化鋁漿料進行機械研磨，使晶圓片表面平整、平行，減少機械缺陷。

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

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

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

(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一層單晶硅到單晶硅襯底上。

???氣相生長單晶硅層的工藝被稱為氣相外延(VPE)。

SiCl4 + 2H2???Si + 4HCl

該反應是可逆的，即如果加入HCl，硅就會從晶圓片表面蝕刻出來。

另一個生成Si的反應是不可逆的:?

SiH4??→??Si + 2H2(硅烷)

?? EPI生長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%。

???對后續晶體管結構無污染。

半導體制造工藝 - 光刻 (Photolithography）

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

（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，將光刻膠擴散成2到200um厚的均勻涂層。

光刻膠有兩種類型:負膠和正膠。

正膠：暴露于光下可以分解復雜的分子結構，使其易于溶解。

負膠：曝光使分子結構變得更復雜，更難以溶解。

每個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

???對齊蒙版

???圖形曝光

???顯影

???烘焙

???蝕刻

???去除光刻膠

（2）圖案準備?Pattern Preparation

IC設計人員使用CAD軟件設計每層的圖案。然后使用激光圖案發生器或電子束將圖案轉移到具有圖案的光學透明石英襯底(模板)上。

（3）圖案轉移（曝光）

這里使用光刻機，將圖案從模板上，投影復制到芯片層板上。

（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

???在大型濕平臺上進行化學蝕刻。

???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。

???對于干式蝕刻，晶圓片被放置在蝕刻室中，通過等離子體進行蝕刻。

???人員安全是首要問題。

???許多晶圓廠使用自動化設備執行蝕刻過程。

（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有層內精確區域的電特性。

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

???當摻雜化學物質沉積在表面并擴散到表面時，氧化物充當屏障。

???將硅表面加熱到900℃來進行退火，注入的摻雜離子進一步擴散到硅片中。

半導體制造工藝 - 薄膜沉積 (Thin Film Deposition)

薄膜沉積的方式和內容也比較多，下面逐個說明：

（1）氧化硅

當硅在氧氣中存在時，SiO2會熱生長。氧氣來自氧氣或水蒸氣。環境溫度要求為900 ~ 1200℃。發生的化學反應是

Si + O2??→??SiO2

Si +2H2O —> SiO2 + 2H2

選擇性氧化后的硅片表面如下圖所示:

氧氣和水都會通過現有的SiO2擴散，并與Si結合形成額外的SiO2。水(蒸汽)比氧氣更容易擴散，因此蒸汽的生長速度要快得多。

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）化學氣相沉積?Chemical Vapor Deposition

化學氣相沉積(CVD)通過熱分解和/或氣體化合物的反應在襯底表面形成薄膜。

CVD反應器有三種基本類型:

???大氣化學氣相沉積

???低壓CVD (LPCVD)

???等離子增強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性能。

iii). 氮化硅 Siicon Nitride

3SiH4 + 4NH3 —> Si3N4 + 12H2

(硅烷)? ? ?(氨)? ? ? ? ?(氮化物)

（3）濺射

目標被高能離子如Ar+轟擊，目標中的原子將被移動并輸送到基材上。

金屬如鋁、鈦可以用作靶材。

（4）蒸鍍

Al或Au(金)被加熱到蒸發點，蒸汽將凝結并形成覆蓋晶圓片表面的薄膜。

下面用一個案例，來詳細說明一下光刻、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：

半導體制造工藝 - 封裝測試 (Post-processing)

（1）晶圓測試?Probe Test

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

（2） 晶圓切割?Wafer Dicing

探針測試后，晶圓片被切成單個的芯片。

（3） 接線、封裝

???單個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。

???通過將設備密封到陶瓷或塑料包裝中來完成包裝。

???多數芯片還需要經過最后的功能測試，才會送到下游用戶手上。

審核編輯：黃飛