帶流程圖的半導(dǎo)體制造步驟

每個(gè)半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的制造都需要數(shù)百道工序。經(jīng)過(guò)整理，整個(gè)制造過(guò)程分為八個(gè)步驟：晶圓加工、氧化、照相、蝕刻、薄膜沉積、互連、測(cè)試、封裝

圖 1. 半導(dǎo)體零件制造過(guò)程

目錄

很少有人知道，所有的半導(dǎo)體工藝都是從一粒沙子開始的。因?yàn)樯匙又兴墓枋巧a(chǎn)晶圓所需的原材料。晶片是通過(guò)切割由硅（Si）或砷化鎵（GaAs）制成的單晶柱而形成的圓形切片。提取高純度硅材料需要硅砂，一種二氧化硅含量高達(dá)95%的特殊材料，也是制造硅片的主要原料。晶圓加工是制造和獲得晶圓的過(guò)程。

半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝說(shuō)明

①鑄錠
首先需要加熱砂以分離一氧化碳和硅，重復(fù)該過(guò)程，直到獲得超高純電子級(jí)硅（EG-Si）。高純度硅熔化成液體，然后凝固成單晶固體形式，稱為“錠”，這是半導(dǎo)體制造的第一步。硅錠（硅柱）的制造精度非常高，達(dá)到納米級(jí)。
② 鑄錠切割
上一步完成后，需要用金剛石鋸將錠的兩端切掉，然后切成一定厚度的片。錠片的直徑?jīng)Q定了晶片的尺寸。更大更薄的晶圓可以分成更多的單元，這有助于降低生產(chǎn)成本。切割硅錠后，需要在切片上加上“平坦區(qū)域”或“縮進(jìn)”標(biāo)記，以便在后續(xù)步驟中以此為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)定加工方向。
③ 晶圓表面拋光
通過(guò)上述切割過(guò)程獲得的薄片稱為“模具”，即未加工的“原始晶圓”。模具表面凹凸不平，無(wú)法直接在上面印刷電路圖案。因此，必須先通過(guò)研磨和化學(xué)蝕刻工藝去除表面缺陷，然后通過(guò)拋光形成光滑的表面，然后清洗殘留的污染物。

氧化工藝的作用是在晶圓表面形成一層保護(hù)膜。它可以保護(hù)晶圓免受化學(xué)雜質(zhì)的影響，防止漏電流進(jìn)入電路，離子注入時(shí)擴(kuò)散，以及蝕刻時(shí)晶圓滑落。

圖 2. 氧化

氧化過(guò)程的第一步是通過(guò)四個(gè)步驟去除雜質(zhì)和污染物，如有機(jī)物、金屬和蒸發(fā)殘留水分。清洗完成后，可將晶圓置于800~1200攝氏度的高溫環(huán)境中，通過(guò)氧氣或蒸汽的流動(dòng)在晶圓表面形成一層二氧化硅。氧氣通過(guò)氧化層擴(kuò)散并與硅反應(yīng)形成不同厚度的氧化層，氧化完成后可對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

??干式氧化和濕式氧化法

根據(jù)氧化反應(yīng)中氧化劑的不同，熱氧化過(guò)程可分為干氧化和濕氧化。前者用純氧產(chǎn)生二氧化硅層，速度慢但氧化層薄而致密。后者需要氧氣和高溶解度。水蒸氣的特點(diǎn)是生長(zhǎng)速度快，但保護(hù)層比較厚，密度低。

圖 3. 干式氧化和濕式氧化法

除了氧化劑之外，還有其他影響二氧化硅層厚度的變量。首先，晶圓結(jié)構(gòu)、表面缺陷和內(nèi)部摻雜濃度都會(huì)影響氧化層的形成速度。此外，氧化設(shè)備產(chǎn)生的壓力和溫度越高，氧化層形成的速度就越快。在氧化過(guò)程中，還需要根據(jù)晶片在單元中的位置使用偽晶片來(lái)保護(hù)晶片，減少氧化程度的差異。

光掩模是使用光將電路圖案“印刷”到晶片上。我們可以將其理解為在晶圓表面繪制的半導(dǎo)體零件。電路圖案的精細(xì)度越高，產(chǎn)品芯片的集成度就越高，這只能通過(guò)先進(jìn)的光掩模技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體可分為光刻膠涂布、曝光、顯影三個(gè)步驟。
① 涂覆光刻膠
在晶圓上繪制電路的第一步是在氧化層上涂上光刻膠。光刻膠改變晶片的化學(xué)性質(zhì)，成為“相紙”。晶圓表面的光刻膠層越薄，涂層越均勻，可印刷的圖案越精細(xì)。此外，這一步可以使用“旋涂”方法。

圖 4. 涂覆光刻膠

根據(jù)紫外光反應(yīng)性的不同，光刻膠可分為正膠和負(fù)膠兩種。前者受光后會(huì)分解消失，留下未受光部分的圖案，而后者受光后會(huì)聚合，讓受光部分的圖案出現(xiàn)。

② 曝光
在晶圓上覆蓋光刻膠膜后，可以通過(guò)控制光線照射來(lái)印刷電路。這個(gè)過(guò)程稱為“曝光”。我們可以選擇性地讓光線通過(guò)曝光設(shè)備。當(dāng)光線穿過(guò)包含電路圖案的掩模時(shí)，電路可以印刷在下面涂有光刻膠膜的晶片上。

圖 5. 曝光

在曝光過(guò)程中，印刷的圖案越精細(xì)，最終芯片中可以容納的元件就越多，這有助于提高生產(chǎn)效率并降低單個(gè)元件的成本。

③顯影
曝光后的步驟是在晶圓上噴灑顯影劑，以去除未被圖形覆蓋的區(qū)域的光刻膠，使印刷電路圖形顯露出來(lái)。開發(fā)完成后，需要通過(guò)各種測(cè)量設(shè)備和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢查，以確保電路圖的繪制質(zhì)量。

在晶片上完成電路圖的光刻后，通過(guò)蝕刻工藝去除多余的氧化膜，只留下半導(dǎo)體電路圖。為此，使用液體、氣體或等離子體去除未選擇的部分。
主要有兩種蝕刻方法，取決于所使用的材料：濕法蝕刻，使用特定的化學(xué)溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以去除氧化膜，以及使用氣體或等離子體的干法蝕刻。
1) 濕蝕刻

圖 6. 濕蝕刻法

使用化學(xué)溶液去除氧化膜的濕法蝕刻具有成本低、蝕刻速度快、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。但濕法刻蝕具有各向同性的特點(diǎn)，即在任何方向其速度都相同。這將導(dǎo)致掩膜（或敏感膜）和蝕刻的氧化膜不能完全對(duì)齊，從而難以處理非常精細(xì)的電路圖。

2）干蝕刻
干蝕刻可分為三種不同的類型：
第一種是化學(xué)蝕刻，它使用蝕刻氣體（主要是氟化氫）。與濕蝕刻一樣，這種方法也是各向同性的，這意味著它不適合精細(xì)蝕刻。
該第二方法是物理濺射，即，等離子體中的離子被用于打擊和除去過(guò)量的氧化物層。作為一種各向異性蝕刻方法，它在水平和垂直方向的蝕刻速度不同，因此其精細(xì)度必須超過(guò)化學(xué)蝕刻。但是這種方法的缺點(diǎn)是蝕刻速度慢，因?yàn)樗耆蕾囉陔x子碰撞引起的物理反應(yīng)。

圖 7. 物理濺射

該第三方法是反應(yīng)性離子蝕刻（RIE）。它結(jié)合了前兩種方法，即在使用等離子體進(jìn)行電離物理蝕刻的同時(shí)，利用等離子體活化后產(chǎn)生的自由基進(jìn)行化學(xué)蝕刻。除了蝕刻速度超過(guò)前兩種方法外，RIE還可以利用離子各向異性的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)高清圖案蝕刻。

圖 8. 反應(yīng)離子蝕刻 (RIE)

現(xiàn)在干法刻蝕已被廣泛用于提高精細(xì)半導(dǎo)體電路的良率。保持全晶圓蝕刻的均勻性和提高蝕刻速度至關(guān)重要。當(dāng)今最先進(jìn)的干法刻蝕設(shè)備正在支撐著最先進(jìn)的更高性能的邏輯和存儲(chǔ)芯片的生產(chǎn)。

為了在芯片內(nèi)部制造微型器件，我們需要不斷地沉積薄膜層并通過(guò)蝕刻去除多余的部分，并添加一些材料來(lái)分隔不同的器件。每個(gè)晶體管或存儲(chǔ)單元都是通過(guò)上述過(guò)程逐步構(gòu)建的。我們這里所說(shuō)的“薄膜”是指厚度小于1微米（μm，百萬(wàn)分之一米），不能用普通機(jī)械加工方法制造的“膜”。在這里，將包含所需分子或原子單元的薄膜放在晶片上的過(guò)程是“沉積”。

圖 9. 沉積

要形成多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，我們需要先制作器件堆疊，即在晶圓表面交替堆疊多個(gè)薄金屬（導(dǎo)電）膜和介電（絕緣）膜，然后重復(fù)蝕刻過(guò)程以去除多余的部分，形成三維結(jié)構(gòu)?？捎糜诔练e工藝的技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積 ( CVD )、原子層沉積 ( ALD ) 和物理氣相沉積 ( PVD )。使用這些技術(shù)的方法可分為干法和濕法。
① 化學(xué)氣相沉積

圖 10. 化學(xué)氣相沉積

在化學(xué)氣相沉積中，前體氣體在反應(yīng)室中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生附著在晶片表面的薄膜和從反應(yīng)室中抽出的副產(chǎn)物。
等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積需要使用等離子體來(lái)產(chǎn)生反應(yīng)氣體。這種方法降低了反應(yīng)溫度，非常適合溫度敏感的結(jié)構(gòu)。此外，等離子體的使用還可以減少沉積次數(shù)，這通?？梢援a(chǎn)生更高質(zhì)量的薄膜。

② 原子層沉積

圖 11. 原子層沉積

原子層沉積通過(guò)一次僅沉積幾個(gè)原子層來(lái)形成薄膜。這種方法的關(guān)鍵是按照一定的順序循環(huán)獨(dú)立的步驟并保持良好的控制。在晶圓表面涂覆前驅(qū)體是第一步，之后引入不同的氣體與前驅(qū)體反應(yīng)，在晶圓表面形成所需的物質(zhì)。

③ 物理氣相沉積

圖 12. 物理氣相沉積

物理氣相沉積是指通過(guò)物理手段形成薄膜。濺射是一種物理氣相沉積方法。其原理是靶材的原子在氬等離子體的轟擊下被濺射出并沉積在晶片表面形成薄膜。
在某些情況下，沉積膜可以通過(guò)紫外線熱處理等技術(shù)進(jìn)行處理和改進(jìn)。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和非導(dǎo)體（即絕緣體）之間。這一特性使我們能夠完全控制電流。通過(guò)基于晶圓的光刻、蝕刻和沉積工藝，可以構(gòu)建晶體管等組件，但它們也需要連接以實(shí)現(xiàn)電源和信號(hào)的傳輸和接收。
金屬由于具有導(dǎo)電性而用于電路互連，需要滿足以下條件：
??低電阻：由于金屬電路需要通過(guò)電流，因此其中的金屬應(yīng)具有低電阻。
??熱化學(xué)穩(wěn)定性：在金屬互連過(guò)程中，金屬材料的特性必須保持不變。
??高可靠性：隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，即使是少量的金屬互連材料也必須具有足夠的耐用性。
??制造成本：即使?jié)M足前三個(gè)條件，成本高也不適合量產(chǎn)。
互連工藝主要使用兩種物質(zhì)，鋁（Al）和銅（Co）。

圖 13. Al 和 Co 互連過(guò)程

??Aluminum Interconnect Process
這個(gè)過(guò)程從鋁沉積、光刻膠應(yīng)用、曝光和顯影開始，在通過(guò)蝕刻技術(shù)進(jìn)入氧化過(guò)程之前去除任何多余的鋁和光刻膠。完成上述步驟后，重復(fù)上述步驟，直至互連完成。
鋁具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，也易于光刻、蝕刻和沉積。此外，它具有更低的成本和更好的對(duì)氧化膜的附著力。缺點(diǎn)是易腐蝕，熔點(diǎn)低。此外，為了防止鋁和硅反應(yīng)造成連接問(wèn)題，還需要添加金屬沉積物，將鋁與晶圓分離，稱為“阻擋金屬”。
鋁電路是通過(guò)沉積形成的。晶圓進(jìn)入真空狀態(tài)后，鋁顆粒形成的薄膜會(huì)附著在晶圓上。這個(gè)過(guò)程稱為“氣相沉積”，包括化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。

??銅互連工藝
隨著半導(dǎo)體工藝精度的提高和器件尺寸的縮小，鋁電路的連接速度和電氣特性逐漸無(wú)法滿足要求。出于這個(gè)原因，我們需要找到滿足尺寸和成本要求的新導(dǎo)體。由于其較低的電阻，因此可以實(shí)現(xiàn)更快的連接速度。更重要的是，銅更可靠，因?yàn)樗蠕X更能抵抗電遷移，這是當(dāng)電流流過(guò)金屬時(shí)發(fā)生的金屬離子移動(dòng)。
但是，銅不容易形成化合物，因此很難將其從晶片表面汽化和去除。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們不再刻蝕銅，而是刻蝕介質(zhì)材料，這樣就可以形成由溝槽和過(guò)孔組成的金屬電路圖形，然后在上述區(qū)域內(nèi)填充銅以幫助互連，稱為“鑲嵌工藝” .

圖 14. 銅互連屏障

隨著銅原子繼續(xù)擴(kuò)散到電介質(zhì)中，后者的絕緣性會(huì)降低并產(chǎn)生阻擋層，阻止銅原子繼續(xù)擴(kuò)散。然后將在阻擋層上形成非常薄的銅種子層。這一步之后就可以進(jìn)行電鍍了，即在高縱橫比的圖形上填充銅。填充后，多余的銅可以通過(guò)金屬化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 方法去除。完成后，可以沉積一層氧化膜，多余的膜可以通過(guò)光刻和蝕刻工藝去除。完整的整個(gè)過(guò)程需要不斷重復(fù)，直到完成銅互連。
從上面的對(duì)比可以看出，銅互連和鋁互連的區(qū)別在于，多余的銅是通過(guò)金屬CMP去除而不是蝕刻。

測(cè)試的主要目的是檢查半導(dǎo)體芯片的質(zhì)量是否符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，從而消除不良品，提高芯片的可靠性。此外，經(jīng)過(guò)測(cè)試和有缺陷的產(chǎn)品不會(huì)進(jìn)入包裝步驟，這有助于節(jié)省成本和時(shí)間。電子芯片分選 (EDS) 是一種晶圓測(cè)試方法。
EDS是一種用于檢查晶片狀態(tài)下每個(gè)芯片的電氣特性從而提高半導(dǎo)體成品率的工藝。EDS可以分為五個(gè)步驟，如下：

1）EPM

EPM 是半導(dǎo)體芯片測(cè)試的第一步。這一步將測(cè)試半導(dǎo)體集成電路需要使用的每一個(gè)器件（包括晶體管、電容器和二極管），以確保其電氣參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)得的電氣特性數(shù)據(jù)將用于提高半導(dǎo)體制造過(guò)程的效率和產(chǎn)品性能（而不是檢測(cè)缺陷產(chǎn)品）。
2) 晶圓老化測(cè)試
半導(dǎo)體缺陷率來(lái)自兩個(gè)方面，即制造缺陷率（早期較高）和之后整個(gè)生命周期的缺陷率。晶圓老化測(cè)試是指在一定的溫度和交直流電壓下對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)試，以便在早期發(fā)現(xiàn)哪些產(chǎn)品可能存在缺陷，即通過(guò)發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷來(lái)提高最終產(chǎn)品的可靠性。
3) 參數(shù)測(cè)試

4) 修復(fù)
修復(fù)是最重要的測(cè)試步驟，因?yàn)橐恍┯腥毕莸男酒强梢孕迯?fù)的，你只需要更換有缺陷的元件。
5) 墨水
電氣測(cè)試不合格的芯片在前面的步驟中已經(jīng)被整理出來(lái)了，但仍然需要進(jìn)行標(biāo)記以區(qū)分它們。過(guò)去，我們需要用特殊的墨水標(biāo)記有缺陷的芯片，以確保它們可以用肉眼識(shí)別。今天，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)值自動(dòng)對(duì)它們進(jìn)行排序。

在經(jīng)過(guò)前幾道工序加工的晶圓上，形成大小相等的方形芯片（也稱單片）。接下來(lái)要做的是通過(guò)切割獲得單個(gè)芯片。剛剛切割的芯片非常脆弱，無(wú)法交換電信號(hào)，需要單獨(dú)處理。這個(gè)過(guò)程就是封裝，包括在半導(dǎo)體芯片的外面形成一個(gè)保護(hù)殼，讓它們與外界交換電信號(hào)。整個(gè)封裝過(guò)程分為五個(gè)步驟，分別是晶圓鋸切、單晶圓貼附、互連、成型和封裝測(cè)試。
1) 晶圓鋸切
要從晶圓上切割出無(wú)數(shù)密密麻麻的芯片，首先要打磨晶圓的背面，直到其厚度能夠滿足封裝工藝的需要。研磨后，我們可以沿著晶圓上的劃線切割，直到半導(dǎo)體芯片分離。
晶圓鋸切技術(shù)分為三種：刀片切割、激光切割和等離子切割。刀片切割是指用金剛石刀片切割晶圓，容易產(chǎn)生摩擦熱和碎屑，從而損壞晶圓。
激光切割精度更高，可以輕松處理厚度薄或劃線間距小的晶圓。
等離子切割利用等離子蝕刻的原理，所以即使劃線間距很小，也可以應(yīng)用該技術(shù)。
2) 單晶圓貼裝
在所有芯片與晶圓分離后，我們需要將單個(gè)芯片（single chip）貼附到基板（引線框架）上?；宓淖饔檬潜Ｗo(hù)半導(dǎo)體芯片，讓它們與外部電路交換電信號(hào)。液體或固體膠帶粘合劑可用于貼附芯片。
3) 債券

圖 15. 綁定

將芯片貼在基板上后，我們還需要將兩者的接觸點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)交換。這一步可以使用兩種連接方法：使用細(xì)金屬線的引線鍵合和使用球形金或錫塊的倒裝芯片鍵合。引線鍵合是一種傳統(tǒng)方法，倒裝鍵合可以加快半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造。
4) 成型

圖 16. 成型

在完成半導(dǎo)體芯片的連接后，需要采用模壓工藝在芯片外部添加封裝，以保護(hù)半導(dǎo)體集成電路免受溫度和濕度等外部條件的影響。按照要求制作封裝模具后，我們將半導(dǎo)體芯片和環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）放入模具中并密封。密封芯片是其最終產(chǎn)品。
5) 包裝測(cè)試
具有最終形式的芯片必須通過(guò)最終缺陷測(cè)試。進(jìn)入最終測(cè)試的是完成的半導(dǎo)體芯片。它們將被放入測(cè)試設(shè)備中，設(shè)置電壓、溫度和濕度等不同條件進(jìn)行電氣、功能和速度測(cè)試。這些測(cè)試的結(jié)果可用于發(fā)現(xiàn)缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

關(guān)于半導(dǎo)體制造步驟的常見問(wèn)題

1. 什么是半導(dǎo)體，它是如何制造的？
半導(dǎo)體由結(jié)構(gòu)中具有自由電子的材料制成，可以輕松地在原子之間移動(dòng)，這有助于電流的流動(dòng)。...硅在其外軌道中有四個(gè)電子，這使得共價(jià)鍵形成晶格，從而形成晶體。

2. 制造半導(dǎo)體有多少步驟？
在半導(dǎo)體器件制造中，各種處理步驟分為四大類：沉積、去除、圖案化和電氣特性的修改。

3. 半導(dǎo)體是如何制造的？
在IC的制造過(guò)程中，在硅晶片的表面形成帶有晶體管等元件的電子電路。將形成布線、晶體管和其他組件的薄膜層沉積在晶片上（沉積）。薄膜涂有光刻膠。

4. 半導(dǎo)體加工屬于什么類型的操作？
在半導(dǎo)體器件制造中，各種處理步驟分為四大類：沉積、去除、圖案化和電氣特性的修改。沉積是生長(zhǎng)、涂覆或以其他方式將材料轉(zhuǎn)移到晶片上的任何過(guò)程。

5. 半導(dǎo)體制造中使用哪些化學(xué)品？
半導(dǎo)體化學(xué)主要圍繞溶劑的化學(xué)處理和半導(dǎo)體的酸堿攻擊而組織。溶劑化學(xué)：此階段使用的主要化學(xué)品是三氯乙烯、丙酮、異丙醇以及其他醇類，如變性乙醇。