帶流程圖的半導體制造步驟

每個半導體元件產品的制造都需要數百道工序。經過整理，整個制造過程分為八個步驟：晶圓加工、氧化、照相、蝕刻、薄膜沉積、互連、測試、封裝

圖 1. 半導體零件制造過程

目錄

很少有人知道，所有的半導體工藝都是從一粒沙子開始的。因為沙子中所含的硅是生產晶圓所需的原材料。晶片是通過切割由硅（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程。

半導體生產工藝說明

①鑄錠
首先需要加熱砂以分離一氧化碳和硅，重復該過程，直到獲得超高純電子級硅（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”，這是半導體制造的第一步。硅錠（硅柱）的制造精度非常高，達到納米級。
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。錠片的直徑決定了晶片的尺寸。更大更薄的晶圓可以分成更多的單元，這有助于降低生產成本。切割硅錠后，需要在切片上加上“平坦區域”或“縮進”標記，以便在后續步驟中以此為標準來設定加工方向。
③ 晶圓表面拋光
通過上述切割過程獲得的薄片稱為“模具”，即未加工的“原始晶圓”。模具表面凹凸不平，無法直接在上面印刷電路圖案。因此，必須先通過研磨和化學蝕刻工藝去除表面缺陷，然后通過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膜。它可以保護晶圓免受化學雜質的影響，防止漏電流進入電路，離子注入時擴散，以及蝕刻時晶圓滑落。

圖 2. 氧化

氧化過程的第一步是通過四個步驟去除雜質和污染物，如有機物、金屬和蒸發殘留水分。清洗完成后，可將晶圓置于800~1200攝氏度的高溫環境中，通過氧氣或蒸汽的流動在晶圓表面形成一層二氧化硅。氧氣通過氧化層擴散并與硅反應形成不同厚度的氧化層，氧化完成后可對其進行測量。

??干式氧化和濕式氧化法

根據氧化反應中氧化劑的不同，熱氧化過程可分為干氧化和濕氧化。前者用純氧產生二氧化硅層，速度慢但氧化層薄而致密。后者需要氧氣和高溶解度。水蒸氣的特點是生長速度快，但保護層比較厚，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，晶圓結構、表面缺陷和內部摻雜濃度都會影響氧化層的形成速度。此外，氧化設備產生的壓力和溫度越高，氧化層形成的速度就越快。在氧化過程中，還需要根據晶片在單元中的位置使用偽晶片來保護晶片，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體零件。電路圖案的精細度越高，產品芯片的集成度就越高，這只能通過先進的光掩模技術來實現。具體可分為光刻膠涂布、曝光、顯影三個步驟。
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性質，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。此外，這一步可以使用“旋涂”方法。

圖 4. 涂覆光刻膠

根據紫外光反應性的不同，光刻膠可分為正膠和負膠兩種。前者受光后會分解消失，留下未受光部分的圖案，而后者受光后會聚合，讓受光部分的圖案出現。

② 曝光
在晶圓上覆蓋光刻膠膜后，可以通過控制光線照射來印刷電路。這個過程稱為“曝光”。我們可以選擇性地讓光線通過曝光設備。當光線穿過包含電路圖案的掩模時，電路可以印刷在下面涂有光刻膠膜的晶片上。

圖 5. 曝光

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

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域的光刻膠，使印刷電路圖形顯露出來。開發完成后，需要通過各種測量設備和光學顯微鏡進行檢查，以確保電路圖的繪制質量。

在晶片上完成電路圖的光刻后，通過蝕刻工藝去除多余的氧化膜，只留下半導體電路圖。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，使用特定的化學溶液進行化學反應以去除氧化膜，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

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

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，因此其精細度必須超過化學蝕刻。但是這種方法的缺點是蝕刻速度慢，因為它完全依賴于離子碰撞引起的物理反應。

圖 7. 物理濺射

該第三方法是反應性離子蝕刻（RIE）。它結合了前兩種方法，即在使用等離子體進行電離物理蝕刻的同時，利用等離子體活化后產生的自由基進行化學蝕刻。除了蝕刻速度超過前兩種方法外，RIE還可以利用離子各向異性的特性來實現高清圖案蝕刻。

圖 8. 反應離子蝕刻 (RIE)

現在干法刻蝕已被廣泛用于提高精細半導體電路的良率。保持全晶圓蝕刻的均勻性和提高蝕刻速度至關重要。當今最先進的干法刻蝕設備正在支撐著最先進的更高性能的邏輯和存儲芯片的生產。

為了在芯片內部制造微型器件，我們需要不斷地沉積薄膜層并通過蝕刻去除多余的部分，并添加一些材料來分隔不同的器件。每個晶體管或存儲單元都是通過上述過程逐步構建的。我們這里所說的“薄膜”是指厚度小于1微米（μm，百萬分之一米），不能用普通機械加工方法制造的“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程是“沉積”。

圖 9. 沉積

要形成多層半導體結構，我們需要先制作器件堆疊，即在晶圓表面交替堆疊多個薄金屬（導電）膜和介電（絕緣）膜，然后重復蝕刻過程以去除多余的部分，形成三維結構。可用于沉積工藝的技術包括化學氣相沉積 ( CVD )、原子層沉積 ( ALD ) 和物理氣相沉積 ( PVD )。使用這些技術的方法可分為干法和濕法。
① 化學氣相沉積

圖 10. 化學氣相沉積

在化學氣相沉積中，前體氣體在反應室中發生化學反應并產生附著在晶片表面的薄膜和從反應室中抽出的副產物。
等離子體增強化學氣相沉積需要使用等離子體來產生反應氣體。這種方法降低了反應溫度，非常適合溫度敏感的結構。此外，等離子體的使用還可以減少沉積次數，這通常可以產生更高質量的薄膜。

② 原子層沉積

圖 11. 原子層沉積

原子層沉積通過一次僅沉積幾個原子層來形成薄膜。這種方法的關鍵是按照一定的順序循環獨立的步驟并保持良好的控制。在晶圓表面涂覆前驅體是第一步，之后引入不同的氣體與前驅體反應，在晶圓表面形成所需的物質。

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，沉積膜可以通過紫外線熱處理等技術進行處理和改進。

半導體的導電性介于導體和非導體（即絕緣體）之間。這一特性使我們能夠完全控制電流。通過基于晶圓的光刻、蝕刻和沉積工藝，可以構建晶體管等組件，但它們也需要連接以實現電源和信號的傳輸和接收。
金屬由于具有導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電流，因此其中的金屬應具有低電阻。
??熱化學穩定性：在金屬互連過程中，金屬材料的特性必須保持不變。
??高可靠性：隨著集成電路技術的發展，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：即使滿足前三個條件，成本高也不適合量產。
互連工藝主要使用兩種物質，鋁（Al）和銅（Co）。

圖 13. Al 和 Co 互連過程

??Aluminum Interconnect Process
這個過程從鋁沉積、光刻膠應用、曝光和顯影開始，在通過蝕刻技術進入氧化過程之前去除任何多余的鋁和光刻膠。完成上述步驟后，重復上述步驟，直至互連完成。
鋁具有優異的導電性，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氧化膜的附著力。缺點是易腐蝕，熔點低。此外，為了防止鋁和硅反應造成連接問題，還需要添加金屬沉積物，將鋁與晶圓分離，稱為“阻擋金屬”。
鋁電路是通過沉積形成的。晶圓進入真空狀態后，鋁顆粒形成的薄膜會附著在晶圓上。這個過程稱為“氣相沉積”，包括化學氣相沉積和物理氣相沉積。

??銅互連工藝
隨著半導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法滿足要求。出于這個原因，我們需要找到滿足尺寸和成本要求的新導體。由于其較低的電阻，因此可以實現更快的連接速度。更重要的是，銅更可靠，因為它比鋁更能抵抗電遷移，這是當電流流過金屬時發生的金屬離子移動。
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。為了解決這個問題，我們不再刻蝕銅，而是刻蝕介質材料，這樣就可以形成由溝槽和過孔組成的金屬電路圖形，然后在上述區域內填充銅以幫助互連，稱為“鑲嵌工藝” .

圖 14. 銅互連屏障

隨著銅原子繼續擴散到電介質中，后者的絕緣性會降低并產生阻擋層，阻止銅原子繼續擴散。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，多余的銅可以通過金屬化學機械拋光 (CMP) 方法去除。完成后，可以沉積一層氧化膜，多余的膜可以通過光刻和蝕刻工藝去除。完整的整個過程需要不斷重復，直到完成銅互連。
從上面的對比可以看出，銅互連和鋁互連的區別在于，多余的銅是通過金屬CMP去除而不是蝕刻。

測試的主要目的是檢查半導體芯片的質量是否符合一定的標準，從而消除不良品，提高芯片的可靠性。此外，經過測試和有缺陷的產品不會進入包裝步驟，這有助于節省成本和時間。電子芯片分選 (EDS) 是一種晶圓測試方法。
EDS是一種用于檢查晶片狀態下每個芯片的電氣特性從而提高半導體成品率的工藝。EDS可以分為五個步驟，如下：

1）EPM

EPM 是半導體芯片測試的第一步。這一步將測試半導體集成電路需要使用的每一個器件（包括晶體管、電容器和二極管），以確保其電氣參數符合標準。測得的電氣特性數據將用于提高半導體制造過程的效率和產品性能（而不是檢測缺陷產品）。
2) 晶圓老化測試
半導體缺陷率來自兩個方面，即制造缺陷率（早期較高）和之后整個生命周期的缺陷率。晶圓老化測試是指在一定的溫度和交直流電壓下對晶圓進行測試，以便在早期發現哪些產品可能存在缺陷，即通過發現潛在的缺陷來提高最終產品的可靠性。
3) 參數測試

4) 修復
修復是最重要的測試步驟，因為一些有缺陷的芯片是可以修復的，你只需要更換有缺陷的元件。
5) 墨水
電氣測試不合格的芯片在前面的步驟中已經被整理出來了，但仍然需要進行標記以區分它們。過去，我們需要用特殊的墨水標記有缺陷的芯片，以確保它們可以用肉眼識別。今天，系統會根據測試數據值自動對它們進行排序。

在經過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）。接下來要做的是通過切割獲得單個芯片。剛剛切割的芯片非常脆弱，無法交換電信號，需要單獨處理。這個過程就是封裝，包括在半導體芯片的外面形成一個保護殼，讓它們與外界交換電信號。整個封裝過程分為五個步驟，分別是晶圓鋸切、單晶圓貼附、互連、成型和封裝測試。
1) 晶圓鋸切
要從晶圓上切割出無數密密麻麻的芯片，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，直到半導體芯片分離。
晶圓鋸切技術分為三種：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，也可以應用該技術。
2) 單晶圓貼裝
在所有芯片與晶圓分離后，我們需要將單個芯片（single chip）貼附到基板（引線框架）上。基板的作用是保護半導體芯片，讓它們與外部電路交換電信號。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連接起來，實現電信號交換。這一步可以使用兩種連接方法：使用細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方法，倒裝鍵合可以加快半導體產品的制造。
4) 成型

圖 16. 成型

在完成半導體芯片的連接后，需要采用模壓工藝在芯片外部添加封裝，以保護半導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，我們將半導體芯片和環氧樹脂模塑料（EMC）放入模具中并密封。密封芯片是其最終產品。
5) 包裝測試
具有最終形式的芯片必須通過最終缺陷測試。進入最終測試的是完成的半導體芯片。它們將被放入測試設備中，設置電壓、溫度和濕度等不同條件進行電氣、功能和速度測試。這些測試的結果可用于發現缺陷，提高產品質量和生產效率。

關于半導體制造步驟的常見問題

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

2. 制造半導體有多少步驟？
在半導體器件制造中，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. 半導體是如何制造的？
在IC的制造過程中，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. 半導體加工屬于什么類型的操作？
在半導體器件制造中，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、涂覆或以其他方式將材料轉移到晶片上的任何過程。

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