解鎖半導(dǎo)體工藝：硅片晶圓制造與氧化工藝全覽

硅片晶圓制造

1. 怎么理解硅片，拋光片，退火片，外延片，晶圓，芯片，IC/集成電路，分立器件/單管，模塊？

集成電路產(chǎn)業(yè)中所用的半導(dǎo)體材料包括硅，鍺，砷化鎵，磷化銦，碳化硅，氮化鎵等等，由于硅的儲(chǔ)量極其豐富，而且提純，加工工藝非常成熟，氧化硅/SiO2的絕緣性非常好等特點(diǎn)，以硅為材料制造的硅晶圓占據(jù)全球99%以上的半導(dǎo)體晶圓市場。

硅晶圓的制造過程：

硅石（通過還原）-->金屬硅（通過提純）-->多晶硅（通過在坩堝中加熱熔融）-->熔融硅（通過直拉法長晶）-->單晶硅棒(通過線刀切割）-->硅片（通過化學(xué)機(jī)械研磨）-->拋光片(通過熱處理）-->退火片(通過外延生長）-->外延片（通過多種工藝配合）-->制造各種集成電路或者分立器件

硅片： 把單晶硅棒去頭去尾，留取硅棒中間部分的硅坯，再以切割加工得到的硅圓片。

拋光片：把切好的硅圓片經(jīng)過倒角，研磨使其成為單面或者雙面成為鏡面狀態(tài)。

退火片：對于部分硅圓片在拋光后還要放入擴(kuò)散爐中進(jìn)行熱處理，確保硅片表面成為無缺陷層，即為退火片。

外延片：在單晶襯底上使生長出晶相和襯底一樣單晶薄膜。外延層可以是同質(zhì)外延，也可以是異質(zhì)外延。

圖一

晶圓：通常切割完的硅片稱為裸晶圓，把進(jìn)一步在硅片上完成各種電路制作工藝后的硅片稱為晶圓。

芯片：在終端應(yīng)用市場通常把集成電路/IC稱為芯片，但在半導(dǎo)體生成過程中，芯片通常指從晶圓上切下來的一顆顆獨(dú)立的Die/裸片。

半導(dǎo)體分立器件：指不需要與其他器件集成在一起，單個(gè)器件作為實(shí)體存在執(zhí)行特定的功能，例如包括但不限于：二極管，三極管，晶閘管，MOSFET,IGBT。

集成電路/IC：把大量的微型電子元器件集成在一個(gè)硅片上，以處理和儲(chǔ)存各種功能的電子部件的電子器件。

模塊：把多個(gè)元器件通過載板或者電路板連接在一起的電路單元。功率模塊通常是把多個(gè)功率器件通過載板集成在一個(gè)封裝內(nèi)的電路單元，而一些小信號/小功率模塊可能沒有密封的外殼。

2. 硅晶圓制造

圖二：晶圓硅片的制造

1. 制造硅錠；2. 硅錠切割；3. 晶圓表面拋光；4.  拋光后的晶圓

• 晶圓制造的三個(gè)階段：

第一階段   制造錠（Ingot)

為了將從沙子中提取的硅作為半導(dǎo)體材料使用，首先需要經(jīng)過預(yù)處理，還原反應(yīng)，提高純度等工序得到多晶硅。將多晶硅原料在坩堝中高溫熔融，制造高純度的硅溶液，在特定的物料和化學(xué)條件下使其結(jié)晶凝固。這樣形成的硅柱叫做錠(Ingot)

目前單晶硅生長的主要方法有直拉法和區(qū)熔法。

圖三 直拉法制備單晶硅

圖四  區(qū)熔法制備單晶硅

第二階段   硅片切割（Wafer Slicing）

通過單晶生長工藝得到的單晶硅錠，需要去頭去尾，留區(qū)硅錠的中間段的若干個(gè)硅坯，把硅坯的外圍按所需直徑尺寸做研削加工，(常見的有6英寸，8英寸，12英寸），并在硅坯周邊切出Plat或notch的標(biāo)志。再通過金剛石切割或者線切割（對于12寸晶圓，大多采用線切割），將硅坯切成厚度均勻的薄硅片。

第三階段   硅片表面拋光/（Lapping&Polishing）

切好后的硅片經(jīng)過倒角后，需要再進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨/CMP，使其單面或者雙面像鏡子一樣光滑，稱為裸晶圓（BareWafer）

圖五：Fab廠加工前的裸晶圓硅片和加工后的晶圓

• 晶圓片的相關(guān)名詞

圖六：晶圓的不同部位

1. 晶圓，2.晶粒，3.分割線，4.平坦區(qū)，5.凹槽

① 晶圓（Wafer)：晶圓是半導(dǎo)體集成電路的核心材料，是一種圓形的薄片。在半導(dǎo)體制造過程中，半導(dǎo)體硅片通常被切割成圓形，稱為硅晶圓。

② 晶粒（Die)：很多四邊形都聚集在圓形晶圓上。這些四邊形都是集成電子電路的IC芯片。

③ 分割線（ScribeLine)：看上去各個(gè)晶粒像是粘在一起，但實(shí)際上晶粒和晶粒之間具有一定的間隙。該間距稱為分割線。在晶粒和晶粒之間設(shè)置分割線的是為了在晶圓加工完成后將這些晶粒一個(gè)個(gè)割斷，然后組裝成芯片，也是為了留出用金剛石鋸切割的空間。

④ 平坦區(qū)（FlatZone)：平坦區(qū)是為區(qū)分晶圓結(jié)構(gòu)而創(chuàng)建的區(qū)域，是晶圓加工的標(biāo)準(zhǔn)線。由于晶圓的晶體結(jié)構(gòu)非常精細(xì)并且無法用肉眼判斷，因此以這個(gè)平坦區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)來判斷晶圓的垂直和水平。

③ 凹槽（Notch)：如今8寸，12寸也出現(xiàn)了具有凹槽的晶圓。和平坦區(qū)晶圓相比，凹槽晶圓可以制造更多的晶粒，因此利用率更高。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)包括生產(chǎn)硅片襯底的晶圓產(chǎn)業(yè)，以及以晶圓襯底為材料設(shè)計(jì)和制造的晶圓加工產(chǎn)業(yè)---制造行業(yè)，就是我們通常所指的晶圓廠，F(xiàn)ab廠/（Fabrication，F(xiàn)AB）。另外，還有封裝測試產(chǎn)業(yè)，它將加工過的晶圓切割成晶粒/單顆裸片，并封裝好以防止受潮和受到外部環(huán)境應(yīng)力。

下面為不同的晶圓定位邊標(biāo)識(shí)圖：

圖七：Flat Type和Notch Type

圖八：主副定位邊圖

1. 半導(dǎo)體制程工藝分段概覽

如圖九，我們?nèi)粘Ｒ姷降碾娐钒?PCBA， 它的基本結(jié)構(gòu)是把MOSFET, 三極管，電阻，電容等元器件固定在印刷電路板上，再通過焊接把元器件和電路板上的銅皮走線連接起來，實(shí)現(xiàn)電路功能。印刷電路板通常有單面板，雙面板，多層板。

圖九 PCBA

與以上PCBA類似，集成電路就是首先在晶圓上制作包含不同的元器件(二極管，三極管，MOSFET,電阻，電容）區(qū)域，再在元器件區(qū)域?qū)由厦姣B加制作不同的金屬布線層，通過過孔和金屬布線來連接下層元器件區(qū)域的不同元器件（MOSFET, 三極管，等等），像蘋果的手機(jī)芯片A17 Pro里面就集成了190億個(gè)晶體管。

圖十  半導(dǎo)體制程工藝分段

半導(dǎo)體工藝分段：

在半導(dǎo)體制程工藝中，制造電子元器件區(qū)域的過程稱為“前端工藝/前道工藝”，制造若干金屬布線層并且通過硅通孔來連接多達(dá)數(shù)十億甚至百億晶體管的過程，我們稱為“后端工藝/后道工藝”。前端工藝和后端工藝加起來，我們稱之為前段制程，而把完成前段制程的晶圓再進(jìn)行減薄，背面金屬化，劃片，封裝，測試的環(huán)節(jié)稱為后段制程。通常前段制程在Fab廠完成，后段制程在封測廠完成。如圖十一。

圖十一 半導(dǎo)體制程工藝

在前段制程中，通常會(huì)根據(jù)每個(gè)環(huán)節(jié)的工藝目的不同，而選擇不同的設(shè)備和工藝組合來生成。前段制程基本上由清洗，光刻，離子注入，氧化/擴(kuò)散/熱處理，成膜，刻蝕，平坦化這幾種工藝的不同組合的多次循環(huán)來實(shí)現(xiàn)工藝目的。如圖十二。

圖十二  循環(huán)型前段制程流程

2. 氧化工藝

所有工藝最基礎(chǔ)的階段就是氧化工藝。氧化工藝就是將硅片放置于氧氣或水汽等氧化劑的氛圍中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚?00~1200℃），在硅片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化膜(SiO2薄膜)的過程。

SiO2薄膜因?yàn)槠渚哂杏捕雀撸埸c(diǎn)高，化學(xué)穩(wěn)定性好，絕緣性好，熱膨脹系數(shù)小，以及工藝的可行性等特點(diǎn)，在半導(dǎo)體制造工藝中被廣泛采用。

氧化硅的作用：

1.器件保護(hù)和隔離，表面鈍化。SiO2具有堅(jiān)硬和致密性好的特點(diǎn)，可以保護(hù)硅片，避免在制造過程中受到劃傷和損害。

2.柵氧電介質(zhì)。SiO2具有較高的電介質(zhì)強(qiáng)度和較高的電阻率，穩(wěn)定性好，可作為MOS技術(shù)柵氧結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料。

3.摻雜阻擋。SiO2可作為擴(kuò)散，離子注入，刻蝕工藝中的掩膜阻擋層。

4.墊氧層。減小氮化硅與硅之間的應(yīng)力。

5.注入緩沖層。減小離子注入損傷及溝道效應(yīng)。

6.層間介質(zhì)。用于導(dǎo)電金屬層之間的絕緣（用CVD方法生成）

熱氧化的分類和原理：

根據(jù)氧化反應(yīng)所使用的氣體，熱氧化法可分為干氧化（Dry Oxidation）和濕氧化（WetOxidation)。

干氧氧化：Si+O2-->SiO2

濕氧氧化：Si+ H2O + O2-->SiO2 + H2

水汽氧化（濕氧）：Si + H2O -->SiO2 + H2

干氧化只使用純氧氣（O2)，所以氧化膜的生長速度較慢，主要用于形成薄膜，且可形成具有良好導(dǎo)電性的氧化物。濕氧化同時(shí)使用氧氣（O2）和高溶解性的水蒸氣（H2O)。所以，氧化膜生長速度快，會(huì)形成較厚的膜。但與干氧化相比，濕氧化形成的氧化層密度低。通常，在相同溫度和時(shí)間下，通過濕氧化獲得的氧化膜比使用干氧化獲得的氧化膜要厚大約5至10倍。

圖十三  三種熱氧化層的質(zhì)量比較

圖十四  氧化系統(tǒng)