半导体晶圆制造流程介绍

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文介绍了半导体集成电路制造中的晶圆制备、晶圆制造和晶圆测试三个关键环节。

半导体集成电路制造中晶圆制造，可以分为五大制造阶段：

本文针对前三个步骤进行介绍，分述如下：

晶圆制备

晶圆制造

晶圆测试

晶圆制备

在晶圆制造中，其演变趋势是尺寸不断增大，其带来的影响如下：

生产效率：增大晶圆尺寸可以显著提高生产效率。同样一台加工设备，在处理大尺寸晶圆时，由于每片晶圆上能容纳的芯片数量显著增加，因此单位时间内可以生产的芯片总量也随之增加。

生产成本：增大晶圆尺寸可以降低生产成本。大尺寸晶圆减少了晶圆之间的切割损耗，进一步提升了材料利用率，同时降低了单颗芯片的平均生产成本。

芯片设计：大尺寸晶圆为芯片设计提供了更大的空间，使得设计师能够在单片晶圆上实现更复杂、更高效的电路设计。

工艺复杂性：晶圆尺寸增大也增加了制造工艺的复杂性。例如，对单晶硅生长的均匀性要求更高，拉制大尺寸单晶硅棒时需精确控制温度、旋转速度等参数。

设备投资：大尺寸晶圆的生产线需专用设备，如EUV光刻机单台成本超1亿美元，且配套的沉积、蚀刻设备价格不菲。

晶圆制造

晶圆制造是半导体集成电路制造的核心环节，它按照一定的工艺流程，通过反复多次对晶圆进行清洗、薄膜制备、光刻图形、刻蚀及掺杂等加工工艺，最终在晶圆上完成集成电路的芯片制造。

晶圆制造厂房内通常会根据各单项工艺模块划分不同的区域，以确保生产流程的顺畅和高效。

光刻区：将设计好的电路图案转移到晶圆表面。通过光刻胶和掩模版进行曝光、显影和刻蚀等步骤。光刻胶在紫外光照射下发生化学反应，形成与掩模版图案相对应的图形。然后，通过刻蚀去除未被光刻胶保护的区域，形成所需的电路结构。随着器件特征尺寸的减小，光刻机所用的光源波长向深紫外方向转移，以提高光刻精度。现在，光刻间照明多用黄光，因此光刻间有时也被称为黄房区。

刻蚀区：去除晶圆表面材料，形成特定图形。包括湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀使用化学溶液去除材料，而干法刻蚀则通过等离子体或反应离子束等物理或化学方法去除材料。早期主要是湿法刻蚀，刻蚀通常和清洗在一个区域。但随着器件特征尺寸的减小，各向异性的干法刻蚀用得更多。干法刻蚀具有更好的侧壁控制和关键尺寸控制能力，能够满足更精细的电路结构需求。

离子注入区：调整晶圆表面的电特性，形成所需的掺杂层。使用离子注入机将加速的掺杂原子离子束轰击晶圆表面，将杂质原子注入到晶圆内部。注入后的晶圆通常需要进行退火处理，以修复损伤并激活掺杂原子。早期对半导体掺杂主要是采取高温炉扩散工艺。但随着器件特征尺寸的减小，对PN结结深和杂质浓度在硅中分布的形貌要求提高，离子注入技术逐渐成为主流的掺杂方法。离子注入技术具有掺杂浓度高、均匀性好、可控性强等优点。

薄膜区：在晶圆表面形成各种薄膜，如绝缘层、半导体层或导体层。包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等方法。CVD通过热分解或化学反应将气体化合物沉积在衬底上；PVD则通过物理过程如蒸发或溅射将材料沉积到衬底上。薄膜制备在晶圆制造中应用广泛。例如，SiO?薄膜常作为绝缘层使用，多晶硅薄膜用于制作晶体管栅极等。

扩散区：虽然现代晶圆制造中高温炉扩散工艺几乎不再使用，但扩散区这一名称仍被沿用。现在，该区域主要用于热生长氧化硅膜、传统的热退火和快速热退火（RTA）等工艺。随着器件特征尺寸的减小和工艺要求的提高，扩散区的工作内容也发生了变化。现在，该区域更注重于氧化硅膜的质量和退火工艺的效率。

金属化区：在晶圆表面形成金属互连层，以便将各个器件连接起来形成完整的电路。包括铝金属化工艺和铜金属化的大马士革工艺等。铝金属化工艺需要电子束淀积铝、磁控溅射铝以及铝的干法刻蚀工艺；而铜金属化的大马士革工艺则通过填充铜到预先刻蚀好的沟槽中形成互连层。随着器件特征尺寸的减小和工艺要求的提高，铜金属化的大马士革工艺逐渐成为主流的金属化方法。该工艺能够避免铜对下面器件部分的沾污，提高电路的性能和可靠性。

外延区：在硅衬底上生长一层单晶硅薄膜（同质外延）或在硅衬底上生长其他材料的薄膜（异质外延），以满足特定器件的需求。包括气相外延（VPE）等方法。通过化学反应在晶圆表面沉积一层新的单晶硅层或其他材料的薄膜。外延工艺在高性能集成电路和特殊器件制造中有广泛应用。例如，外延层可以用于制作高速度的晶体管、低功耗的器件等。

为了进一步提高光刻精度和效率，出现了极紫外光刻（EUVL）技术；为了改善刻蚀工艺的性能和效率，出现了原子层刻蚀（ALE）技术等。这些新技术的应用使得晶圆制造过程更加精细、高效和可靠。

晶圆测试

晶圆测试是半导体制造过程中的关键环节，它旨在确保每个芯片在封装前都符合设计规格和功能要求。晶圆测试包括在晶圆制造工艺过程中的各种在线检查、测量，以及在芯片制造完成后用探针卡（Probe Card）对集成电路芯片进行的功能和性能测试。以下是晶圆测试阶段的详细分述：

在线检查与测量

目的：在晶圆制造工艺过程中进行实时检查，确保工艺参数符合标准，及时发现并纠正工艺偏差。同时，对晶圆的各种物理参数进行精确测量，如直径、平整度、厚度等，以确保晶圆的质量符合标准要求。

方法：利用光学或其他对准技术，将晶圆上的测试点与探针卡精确对齐，进行实时检查。同时，使用先进的测量仪器和设备，如激光干涉仪、原子力显微镜等，对晶圆进行非接触式测量。

应用：在线检查广泛应用于晶圆制造过程中的各个工艺模块，如光刻、刻蚀、掺杂等，以确保工艺质量和生产效率。测量则用于确保晶圆的质量符合标准要求，为工艺优化提供数据支持。

探针卡测试

目的：对晶圆上的每个芯片进行电气性能测试，筛选出合格的芯片进行后续封装。

方法：使用探针卡探测每一个裸芯片的电气接触点，进行功能性测试。探针卡上的探针与芯片上的焊点或者凸起直接接触，导出芯片信号，再配合相关测试仪器与软件控制实现自动化量测。

技术细节：探针卡是晶圆功能验证测试的关键工具，通常由探针、电子元件、线材与印刷电路板（PCB）组成。探针卡上的探针细如毛发，能够精确地与晶粒上的接点（pad）接触。

技术演变：随着器件特征尺寸的减小和工艺要求的提高，探针卡测试技术也在不断发展。例如，出现了飞针测试技术，它能够直接接触探针卡连接器引脚，在PCB和陶瓷板之间进行完整的连续性测试，无需用特定应用的接口板或固定装置。

故障芯片标记方法

目的：在检测出缺陷芯片后，将其标记为不合格，以便在后续的晶圆切割和封装过程中排除。

方法：早期是将测试出有故障的芯片打个墨水点，以备封装时将其剔除。现在多用测试的计算机将有故障的芯片在晶圆位图上记录下其位置。

技术演变：随着自动化和信息化技术的发展，故障芯片标记方法也在不断改进。现在，计算机记录的晶圆位图可以更加精确地定位故障芯片，提高生产效率和产品质量。

测试方法的演变对生产效率和产品质量的影响：

生产效率：自动化测试，随着自动化测试技术的发展，晶圆测试过程变得更加高效和可靠。自动化测试能够减少人工干预，提高测试速度和准确性，从而提高生产效率；智能化测试，随着人工智能技术的发展，开始探索如何利用机器学习算法来改进测试过程。例如，使用AI来识别UI元素变化，自动调整测试脚本；或者通过机器学习模型来预测哪些部分的代码更有可能包含缺陷。智能化测试能够进一步提高测试效率和准确性，降低测试成本。

产品质量：早期缺陷检测，通过在线检查和探针卡测试等技术，能够在晶圆制造过程中早期发现缺陷芯片，避免其进入后续封装和测试流程，从而提高产品质量；精确故障定位，随着故障芯片标记方法的改进，能够更精确地定位故障芯片，避免误判和漏判，进一步提高产品质量。

晶圆测试阶段的这些技术和方法不仅确保了芯片的质量和性能，还通过提高生产效率和降低测试成本，为半导体制造行业带来了显著的经济效益。