半导体的制造工艺及流程

何为半导体？

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半导体的定义

我们可以根据材料导电性的强弱将材料分为三类：导体，绝缘体和半导体。

导体 ：电导率大于10^3^S/cm的材料，如金，银，铜

半导体 ：电导率介于两者之间的材料，如硅，锗，硼

绝缘体 ：电导率小于10^-8^S/cm的材料，如玻璃，塑料

也可以采用量子力学中的能带理论对其分析。从下图可以发现绝缘体的禁带宽度约在9eV，半导体的禁带宽度在1eV，导体的导带和价带基本上重叠。

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半导体的分类

根据半导体的组成我们还可以将其分为：

元素半导体 ：如锗，硅等，现在说的半导体主要指的是硅，也就是我们日常生活中的沙子

化合物半导体 ：由两种或两种以上的元素化合而成的半导体，如砷化镓等

无定形半导体 ：用作半导体的玻璃是一种非晶无定形的半导体材料，分为氧化和非氧化两种

在半导体工业中我们主要采用的是元素半导体来制备芯片，我们平时使用的半导体芯片实际上就是超大规模的集成电路。

技术要求

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超净技术

即要求严格控制工作环境中的尘埃，做到无污染生产。目前的尘埃颗粒直径已能控制在纳米级别。例如0.25工艺下，1立方米空气中直径大于0.1微米的尘埃不能超过100个。

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超高纯度

要求制造过程中所用的材料，气体和试剂等必须是超纯的。目前能控制的有害杂质含量可以做到PPB（十亿分之一）以下。

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超微细加工技术

通常把最小线宽为微米级或亚微米级的加工技术统称为微细加工技术，主要包括晶体生长和薄层生成技术，微细图形加工技术，精密控制掺杂技术等。决定集成电路集成度的主要因素是由这些技术水平所决定的基片材料的直径大小和每个元件所具有的微小尺寸。

FEOL-前道工艺

半导体制造工艺分为前道工艺和后道工艺。其中前道工艺最为重要，且技术难点多，操作复杂，是整个半导体制造流程的核心。接下来我们来依次介绍前道中有哪些重要的工艺和技术。

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晶圆加工

所有半导体工艺都始于一粒沙子。在制备芯片之前我们需要先制备出合格的晶圆。想要获得高质量的晶圆我们首先要提取高纯度的单晶硅棒，这里就需要用到二氧化硅含量高达95%以上的硅砂。制备晶圆有以下三个步骤：

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铸锭

将硅砂加热，去除其中的杂质，通过溶解，提纯，蒸馏等一系列操作获得高纯度的电子级硅。通过提拉法将熔融的高纯度的单晶硅凝固成棒状的铸锭。

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锭切割

铸锭完成后用金刚石锯切掉铸锭的两端，然后再将其切割成一定厚度的薄片。锭薄片的直径决定了晶圆的尺寸。

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晶圆表面抛光

通过切片获得的薄片我们称为“Wafer”。这样的晶圆不能直接使用还需要对其表面进行研磨和化学刻蚀来去除瑕疵。最后通过抛光和清洗使得晶圆表面变得光洁，完整。

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氧化工艺

氧化过程的作用是在晶圆表面形成保护膜。它可以保护晶圆不受化学杂质影响，避免漏电流进入电路，预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时的滑脱。氧化工艺可以分为两步:

第一步：氧化过程的第一步是去除杂质和污染物。需要通过四步去除有机物，金属等杂质以及蒸发残留的水分。

第二步：清洁完成后就可以将晶圆置于800至1200℃的高温环境下，通过氧气或者蒸汽在晶圆表面流动形成二氧化硅（即为氧化物）层。通过这种方法制备的氧化层非常的薄，可以做到纳米级别。

其中第一步中的去除有机物和金属杂质这一步可以细分为四步：去分子型杂质→去离子型杂质→去原子型杂质→高纯水清洗。

根据氧化反应中氧化剂的不同，热氧化过程可分为干法氧化和湿法氧化，前者使用纯氧产生二氧化硅层，速度慢但是氧化层薄而致密，后者需同时使用氧气和高溶解度的水蒸气，其特点是生长速度快但保护层相对较厚且密度较低。

除氧化剂以外，还有其他变量会影响到二氧化硅层的厚度。首先，晶圆结构及其表面缺陷和内部掺杂浓度都会影响氧化层的生成速率。此外，氧化设备的压力和温度越高，氧化层的生成就越快。在氧化过程，还需要根据单元中晶圆的位置使用假片，以保护晶圆并减小氧化度的差异。

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四大制程

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光刻

光刻工艺是四大制程之一，它可以通过以下三步来实现：

① 涂覆光刻胶

采用旋涂法在晶圆表面涂覆一层光刻胶，涂覆越均匀，可以印刷的图形就越精细。根据光（紫外线）反应性的区别，光刻胶可分为两种：正胶和负胶，前者在受光后会分解并且消失，从而留下未受光区域的图形，而后者在受到光后会聚合并让受光部分的图形显现。

② 曝光

在曝光前其实还需要进行软烘烤和对齐。软烘烤是为了去除多余的光刻胶溶剂。对齐则是将掩膜板与晶圆对准在正确的位置上，然后通过控制光线照射来完成电路印刷。

③ 显影

曝光之后的步骤是在晶圆上喷涂显影剂，目的是选择性的去除曝光后的光刻胶，从而让印刷好的电路图案显现出来。显影完成后需要通过各种测量设备和光学显微镜进行检查，确保电路图绘制的质量。

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刻蚀

刻蚀工艺是四大制程之一，它的目的是为了去除多余的氧化膜，保留光刻下来的电路图，可以通过以下两种方法进行刻蚀：

① 湿法刻蚀

使用化学溶液去除氧化膜。

优点 ：成本低，速度快，产率高，选择性好

缺点 ：具有各向同性的特点，速度在各个方向上相同，导致掩膜与氧化膜对不整齐，难以处理精细的电路

② 干法刻蚀

使用物理溅射，即用等离子体轰击来去除多余的氧化层。

优点 ：各向异性，精度高

缺点 ：速度慢，选择性差

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沉积

沉积是指将特定原子和分子的物质通过特殊的手段在晶圆上形成“薄膜”。一般这样的“薄膜”是指厚度小于1微米，无法通过普通机械加工出来的“膜”。要想制造多层的半导体结构就应该在晶圆表面交替“沉积”多层金属（导电）膜和介电（绝缘）膜，之后再通过重复的刻蚀工艺去除多余部分得到三维结构。沉积工艺一般有以下三种方法：

① 化学气相沉积

在化学气象沉积中前驱气体会在反应腔发生化学反应并生成附着在晶圆表面的薄膜以及被抽出腔室的副产物。等离子体增强化学气相沉积则需要借助等离子体产生反应气体。这种方法降低了反应温度，因此非常适合对温度敏感的结构。使用等离子体还可以减少沉积次数，往往可以带来更高质量的薄膜。

② 原子层沉积

原子层沉积通过每次只沉积几个原子层从而形成薄膜。该方法的关键在于循环按一定顺序进行的独立步骤并保持良好的控制。在晶圆表面涂覆前躯体是第一步，之后引入不同的气体与前驱体反应即可在晶圆表面形成所需的物质。

③ 物理气相沉积

顾名思义，物理气相沉积是指通过物理手段形成薄膜。溅射就是一种物理气相沉积方法，其原理是通过氩等离子体的轰击让靶材的原子溅射出来并沉积在晶圆表面形成薄膜。在某些情况下，可以通过紫外线热处理（UVTP)等技术对沉积膜进行处理并改善其性能。

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掺杂/离子植入

想要形成NMOS管或PMOS管就需要向硅衬底中进行掺杂，形成N沟道或是P沟道。掺杂的方法主要有以下几个：

① 热扩散技术

对晶体加热，使原子运动加剧，产生热缺陷，通过浓度梯度，将杂质原子扩散到硅衬底中。

② 离子植入/注入

将杂质原子电离成离子，并用强电场加速、让这些离子获得很高的动能，然后再直接轰击晶体、并“挤”进到里面去。这就是“注入”。当然，采用离子注入技术掺杂时，必然会产生出许多晶格缺陷，同时也会有一些原子处在间隙中。所以，半导体在经过离子注入以后，还必须要进行所谓退火处理，以消除这些缺陷和使杂质“激活”。

PART FOUR

BEOL-后道工艺

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后道工艺——互连工艺

通过光刻，刻蚀和沉积工艺可以构建出晶体管等元件，但是还需要将它们连接起来才能实现电力信号的发送与接收。用于互连的材料需要满足以下条件：1.电阻率低；2.热化学稳定性高；3.高可靠性；4.制造成本低。

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铝互连工艺

铝互连工艺始于铝沉积，光刻胶应用以及曝光与显影，随后通过刻蚀有些选择的去除多余的铝和光刻胶，然后才能进入氧化过程。前述步骤完成后在不断的重复光刻，刻蚀和沉积过程直到完成互连。这一步的互连采用的是前道工艺中的薄膜沉积。金属一般采用PVD来附着在晶圆表面。

铝有出色的导电性，容易光刻，刻蚀和沉积，成本低，与氧化层粘附效果好。缺点是容易腐蚀且熔点低。由于铝会与硅反应导致连接出现问题，所以在沉积前需要添加金属沉积物阻挡铝与衬底直接接触。

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铜互连工艺

铜的电阻更低，因此能实现更快的器件连接速度。铜的可靠性更高，因为它比铝更能抵抗电迁移。但是铜不容易形成化合物，因此很难将其气化并从晶圆的表面去除。采用沉积和刻蚀介电材料，这样就可以在需要的地方形成由沟道和通路孔组成的金属线路图形，之后再将铜填入前述线路中即可实现互连，而最后的填入过程被称为“镶嵌工艺”。

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后道工艺——测试

测试的主要目的是检验半导体芯片的质量是否达到一定的标准，从而消除不良产品，提高芯片的可靠性，减少后续损失。电子管芯分选（EDS）就是一种检验晶圆状态中各芯片的电器特性并由此提升半导体良率的工艺。

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电气参数监控（EPM）

EPM是测试的第一步，是确保集成电路中各个器件（晶体管，电容器，二极管）参数达标。用于提高半导体制造工艺的效率和产品性能。

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晶圆老化测试

半导体不良率主要来自两个方面：制造缺陷（早期较高）和之后整个生命周期发生缺陷的比率。晶圆老化测试是指将晶圆置于一定的温度和AC/DC电压下进行测试，找出可能在早期发生缺陷的产品。也就是通过发现潜在缺陷来提升产品的可靠性。

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检测

老化测试完成后就需要用探针卡将半导体芯片连接道测试装置，之后就可以对晶圆进行温度，速度和运动测试以检验相关半导体功能。

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修补

修补是最重要的测试步骤，因为某些不良芯片是可以修复的，只需要替换掉其中存在问题的元件即可。

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点墨

未能通过电气测试的芯片已经在之前几个步骤中被分拣出来，但还需要加上标记才能区分它们。这个过程由系统更具测试数据值自动进行分拣。

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后道工艺——封装

经过前面几个步骤的处理晶圆上会形成很多的晶片。这些晶片被切割后需要单独处理，在其外部形成保护壳，让他们能够与外部交换电信号。这一步称为封装，整个封装制程分为五步：

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晶圆锯切

首先要研磨，研磨后就可以沿着晶圆上的划片线进行切割，直到将芯片分离出来。晶圆锯切技术分为刀片锯切(容易产生摩擦和碎屑），激光切割（精度更高，厚度较薄），等离子切割（等离子刻蚀原理）。

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单个芯片附着

所有芯片都从晶圆上分离之后，我们需要将单独的芯片附着在基底上（引线框架）。基底的作用是保护芯片并让他们能与外部电路进行电信号交换。附着芯片是可以使用液体或是固体带状粘合剂。

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互连

将芯片附着在基底上之后，我们还需要将两者连接。这里有两种连接方法：1.使用细金属线的引线键合。2.使用球形金块或是锡块的倒装芯片键合。引线键合属于传统方法，倒装芯片键合技术可加快半导体制造速度。

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成型

完成上述工作后需要利用成型工艺给芯片外部加个包装，来保护半导体集成电路不受温度和湿度等外部条件影响。根据需要制成封装模具后，将芯片和环氧模塑料（EMC）都放进模具中进行密封。

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封装测试

将最后封装好的芯片进行最后的缺陷测试。进入最终测试的都是成品半导体芯片。它们将放入测试设备中，设定不同的条件例如电压和温度进行电气，功能和速度测试。这些测试结果可以用来发现缺陷，提高产品质量和生产效率。

通过以上一系列的步骤，芯片就可以出厂流向客户和下游厂家。之后经过层层组装，消费者们就可以在市场上购买到不同性能，不同型号的的电子产品。