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半导体制造工艺流程 全民科普
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发布日期:2021-06-22
半导体从业者对芯片都有一定程度的了解,但我相信除了在晶圆厂的人外,很少有人对工艺流程有深入的了解。在这里我来给大家做一个科普。首先要做一些基本常识科普:半导体元件制造过程可分为前段制程(包括晶圆处理制程、晶圆针测制程);还有后段(包括封装、测试制程)。
零、概念理解 所谓晶圆处理制程,主要工作为在硅晶圆上制作电路与电子元件(如电晶体、电容体、逻辑闸等),为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程 ,以微处理器(Microprocessor)为例,其所需处理步骤可达数百道,而其所需加工机台先进且昂贵,动辄数千万一台,其所需制造环境为为一温度、湿度与 含尘(Particle)均需控制的无尘室(Clean-Room),虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关;不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适 当的清洗(Cleaning)之後,接著进行氧化(Oxidation)及沈积,最後进行微影、蚀刻及离子植入等反覆步骤,以完成晶圆上电路的加工与制作。
晶圆针测制程则是在制造好晶圆之后,晶圆上即形成一格格的小格 ,我们称之为晶方或是晶粒(Die),在一般情形下,同一片晶圆上皆制作相同的晶片,但是也有可能在同一片晶圆 上制作不同规格的产品;这些晶圆必须通过晶片允收测试,晶粒将会一一经过针测(Probe)仪器以测试其电气特性, 而不合格的的晶粒将会被标上记号(Ink Dot),此程序即 称之为晶圆针测制程(Wafer Probe)。然後晶圆将依晶粒 为单位分割成一粒粒独立的晶粒。
IC封装制程(Packaging):利用塑膠或陶瓷包裝晶粒与配线以成集成电路;目的是为了制造出所生产的电路的保护层,避免电路受到机械性刮伤或是高温破坏。而后段的测试则是对封装好的芯片进行测试,以保证其良率。
因为芯片是高精度的产品,因此对制造环境有很高的要求。

下面对主要的制程进逐一讲解:
一、硅晶圆材料
晶圆是制作硅半导体IC所用之硅晶片,状似圆形,故称晶圆。材料是「硅」, IC(Integrated Circuit)厂用的硅晶片即为硅晶体,因为整片的硅晶片是单一完整的晶体,故又称为单晶体。但在整体固态晶体内,众多小晶体的方向不相,则为复晶体(或多晶体)。生成单晶体或多晶体与晶体生长时的温度,速率与杂质都有关系。

二、光学显影
光学显影是在感光胶上经过曝光和显影的程序,把光罩上的图形转换到感光胶下面的薄膜层或硅晶上。光学显影主要包含了感光胶涂布、烘烤、光罩对准、 曝光和显影等程序。
关键技术参数:最小可分辨图形尺寸Lmin(nm) 、聚焦深度DOF
曝光方式:紫外线、X射线、电子束、极紫外光

三、蚀刻技术
蚀刻技术(Etching Technology)是将材料使用化学反应物理撞击作用而移除的技术。可以分为:
湿蚀刻(wet etching):湿蚀刻所使用的是化学溶液,在经过化学反应之后达到蚀刻的目的。
干蚀刻(dry etching):干蚀刻则是利用一种电浆蚀刻(plasma etching)。电浆蚀刻中蚀刻的作用,可能是电浆中离子撞击晶片表面所产生的物理作用,或者是电浆中活性自由基(Radical)与晶片表面原子间的化学反应,甚至也可能是以上两者的复合作用。
现在主要应用技术:等离子体刻蚀

四、CVD化学气相沉积
这是利用热能、电浆放电或紫外光照射等化学反应的方式,在反应器内将反应物(通常为气体)生成固态的生成物,并在晶片表面沉积形成稳定固态薄膜(film)的一种沉积技术。CVD技术是半导体IC制程中运用极为广泛的薄膜形成方法,如介电材料(dielectrics)、导体或半导体等薄膜材料几乎都能用CVD技术完成。
常用的CVD技术有:
(1)「常压化学气相沉积(APCVD)」;
(2)「低压化学气相沉积(LPCVD)」;
(3)「电浆辅助化学气相沉积(PECVD)」
(2)「低压化学气相沉积(LPCVD)」;
(3)「电浆辅助化学气相沉积(PECVD)」
较为常见的CVD薄膜包括有:
■ 二气化硅(通常直接称为氧化层)
■ 氮化硅
■ 多晶硅
■ 耐火金属与这类金属之其硅化物
■ 二气化硅(通常直接称为氧化层)
■ 氮化硅
■ 多晶硅
■ 耐火金属与这类金属之其硅化物

CVD的反应机制主要可分为五个步骤:
(1)在沉积室中导入气体,并混以稀释用的惰性气体构成「主气流(mainstream)」;
(2)主气流中反应气体原子或分子通过边界层到达基板表面;
(3)反应气体原子被「吸附(adsorbed)」在基板上;
(4)吸附原子(adatoms)在基板表面移动,并且产生化学反应;
(5)气态生成物被「吸解(desorbed)」,往外扩散通过边界层进入主气流中,并由沉积室中被去除。
(2)主气流中反应气体原子或分子通过边界层到达基板表面;
(3)反应气体原子被「吸附(adsorbed)」在基板上;
(4)吸附原子(adatoms)在基板表面移动,并且产生化学反应;
(5)气态生成物被「吸解(desorbed)」,往外扩散通过边界层进入主气流中,并由沉积室中被去除。
五、物理气相沉积(PVD)
这主要是一种物理制程而非化学制程。此技术一般使用氩等钝气,藉由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后,可将靶材原子一个个溅击出来,并使被溅击出来的材质(通常为铝、钛或其合金)如雪片般沉积在晶圆表面。
PVD以真空、测射、离子化或离子束等方法使纯金属挥发,与碳化氢、氮气等气体作用,加热至400~600℃(约1~3小时)后,蒸镀碳化物、氮化物、氧化物及硼化物等1~10μm厚之微细粒状薄膜,
PVD可分为三种技术:(1)蒸镀(Evaporation);(2)分子束磊晶成长(Molecular Beam Epitaxy;MBE);(3)溅镀(Sputter)
PVD可分为三种技术:(1)蒸镀(Evaporation);(2)分子束磊晶成长(Molecular Beam Epitaxy;MBE);(3)溅镀(Sputter)
解离金属电浆是最近发展出来的物理气相沉积技术,它是在目标区与晶圆之间,利用电浆,针对从目标区溅击出来的金属原子,在其到达晶圆之前,加以离子化。离子化这些金属原子的目的是,让这些原子带有电价,进而使其行进方向受到控制,让这些原子得以垂直的方向往晶圆行进,就像电浆蚀刻及化学气相沉积制程。这样做可以让这些金属原子针对极窄、极深的结构进行沟填,以形成极均匀的表层,尤其是在最底层的部份。