半导体制造工艺详解：从单晶硅到芯片封装

半导体制造工艺详解：从单晶硅到芯片封装

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_65285898/article/details/145523588

半导体制造是现代电子工业的基石，其工艺流程复杂且精密。本文将为您详细讲解半导体制造的全过程，从单晶硅片的制造到最终的芯片封装测试，带您深入了解这一高科技产业的核心技术。

半导体制造工艺的概述

半导体制造工艺可分为前中后三段：

• 前段工艺：主要涉及单晶硅片的制造，包括拉单晶、切片、倒角、研磨、检测、清洗等步骤。
• 中段工艺：主要进行晶圆制造，涵盖氧化、涂胶、光刻、显影、刻蚀、掺杂、退火、薄膜沉积、金属化和晶圆减薄等多个环节。
• 后段工艺：包括晶圆封装测试，涉及晶圆划片、芯片封装和测试等工序。

对于我国而言，中段工艺是当前需要重点攻关的技术难点。

单晶硅片的制造

1. 单晶硅的制造

单晶硅的制造主要采用提拉法，这是一种熔体生长法。具体步骤如下：

1. 准备多晶硅原料和籽晶杆，将原料放入坩埚中熔化。
2. 将带有籽晶的籽晶杆插入熔体中，使熔体沿着籽晶结晶。
3. 以一定速度提拉并逆时针旋转，最终生长出棒状单晶体。

这种方法生产的单晶体生长速度快、质量好，适合大尺寸高质量晶体的批量生产。

2. 晶棒的切割、研磨

晶棒制造完成后，需要进行切割和研磨处理：

1. 机器检测晶体型号及纵向电阻率分布后，切除头部、尾部及不合格部分，形成圆柱形单晶硅原料。
2. 由于芯片制造对晶棒直径有严格要求，需要控制拉出的单晶直径比要求大3~5毫米，然后使用滚磨机对外周进行滚磨，确保横截面直径符合指定范围。

3. 晶棒的切片、倒角和打磨

晶棒切片是关键步骤之一：

1. 使用含有金刚石颗粒的钢线旋转切割晶棒。
2. 对切好的晶片边缘进行倒角处理，使其呈圆弧形，以增强机械强度并减少颗粒污染。
3. 采用化学机械研磨（CMP）设备对晶片进行厚度统一和表面抛光。抛光过程中，抛光液与晶圆表面反应软化材料，通过抛光头施加压力完成整平。

4. 晶圆的检测和清洗

每片单晶硅（晶圆）需要经过严格检测：

1. 使用AOI检测设备检查外观缺陷，包括裂痕、位移偏差、缺失等。检测原理是通过摄像技术将反射光强转化为灰阶值，与标准图像对比分析缺陷。
2. 清洗过程则将晶圆浸入刻蚀剂中去除表面杂质。

此刻，常见的硅片就制造完成了。

晶圆制造

晶圆制造是整个工艺中最复杂、最关键的环节，主要在单晶硅上形成微小的MOS管并建立相互连通的导线。以下是具体工艺流程：

1. 氧化与涂胶

为保护珍贵的单晶硅片，需要在其表面形成二氧化硅保护层：

1. 在氧化炉中加热至1200℃并通入水蒸气，快速获得氧化层。
2. 在表面均匀涂上一微米厚的光刻胶。工业上常使用旋转涂胶方法，将晶圆固定在旋转轴上，机器滴下光刻胶，通过摩擦力向外扩散至均匀涂抹，最后烘干。

光刻胶的制造曾是我国半导体行业发展的一大难题，如今已取得重大突破。

2. 光刻与显影

光刻技术是半导体制造的核心环节：

1. 光刻机产生紫外光，通过掩膜版聚焦照射到附有光刻胶薄膜的基片表面，使被照射区域的光刻胶发生化学反应。
2. 使用显影机加入显影液溶解，并用去离子水冲洗后甩干，去除可溶解区域的光刻胶，将可见的岛或窗口图形留在硅片表面。根据去除区域的不同，可分为正性光刻胶和负性光刻胶。

3. 刻蚀与脱胶

刻蚀工艺用于去除光刻胶暴露的二氧化硅氧化层：

1. 选择比是指刻蚀工艺中，二氧化硅层与光刻胶的刻蚀比例。高选择比的刻蚀工艺能精准去除目标材料。
2. 方向选择性分为等向性和非等向性刻蚀。等向性刻蚀没有方向选择性，而非等向性刻蚀借助离子撞击实现特定方向的刻蚀。

刻蚀方法主要有湿法刻蚀和干法刻蚀：

• 湿法刻蚀：将晶圆浸入刻蚀液中，优点是刻蚀速率高且选择比高，但存在等方向性腐蚀和表面张力问题，不适合亚微米尺寸器件的制造。
• 干法刻蚀：利用气态中产生的等离子体与暴露的硅片表面发生物理和化学反应，可以获得精确的特征图形，是亚微米尺寸器件的主要刻蚀方法。

完成刻蚀后，需要去除光刻胶：

• 湿法去胶：使用化学溶液去除光刻胶。
• 干法去胶：利用高能等离子体处理光刻胶表面，去胶彻底且速度快，是目前最有效的方法。

4. 掺杂与退火

掺杂是将IIIA族或VA族元素掺入晶圆对应位置，形成n型与p型半导体区域：

• 扩散法：将晶圆放入高温炉管中通入掺杂元素蒸气，使杂质元素扩散进硅衬底。该方法设备简单但精度低，适用于低精度半导体制造。
• 离子注入法：使用离子注入机，通过真空环境、离子源、质谱仪等设备实现精准掺杂，是目前主流的掺杂方法。

离子注入过程：

1. 机器内保持真空条件，含有杂质元素的气体（如磷化氢、三氟化硼）通过离子源通入。
2. 气体经电子碰撞激发变为等离子体，含有大量电子和正离子。
3. 正离子通过电场加速进入质谱仪筛选出可掺杂的离子。
4. 筛选后的离子通过磁透镜聚焦与晶圆碰撞，注入到硅晶格的一定深度。

半导体注入杂质离子会产生结构性缺陷，需要通过退火工艺恢复晶格完整性：

• 将半导体材料置于炉中加热一段时间后匀速冷却，使结晶体内部原子重新排列至合适晶格点位，去除缺陷和杂质，提高电学性能。

5. 薄膜沉积、金属化和晶圆减薄

薄膜沉积广泛应用于新能源与半导体领域，主要分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）：

• 物理气相沉积：在真空下采用物理方法将材料转化为气态原子、分子或离子，并通过低压气体或等离子体沉积在基体表面形成薄膜。
• 化学气相沉积：气态化合物在一定条件下通过化学反应将产物沉积在基片表面形成薄膜。

金属化工艺通过薄膜沉积与刻蚀形成金属导线，将各个MOS管连接起来。根据器件复杂度和性能要求，电路可能需要单层或多层金属系统，常用铝合金或金作为导电金属。

经过一系列工艺处理后，使用CMP机器对晶圆背面进行研磨减薄，最后经过检测，合格后得到布满芯片的晶圆。

6. MOSFET在晶圆表面的形成

MOSFET是芯片运行的基本单元，其制造过程如下：

（1）浅沟槽隔离(STI)工艺

在硅片上刻蚀出浅沟槽，填充氧化硅形成电气隔离层。在隔离层两侧分别掺杂施主杂质和受主杂质，形成互不干扰的n型衬底和p型衬底，制造nMOSFET和pMOSFET并隔离开。

（2）单个mosfet的制造

具体制造过程较为复杂，建议参考相关视频资料。

晶圆封装测试

晶圆制造完成后，需要进行封装和测试：

1. 晶圆的划片

晶圆切割（划片）是将晶圆分割成多个独立的晶粒，每个晶粒含有完整的电路功能。切割过程采用激光标记定位和高精度切割工具，确保每个晶粒保持完整。

2. 芯片的封装

芯片封装主要包括贴片、引线键合等步骤，常见的封装形式有裸片贴装和倒片封装：

• 裸片贴装：将芯片背面粘到基板上，通过金或铜引线将基板焊盘与芯片连接，最后用树脂等材料封住芯片。
• 倒片贴装：将芯片正面直接扣在基板上，中间使用金属小球连接，传输引线大幅缩短，框架更小更紧密，有利于芯片工作效率。

现代工艺中还发展了系统级芯片（SOC）封装，将多个芯片封装在一起，提高信号传输速度。

3. 芯片的测试

封装完成后需要进行严格测试：

• 电性能测试：检验交流和直流下的输入输出特性。
• 功耗测试：测量不同条件下的芯片能耗。
• 温度测试：获取芯片的温度分布图。
• 抗干扰测试：评估芯片在外界干扰下的性能。

经过这些测试后，芯片制造完成。