半导体制造工艺详解：从单晶硅到芯片封装的全流程解析

半导体制造工艺详解：从单晶硅到芯片封装的全流程解析

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CSDN

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半导体制造工艺是现代电子工业的核心技术之一，涉及单晶硅片制造、晶圆加工和封装测试等多个环节。本文将详细介绍半导体制造的全过程，帮助读者了解这一复杂而精密的工艺流程。

一、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、检测和清洗等步骤。
• 中段工艺：主要进行晶圆制造，包括氧化、涂胶、光刻、显影、刻蚀、掺杂、退火、薄膜沉积和金属化等工序。
• 后段工艺：主要完成晶圆封装测试，包括晶圆减薄、划片、贴片、引线键合、封装和测试等环节。

二、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，然后通过滚磨机进行外周滚磨，确保横截面直径在指定范围内。

3.晶棒的切片、倒角和打磨

晶棒切片和打磨过程如下：

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. 通过化学机械研磨（CMP）设备统一晶片厚度并进行表面抛光。抛光过程中，抛光液与晶圆表面反应软化材料，然后通过抛光头施加压力去除反应物。

4.晶圆的检测和清洗

晶圆制造完成后需要进行检测和清洗：

1. 使用AOI检测设备检查外观缺陷，包括裂痕、位移偏差和缺失等。检测原理是采用摄像技术将被检测物体的反射光强以定量化的灰阶值输出，通过与标准图像的灰阶值进行比较，分析判定缺陷并进行分类。
2. 清洗则是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。

三、晶圆制造

晶圆制造部分主要介绍在单晶硅上形成微小MOS管并连接导线的工艺流程。

1.氧化与涂胶

在单晶硅片表面形成二氧化硅保护层：

1. 使用氧化炉加热至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的方法，将晶圆固定在旋转轴上，机器滴下光刻胶。由于摩擦力不足以提供足够的向心力，光刻胶会向外扩散至均匀涂抹在表面，最后还需要烘干。

光刻胶的制造曾是我国半导体行业发展的一大难题，如今，我国在这一领域已经取得了巨大的突破。

2.光刻与显影

光刻技术是指在光照作用下，借助光致抗蚀剂将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。具体步骤如下：

1. 光刻机产生紫外光，令其通过掩膜版，照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面，被照射到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，将可见的岛或者窗口图形留在硅片表面。若除去的是曝光区的光刻胶，则称其为正性光刻胶；若除去的是未曝光区的光刻胶，则称其为负性光刻胶。

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：

• 湿法刻蚀：将晶圆浸入刻蚀液一段时间后捞出，优点是刻蚀速率高且选择比高，但存在等方向性腐蚀和凹槽刻蚀困难的问题。
• 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，刻蚀掉暴露的表面材料。该工艺可以获得精确的特征图形，已成为亚微米尺寸下器件刻蚀的最主要工艺方法。

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，减少了对晶圆材料的腐蚀和损伤，是现有工艺中最好、最有效、最高效的方法。

4.掺杂与退火

掺杂是将IIIA族或VA族元素掺入晶圆的对应位置，形成n型与p型半导体区域：

• 扩散法：将晶圆放入高温的扩散炉管中，通入掺杂元素的蒸气，使杂质元素扩散进对应的硅衬底位置上。该方法需要热处理炉，但可掺杂的杂质种类少、处理时间长，且扩散的不可控性导致掺杂难以控制，因此只适用于低精度半导体的制造。
• 离子注入法：使用离子注入机，是芯片制造中的关键装备。离子注入法的步骤包括：
  1. 在真空条件下，含有杂质元素的气体（如磷化氢（PH3）、三氟化硼（BF3）等）通过离子源通入机器。
  2. 气体经过电子碰撞激发变为等离子体，其中含有大量的电子和正离子。
  3. 正离子经过电场加速进入质谱仪中，通过磁场筛选出可以掺杂的离子。
  4. 被筛选出来的离子经过磁透镜聚焦与晶圆发生碰撞，注入到硅晶格的一定深度内。

半导体注入杂质离子会产生结构性缺陷，破坏晶格完整性，电导率降低。因此需要进行退火处理，将半导体材料置于炉中加热一段时间，然后匀速冷却。退火工艺可以使结晶体内部原子重新排列至合适的晶格点位，去除大部分缺陷和杂质，恢复晶格的完整性，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的过程。
• 化学气相沉积：气态化合物在一定条件下，通过原子、分子间的化学反应将反应形成的固相产物沉积在基片表面形成薄膜的过程。

金属化工艺通过薄膜沉积与刻蚀形成金属导线，将各个MOS管连接到一起。根据器件的复杂度和性能要求，电路可能要求单层金属或多层金属系统。可能使用铝合金或金作为导电的金属。

经过上述工艺处理后，再通过CPM机器对晶圆背面进行研磨减薄。最后经过检测，合格后就可以得到一块块布满芯片的晶圆。

6.MOSFET在晶圆表面的形成

MOSFET的制造过程如下：

（1）浅沟槽隔离(STI)工艺

该工艺以硅片作为基底，先在硅片上刻蚀出浅沟槽，然后填充氧化硅，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，以在两侧形成互不干扰的n型衬底和p型衬底。在两侧制造的nMOSFET和pMOSFET就可以隔离开，防止相互干扰。

（2）单个mosfet的制造

具体制造过程较为复杂，需要处理表层的很浅的一部分，大部分的厚度都只起支撑作用。

三、晶圆封装测试

晶圆制造完成后需要进行封装测试：

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，每个晶粒通常含有完整的电路功能，是最终用于制造电子产品的核心组件。在实际操作中，需要用激光对晶圆进行标记和定位，晶圆切割通常采用金刚石刀片等高精度切割工具，以确保每个晶粒保持完整、功能正常。随着芯片设计复杂度和尺寸的缩小，对晶圆切割技术的精度和效率要求也越来越高。

2.芯片的封装

芯片封装主要包括贴片、引线键合封装的具体形式有很多，常见的有两种：裸片贴装和倒片封装。

• 裸片贴装：将芯片的背面粘到基板上，然后通过机器利用微小的金或铜引线，利用近似焊接的方式将基板的焊盘与芯片连接起来，最后在外面用树脂等材料制造一个外壳封住芯片，就完成了封装。
• 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，此时的传输引线大幅缩短，框架也更小更紧密，有利于芯片的工作效率。目前我们所用的手机芯片的封装就是基于该封装方式。

其他芯片封装工艺也有很多，比如说电子设备中会存在各种芯片，它们之间的电信号通过导线交流的传输速度十分受限。所以现代工艺中也常将不同的芯片封装在一起以提高它们之间传输信息的时间。如果将该设备的所有芯片都封装到一起，制成一颗高度集成的芯片，这颗芯片就称为系统级芯片（SOC），这也是在之前华为发布会上经常提到的SOC的含义。

3.芯片的测试

封装完成就要对其进行测试，主要包括：

• 电性能测试：检验交流于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
• 测试：芯片在外界干扰下的性能

经过这些测试后，芯片制造完成。