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

1.

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

半导体制造工艺是现代电子工业的核心技术之一，涉及从单晶硅片制造到芯片封装测试的复杂流程。本文将详细介绍半导体制造工艺的各个关键环节，帮助读者深入了解这一重要技术领域。

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、清洗等步骤。

• 中段工艺：主要涉及晶圆制造，包括氧化、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步骤。

• 后段工艺：主要涉及晶圆封装测试，包括晶圆减薄、划片、贴片、引线键合、封装、测试等步骤。

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内，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，切割掉头部、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，确保横截面直径在指定范围内。

3.晶棒的切片、倒角和打磨

晶棒切片是制造晶圆的关键步骤：

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. 使用化学机械研磨（CMP）设备对晶片进行厚度统一和表面抛光。抛光过程中，抛光液与晶圆表面发生化学反应，软化表面材料，然后通过抛光头和抛光垫的相对运动去除反应物。

4.晶圆的检测和清洗

每片晶圆都需要经过严格的质量检测：

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. 清洗过程是将晶圆浸入刻蚀剂中去除表面杂质。

此刻，我们在电视新闻中常见的硅片就制造完成了。

三、晶圆制造

晶圆制造部分的流程非常复杂，主要是在单晶硅上形成微小的MOS管并建立相互连通的导线。以下是该部分需要用到的关键工艺：

1.氧化与涂胶

在晶圆制造过程中，需要对单晶硅片进行氧化处理，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

光刻技术是半导体制造中的核心工艺之一：

1. 光刻机产生紫外光，通过掩膜版聚焦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：

1. 湿法刻蚀是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。
2. 干法刻蚀利用气态中产生的等离子体，通过经光刻而开出的掩蔽层窗口，与暴露于等离子体中的硅片行物理和化学反应，刻蚀掉硅片上暴露的表面材料。干法刻蚀技术在图形精准性上的突出表现，己成为亚微米尺寸下器件刻蚀的最主要工艺方法，已基本取代了湿法腐蚀技术。

在完成刻蚀后，需要使用晶圆去胶设备去除光刻胶。半导体去胶工艺也可分为湿法去胶和干法去胶，等离子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

掺杂工艺用于在硅衬底上形成n型与p型半导体区域：

1. 扩散法是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。虽然该方法只需要热处理炉即可，但也存在诸多不足，比如可掺杂的杂质种类少、处理时间长、扩散的不可控性导致掺杂难以控制的问题，所以扩散法只适用于低精度半导体的制造。
2. 离子注入法是目前最常用的掺杂方法，使用的机器称为离子注入机，是芯片制造中的关键装备，目前我国在相关技术上有了巨大的突破。

离子注入的掺杂过程包括：

1. 机器内必须满足真空条件，含有杂质元素的气体（磷化氢（PH3）、三氟化硼（BF3）等）会通过离子源通入机器。
2. 这些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. 由于被撞击形成的正离子各不相同（比如BF3产生的正离子有硼离子、二氟化硼离子、氟化硼离子等），所以这些正离子会经过电场加速进入质谱仪中。质谱仪中的磁场使得离子受洛伦兹力并一定的半径发生偏转，核质比不同的离子其运动轨迹也不相同，只需要在需要的离子轨道处安装一个狭缝，就可以筛选出可以掺杂的离子。
4. 被筛选出来的离子会经过磁透镜聚焦与晶圆发生碰撞，此时离子就可以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。所以需要将半导体材料置于炉中加热一段时间，然后匀速冷却。这样的工艺称为退火，这样就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）：

1. 物理气相沉积是指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。
2. 化学气相沉积是指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。

把各个元件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，这样的工艺、连线过程一般称为金属化工艺。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。

经过上面的这些工艺按一定的顺序处理，再经过CPM机器，对背面进行研磨，减薄晶圆。最后经过检测，合格后就可以得到了一块块布满芯片的晶圆。

6.MOSFET在晶圆表面的形成

作为芯片运行的基本单元，MOSFET的制造过程包括：

（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。此时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

具体制造过程可以参考相关视频资料。

三、晶圆封装测试

晶圆制造完成后，需要进行封装测试以确保其功能和可靠性：

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

获得独立的晶粒后，需要对其进行封装：

• 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。

• 倒片封装：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

封装完成后，需要进行严格的测试：

• 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
• 抗干扰测试：检查芯片在外界干扰下的性能

经过这些测试后，芯片制造完成。