半導(dǎo)體集成電路是將很多元件集成到一個(gè)芯片內(nèi), 以處理和儲(chǔ)存各種功能的電子部件。而芯片制造主要分為5個(gè)階段：材料制備、晶體生長(zhǎng)或晶圓制備、晶圓制造和分揀、封裝、終測(cè)。如下圖所示：

半導(dǎo)體生產(chǎn)階段

半導(dǎo)體集成電路是在晶圓的薄基板的基礎(chǔ)上，通過(guò)制造多個(gè)相同電路而產(chǎn)生的。如同制作披薩時(shí)添加配料之前先做面團(tuán)一樣，晶圓作為半導(dǎo)體的基礎(chǔ)，是指將硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等生成的單晶柱切成薄片的圓盤(pán)。本文就將講述晶圓制造的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。晶圓制造(wafer fabricaTIon)是在晶圓表面上或表面內(nèi)制造出半導(dǎo)體器件的一系列生產(chǎn)過(guò)程。正文開(kāi)始前，首先介紹一些晶圓術(shù)語(yǔ)，以方便后續(xù)理解。

?芯片(chip、die)、器件(device)、電路(circuit)、微芯片(microchip)或條碼(bar)：所有這些名詞都是指占大部分面積的微芯片圖形。

?劃片線(scribe line、saw line)或街區(qū)(street、avenue)：晶圓上用來(lái)分隔不同芯片的間隔區(qū)。劃片區(qū)通常是空白的，但有時(shí)也會(huì)在間隔區(qū)放置對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(十字mark)或測(cè)試結(jié)構(gòu)(testkey)。

?工程試驗(yàn)芯片(engineering die)和測(cè)試芯片(test die)：這些芯片與正式芯片不同，它主要用于對(duì)晶圓生產(chǎn)工藝單額電性能測(cè)試監(jiān)控。

?邊緣芯片(edge die)：晶圓邊緣殘缺的芯片。這部分芯片占比越高產(chǎn)生的損耗就越大，晶圓尺寸增大可以減小邊緣芯片的比例。

?晶圓的晶面(wafer crystal plane)：晶格方向，與器件的方向是相關(guān)的。

?晶圓定位邊(wafer flat/notche)：分主定位邊(major flat)和副定位邊(minor flat)，如下圖定位邊表示這是一個(gè)P型<100>晶相的晶圓。

芯片制造工藝

芯片制造主要根據(jù)薄膜工藝、圖形化工藝、摻雜和熱處理4個(gè)基本的工藝步驟來(lái)生產(chǎn)出特定的器件。

晶圓制造基本工藝

薄膜工藝

薄膜工藝(layering)是在晶圓表面形成薄膜的加工工藝。在芯片制造過(guò)程中，需要在晶圓表面形成各種各樣的薄膜。這些薄膜可以是絕緣體、半導(dǎo)體或者半導(dǎo)體，它們由不同材料使用多種工藝技術(shù)生長(zhǎng)或沉積而成。

薄膜工藝

以下列舉了薄膜制備的工藝分類和工藝與材料的對(duì)照表。

薄膜工藝分類

工藝與材料對(duì)照表

圖形化工藝

圖形化工藝(patterning)是通過(guò)一系列步驟將晶圓表面薄膜的特定部分去除以形成特定圖形的工藝。圖形化工藝的目標(biāo)是根據(jù)設(shè)計(jì)需要在晶圓上形成尺寸精確的特征圖形，在晶圓上的位置要正確且與其他關(guān)聯(lián)層的關(guān)聯(lián)也要正確。圖形化工藝也被廣泛稱為光掩模(photomasking)、掩模(masking)、光刻(photolithography)。

圖形化工藝是4個(gè)基本工藝步驟中最關(guān)鍵的，其確定了器件的關(guān)鍵尺寸。圖形化工藝過(guò)程的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致圖形的歪曲或套準(zhǔn)不好，最終對(duì)器件的電性能產(chǎn)生影響。圖形化工藝在現(xiàn)代晶圓生產(chǎn)過(guò)程中要完成30層或更多。

光刻工藝依靠光刻模板(reTIcle)和掩模版(mask)將特定圖形轉(zhuǎn)移至晶圓上。光刻模板可以直接用于進(jìn)行光刻也可以用來(lái)制造掩模版。掩模版就是在玻璃底板表面鍍鉻，進(jìn)行光刻步驟時(shí)光束會(huì)穿過(guò)未鍍鉻的亮場(chǎng)部分曝光在晶圓上的光刻膠上已達(dá)到圖形轉(zhuǎn)移的目的。

光刻模板和掩模板

光刻模板和掩模板一般由工廠的單獨(dú)部分制造或者從外部供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)。每個(gè)電路都有自己的光刻母版和掩模板。

以下為基本十步圖形化工藝：

光刻十步法工藝

摻雜

摻雜是將特定量的雜質(zhì)通過(guò)薄膜開(kāi)口引入的晶圓表層的工藝過(guò)程。摻雜有兩種工藝方法：熱擴(kuò)散(thermal diffusion)和離子注入(ion implantaTIon)。熱擴(kuò)散是在1000℃下，摻雜原子通過(guò)擴(kuò)散化學(xué)反應(yīng)遷移帶暴露的晶圓表面，形成一層薄膜。離子注入是摻雜原子離子化后，被電場(chǎng)加速到很高的速度，從而注入至晶圓表層。

摻雜技術(shù)

熱處理

熱處理是將晶圓加熱或冷卻來(lái)達(dá)到特性結(jié)果的工藝步驟。熱處理過(guò)程中晶圓沒(méi)有增加或減少任何物質(zhì)。離子注入后會(huì)有一步重要的熱處理過(guò)程，摻雜原子的注入會(huì)造成晶圓損傷，熱處理可以修復(fù)損傷，這稱為退火(anneal)，溫度在1000℃左右。金屬導(dǎo)線制程后會(huì)有一步熱處理過(guò)程以確保金屬連線與晶圓表面緊密熔合從而確保良好的導(dǎo)電性。

熱處理表

晶圓制造實(shí)例

硅柵MOSFET工藝步驟

現(xiàn)代芯片結(jié)構(gòu)

還要說(shuō)明的是，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)包括生產(chǎn)晶圓的晶圓產(chǎn)業(yè)以及以晶圓為材料設(shè)計(jì)和制造的晶圓加工產(chǎn)業(yè)——制造行業(yè) (Fabrication, FAB)。另外,還有組裝產(chǎn)業(yè),它將 加工過(guò)的晶圓切割成晶粒,并包裝好以防止受潮或受壓。

審核編輯 ：李倩