芯片制造工艺流程图文详解一文通

芯片制造是当今世界最为复杂的工艺过程。这是一个由众多顶尖企业共同完成的一个复杂过程。本文努力将这一工艺过程做一个汇总，对这个复杂的过程有一个全面而概括的描述。

半导体制造工艺过程非常多，据说有几百甚至几千个步骤。这不是夸张的说法，一个百亿投资的工厂做的可能也只是其中的一小部分工艺过程。对于这么复杂的工艺，本文将分成五个大类进行解说：晶圆制造、光刻蚀刻、离子注入、薄膜沉积、封装测试。

半导体制造工艺 - 晶圆制造(Wafer Manufacturing）

晶圆制造(Wafer Manufacturing）又可分为以下5 个主要过程：

（1）拉晶 Crystal Pulling

◈ 掺杂多晶硅在1400度熔炼

◈ 注入高纯氩气的惰性气体

◈ 将单晶硅“种子”放入熔体中，并在“拔出”时缓慢旋转。

◈ 单晶锭直径由温度和提取速度决定

（2）晶圆切片 （Wafer slicing）

用精密的“锯(Saw)”将硅锭切成独立的晶圆。

（3）晶圆研磨、侵蚀（Wafer lapping，etching）

◈ 切片的晶圆片使用旋转研磨机和氧化铝浆料进行机械研磨，使晶圆片表面平整、平行，减少机械缺陷。

◈ 然后在氮化酸/乙酸溶液中蚀刻晶圆，以去除微观裂纹或表面损伤，然后进行一系列高纯度RO/DI水浴。

(4) 硅片抛光、清洗 (Wafer polishing and Cleaning)

◈ 接下来，晶圆在一系列化学和机械抛光过程中抛光，称为CMP(Chemical Mechanical Polish)。

◈ 抛光过程通常包括两到三个抛光步骤，使用越来越细的浆液和使用RO/DI水的中间清洗。

◈ 使用SC1溶液(氨，过氧化氢和RO/DI水)进行最终清洗，以去除有机杂质和颗粒。然后，用HF除去天然氧化物和金属杂质，最后SC2溶液使超干净的新的天然氧化物在表面生长。

(5) 晶片外延加工 (Wafer epitaxial processing)

◈ 外延工艺(EPI)被用来在高温下从蒸汽生长一层单晶硅到单晶硅衬底上。

◈ 气相生长单晶硅层的工艺被称为气相外延(VPE)。

SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl

该反应是可逆的，即如果加入HCl，硅就会从晶圆片表面蚀刻出来。

另一个生成Si的反应是不可逆的:

SiH4 → Si + 2H2(硅烷)

◈ EPI生长的目的是在衬底上形成具有不同(通常较低)浓度的电活性掺杂剂的层。例如，p型晶圆片上的N型层。

◈ 约为晶圆片厚度的3%。

◈ 对后续晶体管结构无污染。

半导体制造工艺 - 光刻 (Photolithography）

近年大量提及的光刻机，只是众多工艺设备中的一个。即使是光刻，也有很多的工艺过程和设备。

（1）光刻胶涂层 Photoresist coating

光刻胶是一种光敏材料。将少量光刻胶液体加在晶圆片上。晶圆片在1000到5000 RPM的速度下旋转，将光刻胶扩散成2到200um厚的均匀涂层。

光刻胶有两种类型:负胶和正胶。

正胶：暴露于光下可以分解复杂的分子结构，使其易于溶解。

负胶：曝光使分子结构变得更复杂，更难以溶解。

每个光刻步骤所涉及的步骤如下

◈ 清洁晶圆片

◈ 沉积屏障层SiO2，Si3N4，金属

◈ 涂上光刻胶

◈ 软烤

◈ 对齐蒙版

◈ 图形曝光

◈ 显影

◈ 烘焙

◈ 蚀刻

◈ 去除光刻胶

（2）图案准备 Pattern Preparation

IC设计人员使用CAD软件设计每层的图案。然后使用激光图案发生器或电子束将图案转移到具有图案的光学透明石英衬底(模板)上。

（3）图案转移（曝光）

这里使用光刻机，将图案从模板上，投影复制到芯片层板上。

（4）显影、烘烤

◈ 曝光后，晶圆片在酸溶液或碱溶液中显影，以去除光刻胶的暴露区域。

◈ 一旦除去暴露的光刻胶，晶圆片将在低温下“烘烤”以硬化剩余的光刻胶。

半导体制造工艺 - 蚀刻和离子注入 (Etching and Ion Implantation)

（1）湿式和干式蚀刻

◈ 在大型湿平台上进行化学蚀刻。

◈ 不同类型的酸，碱和苛性碱溶液用于去除不同材料的选定区域。

◈ BOE，或缓冲氧化物蚀刻剂，由氟化铵缓冲的氢氟酸制备，用于去除二氧化硅，而不会蚀刻掉底层的硅或多晶硅层。

◈ 磷酸用于蚀刻氮化硅层。

◈ 硝酸用来蚀刻金属。

◈ 用硫酸去除光刻胶。

◈ 对于干式蚀刻，晶圆片被放置在蚀刻室中，通过等离子体进行蚀刻。

◈ 人员安全是首要问题。

◈ 许多晶圆厂使用自动化设备执行蚀刻过程。

（2）抗蚀剂剥离

然后光刻胶完全从晶圆上剥离，在晶圆上留下氧化物图案。

（3）离子注入

◈ 离子注入改变晶圆片上现有层内精确区域的电特性。

◈ 离子注入器使用高电流加速器管和转向聚焦磁铁，用特定掺杂剂的离子轰击晶圆表面。

◈ 当掺杂化学物质沉积在表面并扩散到表面时，氧化物充当屏障。

◈ 将硅表面加热到900℃来进行退火，注入的掺杂离子进一步扩散到硅片中。

半导体制造工艺 - 薄膜沉积 (Thin Film Deposition)

薄膜沉积的方式和内容也比较多，下面逐个说明：

（1）氧化硅

当硅在氧气中存在时，SiO2会热生长。氧气来自氧气或水蒸气。环境温度要求为900 ~ 1200℃。发生的化学反应是

Si + O2 → SiO2

Si +2H2O —> SiO2 + 2H2

选择性氧化后的硅片表面如下图所示:

氧气和水都会通过现有的SiO2扩散，并与Si结合形成额外的SiO2。水(蒸汽)比氧气更容易扩散，因此蒸汽的生长速度要快得多。

氧化物用于提供绝缘和钝化层，形成晶体管栅极。干氧用于形成栅极和薄氧化层。蒸汽被用来形成厚厚的氧化层。绝缘氧化层通常在1500nm左右，栅极层通常在200nm到500nm间。

（2）化学气相沉积 Chemical Vapor Deposition

化学气相沉积(CVD)通过热分解和/或气体化合物的反应在衬底表面形成薄膜。

CVD反应器有三种基本类型:

◈ 大气化学气相沉积

◈ 低压CVD (LPCVD)

◈ 等离子增强CVD (PECVD)

低压CVD工艺示意图如下图所示。

CVD的主要有下面几种反应过程

i). 多晶硅 Polysilicon

SiH4 —> Si + 2H2 (600℃)

沉积速度 100 - 200 nm /min

可添加磷(磷化氢)、硼(二硼烷)或砷气体。多晶硅也可以在沉积后用扩散气体掺杂。

ii). 二氧化硅 Dioxide

SiH4 + O2→SiO2 + 2H2 (300 - 500℃)

SiO2用作绝缘体或钝化层。通常添加磷是为了获得更好的电子流动性能。

iii). 氮化硅 Siicon Nitride

3SiH4 + 4NH3 —> Si3N4 + 12H2

(硅烷) (氨) (氮化物)

（3）溅射

目标被高能离子如Ar+轰击，目标中的原子将被移动并输送到基材上。

金属如铝、钛可以用作靶材。

（4）蒸镀

Al或Au(金)被加热到蒸发点，蒸汽将凝结并形成覆盖晶圆片表面的薄膜。

下面用一个案例，来详细说明一下光刻、蚀刻，到离子沉积的过程中，硅片上的电路是如何一步步成型的：

半导体制造工艺 - 封装测试 (Post-processing)

（1）晶圆测试 Probe Test

在最终线路制备完成后，使用自动化探针测试方法测试晶圆上测试器件，剔除不良品。

（2） 晶圆切割 Wafer Dicing

探针测试后，晶圆片被切成单个的芯片。

（3） 接线、封装

◈ 单个芯片连接到引线框架，铝或金引线通过热压缩或超声波焊接连接。

◈ 通过将设备密封到陶瓷或塑料包装中来完成包装。

◈ 多数芯片还需要经过最后的功能测试，才会送到下游用户手上。

芯片制造全工艺流程

芯片制造流程是一个复杂且精细的过程，涉及多个关键步骤和高度专业化的技术。芯片制造分为三大步骤，分别是芯片设计芯片制造、封装测试。

一、芯片设计

设计：芯片制造的第一步是进行设计。设计师根据芯片应用的需求，使用专业的电子设计自动化(EDA)工具来实现电路图的设计和布局。设计过程中需要考虑性能要求、功耗、尺寸等因素。

高通、苹果、英伟达、AMD、联发科，这些大名鼎鼎的公司都是芯片设计公司。

芯片设计，首先设定芯片的目的，分为三类，逻辑芯片、储存芯片、功率芯片，编写芯片细节，形成一份完整的HDL code，其次，把代码转化成图，EDA软件可以将这份HDL code 一键变成逻辑电路图，再把逻辑电路图通过EDA软件变成物理电路图，最后将物理电路图制作成光掩模。

二、晶圆制造

硅原料提纯： 芯片的基础材料是硅，通常从沙子中提取。沙子中的二氧化硅经过高温熔炼等工艺，提纯为高纯度的电子级硅。

拉晶： 将提纯后的硅熔化成液体，再通过提拉法等方法，缓慢拉制成单晶硅锭。

切片： 使用金刚石锯等精密工具，将单晶硅锭切割成一定厚度的薄片，这些薄片就是晶圆。

研磨与抛光： 对晶圆表面进行研磨和抛光处理，以获得光洁、平整的表面，便于后续工艺的进行。

三、光刻与蚀刻

光刻：在晶圆表面涂上一层光刻胶，然后通过光刻机将电路图案投影到光刻胶上。光刻胶在光照下会发生化学反应，形成与电路图案相对应的图形。

显影与蚀刻：使用显影剂去除光刻胶的未曝光部分，暴露出晶圆表面的特定区域。然后，使用化学溶液或等离子体对暴露的区域进行蚀刻，形成电路结构。

四、离子注入与薄膜沉积

离子注入：通过离子注入机，将特定种类的离子（如硼、磷等）注入到晶圆表面的特定区域，以改变这些区域的导电性，形成PN结等结构。

薄膜沉积：使用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等方法，在晶圆表面沉积一层或多层薄膜。这些薄膜可以是金属、氧化物、氮化物等，用于形成电路中的导线、绝缘层等结构。

五、退火与清洗

退火处理：在高温环境下对晶圆进行退火处理，以去除应力、提高电性能，并促进离子在晶圆中的扩散。

清洗：使用高纯度的化学溶液对晶圆进行清洗，以去除表面残留的杂质和污染物。

六、封装与测试

封装：将制造完成的芯片固定在封装基板上，并连接引脚，以保护芯片并提供与外部电路的连接接口。

测试：对封装后的芯片进行严格的测试，包括功能测试、性能测试和可靠性测试等，以确保芯片的质量和可靠性。只有通过测试的芯片才会被销售和使用。

七、总结

芯片制造流程是一个高度复杂且精细的过程，涉及多个关键步骤和高度专业化的技术。从芯片设计到封装测试，每一步都需要精确控制和严格管理，以确保芯片的性能和质量。随着科技的不断发展，芯片制造工艺也在不断进步和创新，以适应日益增长的市场需求和技术挑战。

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