芯片制造工艺-晶圆生产的基础工艺-1

七彩极 · 发表于 2022-9-7 20:23

新发现一本书，《芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版）》，内容比之前看的那本还详细，一边学习一边整理下。

晶圆术语：

芯片（chip、die）、器件（device）、电路（circuit）、微芯片（microchip）或条码（bar）：所有这些名词指的是在晶圆表面占大部分面积的微芯片图形；
划片线（scribe line、saw line）或街区（street、avenue）：这些区域是在晶圆上用来分隔不同芯片之间的间隔区。划片线通常是空白的，但有些公司在间隔区内放置对准标记，或测试的结构；
工程实验片（engineering die）和测试芯片（test die）：这些芯片与正式芯片或电路芯片不同。它包括特殊的器件和电路模块用于晶圆生产工艺的电性测试；
边缘芯片（edge die）：在晶圆边上的一些掩膜残缺不全的芯片而产生的面积损耗。由于单个芯片尺寸增大而造成的更多边缘浪费会由采用更大直径晶圆所弥补。推动半导体工业向更大直径晶圆发展的动力之一就是为了减少边缘芯片所占的面积；
晶圆的晶面（wafer crystal plane）：图中的剖面标示了器件下面的晶格构造，此图中显示的器件边缘与晶格构造的方向是确定的；
晶圆定位边（wafer flats）/凹槽（notche）：图示的晶圆由注定位边（major flat）和副定位边（minor flat），表示这是一个P型<100>晶向的晶圆。300mm和450mm直径的晶圆都是用凹槽作为晶格导向的标识。这些定位边和凹槽在一些晶圆生产工艺中还辅助晶圆的套准。

晶圆生产的基础工艺：

薄膜工艺：在晶圆表面形成薄膜的加工工艺，通用的淀积技术是物理气相淀积（PVD）、化学气相淀积（CVD）、蒸发和溅射、分子束、外延生长、分子束外延和原子层淀积（ALD）。使用电镀在高密度集成电路上淀积金属化层。

图形化工艺：图形化工艺是将一系列生产步骤讲晶圆表面薄膜的特定部分去除的工艺。在次之后，晶圆表面会留下带有微图形（pattern）结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。

图形化工艺是所有工艺中最关键的，图形化工艺确定了器件的关键尺寸。图形化工艺过程中的错误可能造成图形歪曲或套准不好，最终影响器件性能。图形化工艺在现代晶圆中要完成30层或更多，制程中的污染物会造成缺陷，缺陷也会影响器件性能。
电路设计：电路设计是生产芯片整个过程的第一步，电路设计由布局和设计电路上一块块的功能电路图开始，比如逻辑功能图。这个逻辑设计了电路要求的主要功能和运算，设计人员将逻辑功能转化为电路图，电路图标示了各种电路元件的数量和连接关系，每一个元件在图上由符号表示，附在电路图上的是电路运行必需的电参数（电压、电流、电阻等）。

电路版图设计：电路的工作运行与很多因素相关，包括材料电阻率，材料物理特性和元件的物理尺寸。另外的因素是各个元件之间的相对定位关系。所有这些要考虑的因素决定了元件、器件、电路的物理布局和尺寸。线路图设计使用专用的软件将电路元件转为具体的图形和尺寸。制造集成电路和盖楼房同样需要一层一层的建，因此必须将电路的复合图分解为每层的设计图，每层的图形是数字化的（数字化使图形转换为数据库）并由计算机处理的X-Y坐标的设计图。

光刻母版和掩膜版：光刻工艺用于晶圆表面和内部产生需要的图形和尺寸。光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的复制图。电子束曝光系统跳过母版或掩膜版，直接在晶圆上曝光。光刻母版和掩膜版由工厂单独的部门制造或从外部供应商购买，每个电路类型都有自己分别的光刻母版或掩膜版。

基本十步的图形化工艺:

表面准备：清洗和烘干表面
涂覆光刻胶：在表面旋转涂覆一层薄光刻胶膜
前烘：通过加热使光刻胶溶剂部分蒸发
对准和曝光：掩膜版/光刻母版的精确对准和光刻胶曝光，负胶发生聚合
显影：去除未聚合的光刻胶
坚膜：增加光刻胶溶剂挥发
显影检查：检查表面的对准和缺陷
刻蚀：穿过光刻胶膜的开口，去除晶圆顶层薄膜
去除光刻胶（剥离）：从晶圆上去除光刻胶膜
最终检查：对刻蚀的不规则性和其他问题进行表面检查

掺杂：掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程，它有两种工艺方法：热扩散（thermal diffusion）和离子注入（ion implantation）。热扩散是在1000℃左右的高温下发生的反应，气态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面，形成一层薄膜，在芯片应用中，热扩散也称为固态扩散，因为晶圆材料是固态的。扩散掺杂是一个化反应过程，由物理规律支配杂质的扩散运动。
离子注入是一个物理过程，在离子源的一端，掺杂体原子被离子化（带有一定的电荷），被电场加到超高速，穿过晶圆表面，注入到晶圆表层中。
热处理：热处理是简单的将晶圆加热和冷却来达到特定结果的制程。在热处理的过程中，在晶圆上没有增加或减去任何物质。然而，工艺过程可能会在晶圆中或晶圆上面产生污染。
在离子注入制程后会有一个重要的热处理。掺杂原子的注入所造成的晶圆损伤会被热处理修复，这被称为退火（anneal），温度在1000℃左右。金属导线制成后为了确保良好的导电性，金属会在450℃热处理后与晶圆表面紧密熔合。热处理的第三种重要用途是通过加热在晶圆表面的光刻胶将溶剂蒸发掉，从而得到精确的图形。

晶圆中测：晶圆制造完成后，需要进行晶圆性能测试。在测试过程中，检测每一个芯片的电性能和电路功能。晶圆中测又称为芯片分选（die sort）和电分选（electrical sort）。
测试主要为了：第一，在晶圆送到封装工厂之前，鉴别出合格的芯片；第二，对器件或电路的电性参数进行特性评估，工程师需要根据监测参数的分布状态来保持工艺的质量水平；第三，芯片的合格品与不良品的核算会给晶圆生产人员提供全面的业绩反馈，合格芯片与不良品在晶圆上的位置在计算机以晶圆图的形式记录下来。
晶圆中测是主要的芯片良品率统计方法之一，随着芯片面积和密度的增大，晶圆的测试费用也让越来越大。

集成电路的封装：芯片制备完成后，绝大部分芯片都会被传送到第4个制造阶段-封装（packaging），封装过程中，晶圆被分成许多小芯片，合格的芯片被封装在一个保护壳内，也有一些芯无需封装直接合成到电子系统中。

半导体制造过程周期长而且复杂，并随着产品类型、集成度、特征尺寸等的不同，产生许多生产工艺差异
参考书籍：《芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版）》
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