芯片制造流程简介

前言

芯片的制造大体分为5个阶段：

• 材料准备
• 晶体生长和晶圆准备
• 集成电路晶圆的生产
• 集成电路的封装
• 终测

材料准备

半导体材料的开采并根据半导体标准进行提纯。硅以沙子为原料，沙子通过转化可成为具有多晶硅结构的纯净硅

矿石到高纯气体的转变

矿石通过化学反应生成硅化物气体，例如四氯化硅或者三氯硅烷，杂质和其他金属留在矿石残渣里

硅化物气体到多晶硅

硅化物和氢气反应，生成半导体级别的硅
$$2SiC{l}_3(气态)+3H_2(气态)\to 2Si(固态)+6HCl(气态)$$
这样生成的硅的纯度达到99.9999999%，被称为多晶硅。
多晶硅是世界上最纯净的物质之一

晶体生长和晶圆准备

概念介绍

一种材料根据原子的组织结构分为晶体和非晶体

• 晶体：原子在材料中重复排列成非常固定的结构
• 非晶体：原子在材料中没有周期性的排列和固定的结构

对于晶体结构，也分为两个级别：

• 晶胞：一定数量的原子通过特定的相对位置排布形成的一种结构，这种结构作为基本单元在晶体里重复的排列。每种材料都有不同的晶胞结构，比如硅的晶胞就是16个原子排列成金刚石结构
  

• 单晶和多晶：根据晶胞在排列方式区分，如果晶胞不是规则排列的，称这种材料具有多晶结构，如果晶胞是规则排列的，称这种材料具有单晶结构
  

芯片制造，需要使用单晶结构的硅晶片

晶体生长

把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，称为晶体生长，多晶块是从上一步化学反应得到的。生成的大单晶被称为晶棒
生成晶棒的方法有三种：

• 直拉法
• 液体掩盖直拉法
• 区熔法
  注意：晶棒是已经经过掺杂和定向的

晶圆准备

晶圆准备就是对晶体生长后的晶棒进行处理

1. 首先对晶棒进行处理

   • 截断：首先将晶棒的首尾切掉
   • 直径磨滚：这一步是为了让晶棒的直径保持一致
   • 晶体定向检查
   • 晶体的电阻率检查：这一步是对掺杂后的导电性能进行测试
   • 确定参考面

2. 开始切片：使用金刚石刀片或者线切割工艺将晶棒切割成薄片后才能称为真正的晶圆

3. 晶圆刻号：使用激光在晶圆上刻上标识符，类似于条形码

4. 平整和抛光：这一部分分为两部

   • 磨光：去除切片工艺残留的表面损伤
   • 化学机械抛光(CMP)：通过化学反应和机械摩擦相结合

   经过这一步，晶圆的表面需要达到绝对平整，因为本身晶圆就很薄，然后后面的集成电路设计其实是在晶圆上本身很薄的一层上进行设计，如果表面不平，进行光刻的时候就会出现扭曲，导致集成电路光刻失败。
   如果把晶圆的厚度比做10米高的楼房，晶圆的工作层也只有10～20cm左右

5. 背面处理

6. 双面抛光

7. 边缘倒角和抛光

8. 氧化

9. 包装

10. 衬底

集成电路晶圆的生产

前一阶段描述了晶圆的准备过程，这一阶段描述如何在晶圆上构造集成电路，也是晶圆真正的生产制造过程。在每个晶圆上通常可形成200~300个同样的器件，也可多至几千个。在晶圆上由分立器件或集成电路占据的区域称为芯片。晶圆生产制造也可称为制造、Fab、芯片制造或微芯片制造。晶圆上构造集成电路有几千个步骤， 它们可分为两个主要部分:

• 前端工艺线(FEOL)：是晶体管和其他器件在晶圆表面上的形成
• 后端工艺线(BEOL)：是以金属线把器件连在一起并加一层最终保护层

概念介绍

芯片、器件、电路、微芯片、条码：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、街区：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，但有些公司在街区内放置对准标记，或测试的结构
工程试验芯片、测试芯片：这些芯片模块是为了晶圆生产工艺的电性测试
边缘芯片：在晶圆的边缘上的一些掩模残缺不全的芯片而产生的面积损耗

电路设计

但是，在真正制作晶圆之前，先必须把电路设计好了，电路设计的步骤如下：

• 设计电路的逻辑图
• 将逻辑图转换为电路图
• 根据电路图在电路板上进行版图的设计，包括晶体管的位置，线路的安排等等，最后可能是包含很多层的一个复合层电路

光刻母版和掩模板

简单来讲就是把上一步的电路图刻到玻璃或石英板之类的东西上，然后使用刻录好的母版可以直接在晶圆上进行光刻。

前端工艺线(FEOL)

前端工艺线包含四种最基本的工艺，但是实际操作的时候可能是这四种工艺的几百上千个混合和反复的过程，这一步的操作可以这样来描述一下，通过不断的添加薄膜层，不断通过图形化工艺挖坑，通过掺杂和热处理产生特定传导率的元件，不断的交叉处理，可能最终生成一个芯片可以使用的元件，类似下图的模样

简单一些的话也能是这样

下面列出这四种基本工艺：

薄膜工艺

具体的工艺可能包括：

1. 氧化
   晶圆的氧化就是指的在表面形成一层二氧化硅薄膜。
   二氧化硅是由一个硅原子和两个氧原子组成的（$Si{O}_2$）,我们家里的窗户玻璃就是由有二氧化硅。
   二氧化硅有几个重要的特性：
   • 二氧化硅密度非常高，在晶圆表面能阻挡污染颗粒的进入
   • 二氧化硅非常硬，在晶圆表面能防止晶圆被划伤
   • 二氧化硅可以充当绝缘层使用
   • 二氧化硅可以通过控制厚度来控制是否产生电感应
2. 高压
3. 化学气相淀积 ( CVD )
4. 分子束外延 ( MBE )
5. 物理气相淀积 ( PVD )

图形化工艺

图形化工艺是晶圆生产的核心步骤。我觉得这一步就像是3D打印机，在晶圆上通过具体的工艺反复循环，最终能打印出电阻器，电容器、晶体管这样的电学元件。
具体的工艺可能包括：

1. 光刻胶
2. 曝光系统
3. 曝光源
4. 图像加工
5. 刻蚀

鉴于这一步的作用，我们使用一个例子说明一下步骤，下面的步骤在薄膜层挖一个孔：

• 晶圆经过氧化形成一层薄膜
  

• 在表面涂一层光刻胶
  

• 通过之前的光刻母版或者掩模板与晶圆精确对准，然后曝光，这时候两边的光刻胶会聚化，或者不易分解
  

• 去除中间非聚化的光刻胶
  

• 显影检查。检查表面的对准和缺陷

• 刻蚀，将晶圆顶层通过光刻胶的开口部分去除
  

• 将晶圆上的光刻胶去除
  

• 最后的检查

经过上面的例子，能大体知道过程，但是具体的工艺细节，我自己也不清楚。

掺杂

具体的工艺可能包括：

1. 扩散

加热

具体的工艺可能包括：

1. 热
2. 辐射

后端工艺线(BEOL)

在后端工艺线(BEOL)中，需要在芯片上用金属系统来连接各个器件和不同的层
金属薄膜在半导体技术中最普通的用途就是表面连线。把各个元件连接到一起的材料、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

• 单层金属：对于相对简单的集成电路，使用单层金属工艺就可以满足要求。
  1. 首先，在表层刻蚀和器件连接的小孔
  2. 然后，在上面涂上一层金属层
  3. 用传统的光刻和刻蚀工艺或剥离技术将这些层不要的部分去掉，这一步完成后，表面就剩下了连接器件的导线了。
  4. 最后进行合金化处理，也叫热处理
• 多层金属：增加芯片密度能够在晶圆表面放置更多的元件，这实际上就减少了表面连线的可用空间，这个问题就可以使用多层金属来解决，单层金属就相当于平房，多层金属就相当于楼房。

封装

晶圆中测

这步测试是晶圆生产过程的报告卡。在测试过程中，检测每一个芯片的电性能和电路功能
测试是为了以下三个目标

1. 在晶圆送到封装工厂之前，鉴别出合格的芯片。
2. 对器件/电路的电性参数进行特性评估。工程师们需要监测参数的分布状态来保持工艺的质量水平。
3. 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上以晶圆图的形式记录下来。

晶圆封装

在封装过程中，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。也有一些种类的芯片无须封装而直接合成到电子系统中。

终测