半导体制造工艺最强科普

半导体产业中，制造工工程被称为工艺（Process），理由是什么？虽然没有明确的答案，但与其说加工尺寸微小（目前是nm制程），不如说制造过程无法用肉眼看到所致。本文将从最底层工艺为大家科普半导体制造工艺的冰山一角。

前道工序

半导体工艺包含前道工序和后道工序。

前道工序主要是对硅晶圆进行加工，这种加工不是将零件添加到皮带输送机上，流动清洗、离子注入和热处理、光刻、刻蚀、成膜、平坦化（CMP）这6个工艺会反复多次进行，也叫“循环工艺”。

LSI芯片并不是一个个在硅片上制造，而是类似印钞，在一张大纸（硅片）上印刷很多张，然后剪裁出来。前道工序一大特点就是生产线的清洁度要求非常严格，通常需要至少1级①以上的清洁度。

①1级：Class是洁净度的标准。用1立方英尺（约30平方厘米）的空气中存在多少颗粒表示。Class 1指存在1个个颗粒。

提问

1.前道工序fab的全貌是怎样的？

2.什么叫做Bay方式？

清洗和干燥湿法工艺

在前道工序中，晶圆在半导体工艺各种设备传送期间，必须进行清洗。晶圆在每次的工艺处理过程中都会受到污染，例如空气和部品材质的微细颗粒和杂质、设施、设备和电源线的电磁辐射、晶圆加工测量时光束造成的损坏、工艺和晶圆传送时的静电等。从清洗设备出来后，必须保持干燥状态，称为“干进干出”（Dry-In-Dry-Out），因为晶圆如果处于含水的状态，晶圆表面就会迅速氧化，肉眼看不见的水滴会形成水渍影响后续工艺。

晶圆上的颗粒和污染可以通过化学或物理两种方法去除。物理方法包括用刷子机械去除污染或用超声波震动去除污染；化学方法通过化学反应直接溶解污染和颗粒，或者把附着了颗粒或污染的晶圆表面溶解一层“薄皮”。

而干燥方面，传统上使用的方法是旋转干燥（Spin Dry）和IPA（异丙醇）干燥。前者将晶圆放入一个特殊的盒子中，并高速旋转以甩掉水分，该方法设备结构简单，价格低，吞吐量②高，但需要灵活性高、能产生静电的零部件。后者是用挥发性IPA蒸汽替换晶圆表面的水分，使之干燥，好处是有利于图形的干燥，但需要使用易燃化学品，且容易留下有机物、残留物。除此之外，还有一种干燥方法叫“马兰戈尼干燥”，即将晶圆从顺水中立即送入IPA蒸汽中干燥，如此可以减少IPA的用量，但吞吐量较小，有机物有残留。

②吞吐量（Throughput）：单位时间内可以处理的晶圆数量。

提问

1.清洗晶圆的方法有哪些？

2.什么叫湿法工艺和干法清洗？

离子注入和热处理工艺

硅半导体不能只在本征区或同类型的杂质区中形成晶体管并工作，因为硅是单晶，所以硅原子是有规律排列的。如果只有硅，电流很难流动，基本上是绝缘体，为此，必须在硅衬底中形成n型区域和p型区域，离子注入技术扮演了这个角色。

离子注入就是将杂质的原子进行离子化，再提供足够的加速能量将其注入硅晶体中。也就是在硅中注入杂质，使电流更容易流动，打入的杂质原子与硅晶体的晶格相替换，从参杂的杂质原子和硅原子交换成为n型杂质，或者成为p型杂质。

这些杂质原子与硅形成共价键，比硅多一个电子的杂质为n型,如P（磷）、As（砷）等，少一个电子的杂质为p型，如B（硼）。

离子注入的区域和硅的厚度相比是非常薄的，自身也只有1-2微米，晶格恢复处理也是在这个区域进行的。实际的离子注入是通过光刻掩膜进行的，其形成和去除要使用光刻工艺和灰化工艺。

由于离子注入仅注入单晶硅中，因此需要进行热处理，以便进行晶格恢复。所以离子注入和晶格恢复的热处理是两个一组的工艺，类似我们刚刚提到的清洗和干燥工艺一样。

注入离子后的硅晶圆晶格会受到注入离子的损伤，硅晶格离子的冲击而变得混乱，也可能会出现注入的离子并未替换原有的硅，所以硅原子和杂质原子需要在热的作用下，在单晶硅内移动，并落在硅的晶格点上。上述过程需要使硅晶圆温度上升，被称为“热处理”。

提问

1.离子注入机和离子束扫描是什么样子的？有哪些离子注入工具？

2.热处理工艺用什么设备？

光刻工艺

光刻工艺本身不能再LSI留下任何形状，如果从绘画的角度来说，光刻就像素描或者草稿。光刻的构成要素包括曝光装置、感光材料的光刻胶、有版图的掩模版、涂胶、显影等工艺。

我们可以把光刻理解为是照相，光刻胶是相纸，掩膜是被照的物体，例如一片叶子，光源就是日光。具体流程大概是，首先在准备刻蚀的薄膜上面涂上光刻胶，但晶圆表面亲水性高，有时光刻胶无法很好的涂抹，需要用到一种名为HMDS（六甲基二硅氮烷）的有机溶剂使晶圆表面具有疏水性。涂上光刻胶后，需要在70℃-90℃温度下进行前烘处理（Pre-Bake，也称“软烘”）来去除溶剂。

接下来曝光装置需要通过掩模版来绘制图形，其实光刻就是将掩模版上的图像精确地转移（照）到光刻胶（相纸）上。掩模版是在透光的石英基板上用铬（Cr）作为遮光材料，形成一定的图形。

接下来进行“显影”步骤，这个时候又要提到光刻胶。光刻胶就像老式相纸的正片、底片一样，它也分“负性光刻胶”和“正性光刻胶”。负性光刻胶在光照射到的地方会留下图形，而正性光刻胶在光照射不到的地方会留下图形。由此可推理，如果是负性光刻胶，显影就是去除没有被光照到的地方；如果是正性光刻胶，显影就是去除被光照射到的地方。

接下来，为了去除显影液等多余液体，增强剩余光刻胶与刻蚀薄膜的附着性，需要在100℃的温度下进行后烘（Post-Bake，也称硬烘）。

提问

1.光刻工艺中怎样将图像“冲印”到光刻胶上？曝光技术这些年来发生了哪些改变？

2.DUV和EUV的区别是什么？

3.在接近曝光分辨率的极限下，怎样进一步提高光刻的精细度？

刻蚀工艺

刻蚀是利用光刻工艺所在刻蚀薄膜（刻蚀对象）上形成光刻图形，此时光刻胶作为刻蚀的掩蔽层，所以有时候也称其为光刻胶掩蔽膜。接下来，放入刻蚀设备（本小节主要讲干法刻蚀设备），用光刻胶作为掩膜进行刻蚀。

刻蚀气体在等离子体③中分解电离，形成离子和自由基等刻蚀类物质，称为“Enchant④”。Enchant达到晶圆表面开始刻蚀，想要刻蚀出深度形状，低压情况下更有利，但也不是越低越好，太低的压力放电会不顺利，等离子体难以产生。

到达晶圆表面的Enchant与被刻蚀物发生反应，进行刻蚀反应。刻蚀反应的副产物必须迅速脱离并排气，否则副产物会附着在表面，刻蚀反应无法进行。

刻蚀完成后，需要采用“灰化⑤”来去除刻蚀对象上面的光刻胶。

③等离子体：等离子体是气体、液体、固体之外的第四种物质状态，大致来说就是电离气体，可以认为其整体电荷为中性。在真空中导入想要的气体，经过放电和增压，产生的电子与气体分子碰撞，生产离子和中性活性的自由基，不断重复这个过程就会产生等离子体。

④Enchant：等离子体中产生的一堆进行刻蚀的物质，包括电子、离子和自由基。

⑤灰化（Ashing）：把有机物的光刻胶用氧气燃烧成“灰”。

提问

1.刻蚀设备的运作机理是怎样的？

2.目前干法刻蚀面临着怎样的挑战？

3.刻蚀出现的溶解偏差怎样减小？

成膜工艺

LSI工艺本质上是在一个硅晶圆上制造杂质区域、布线和绝缘膜的工艺过程。LSI基本上由半导体层（包括硅晶圆）、用于供电的金属布线层以及用于电器隔离的绝缘层（也称介质层）组成。

其中，半导体层是晶体管中最重要的区域，晶体管是半导体器件的基础。金属布线将这些器件连接起来，绝缘层把导线和元件电气隔离开来。其中就涉及到各种“膜”，比如电阻膜、绝缘膜、Cu阻隔金属膜、Al阻隔金属膜、STI埋层等。

提问

1.成膜设备的运作方式是怎样的？

2.成膜环节中的CVD、溅射工艺、电镀工艺、涂布工艺、High-k栅极堆叠工艺、Cu/Low-k工艺都是怎么一回事？

平坦化（CMP）工艺

CMP在一开始并不是前道工序的必要步骤，随着系统级LSI和先进CMOS数字电路多层布线化的发展需求，使得CMP这一让硅片表面变平滑的技术不可或缺。

先进LSI通常会是把已经完成电路验证的IP进行整合，完成逻辑LSI的设计，所以必须要用布线连接各种电路模块。这样的布线方法必定是多层次结构，需要多层布线，为了完成3层及以上的多层布线，CMP是非常有必要的。

提问

1.CMP设备是怎样的？如何工作的？

2.CMP的平坦化机理是什么？

3.双大马士革的流程是什么？

后道工序

后道工序是将晶圆上做好的LSI芯片单独切割、封装的组装加工技术。

即使前道工序做得非常认真，最终晶圆上的芯片还是会有不良品，需要经过晶圆测试来去除。晶圆测试使用称为探针台（Prober）的设备来完成，设备上装有探针卡，探针卡上有很多导电的探针。

将通过检测的晶圆开始进行封装。在可以满足机械强度和晶圆翘曲度的要求下，我们尽量让晶圆更薄一些，因此封装晶圆不需要保持原来的厚度，要从背面削减到规定厚度，这就是减薄（Back Grind）。

晶圆是圆的，而芯片是方的，所以需要对晶圆进行划片（Dicing）。减薄的晶圆要粘贴到划片胶带上，避免划片后的芯片到处散落，可以原封不动地带入下一道程序。

芯片切割完成后称为Die。贴片（Die Bonding）是在切出的芯片中挑选合格品贴在封装底座（Die Pad）上，然后用粘合剂固定到封装中。固定好后的LSI要进行引线键合（Wire Bonding），也就是用引线将芯片I/O端口和封装引脚连接起来。曾几何时，引线键合是一根一根由人工完成，所以后道工序是劳动密集型产业，但现在可以用自动引线键合的设备，每秒就可以键合5-10根引线，效率大大提升。

完成LSI芯片的贴片和引线键合后，接下来就要为封装进行注塑（Molding）。如果芯片是汤圆馅，注塑就是汤圆皮。讲完成了引线键合的芯片和引线框架一起传到封装用的下部模具上面，再盖好上部模具，形象地说，是把芯片放置到上下模具形成的空腔（Cavity）中。再将模具加热到约160℃-180℃，注入热固性环氧树脂，等待温度下降，环氧树脂固化后，注塑就完成了。

完成LSI芯片注塑后，为了把产品出货销售，还需要给产品印上产品名称和批次名称，也就是要打标（Marking），还要对LSI外引线的形状进行修整，称为引线成形（Lead Forming）。完成这两项之后，就要进行最终产品检验了，例如低高温测试、负载条件测试，根据半导体产品不同，检查方法也不尽相同。

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