半导体制造全流程

半导体制造是一个极其复杂且精密的过程,主要涉及将硅片加工成功能强大的芯片。以下是半导体制造的全流程概述:


1. 硅材料制备

  1. 硅提纯
    • 使用冶金级硅,进一步提纯为高纯度硅(电子级硅),纯度可达 99.9999999%。
  2. 单晶硅拉制
    • 通过 Czochralski(CZ)法区熔法,将纯硅制成单晶硅棒。
    • 硅棒的直径、掺杂剂类型(N型或P型)及阻值由工艺需求决定。
  3. 硅晶圆切片和抛光
    • 将单晶硅棒切割成薄片(硅晶圆),通常为300mm或200mm直径。
    • 晶圆经过抛光和清洗,形成平整光滑的表面。

2. 光刻与图形定义

  1. 光刻胶涂布
    • 在晶圆表面均匀涂布一层光敏材料(光刻胶)。
  2. 光刻曝光
    • 使用光刻机将掩模版(Mask/Reticle)上的电路图形通过紫外光投射到光刻胶上。
    • 不同曝光技术包括:深紫外光(DUV)和极紫外光(EUV)。
  3. 显影
    • 将光刻胶经过显影液处理,去除曝光后或未曝光部分,形成电路图形的模板。
  4. 图形校准
    • 通过精确对准对每层电路进行叠加,确保电路图形对齐。

3. 蚀刻

  1. 干法蚀刻
    • 使用等离子体刻蚀设备,选择性移除未被光刻胶保护的材料。
    • 精确控制蚀刻深度和侧壁形状。
  2. 湿法蚀刻
    • 用化学溶液溶解特定区域材料,适合较大特征尺寸的蚀刻。

4. 离子注入与掺杂

  1. 离子注入
    • 通过加速器将掺杂离子(如磷、硼等)植入硅表面,改变材料的导电性。
  2. 退火
    • 使用高温退火工艺激活掺杂剂,使其进入晶格位置,并修复离子注入导致的晶体损伤。

5. 薄膜沉积

  1. 化学气相沉积(CVD)
    • 利用气态化学反应在晶圆表面形成薄膜(如二氧化硅、氮化硅等)。
  2. 物理气相沉积(PVD)
    • 包括溅射和蒸镀,用于金属膜沉积(如铝、铜等)。
  3. 原子层沉积(ALD)
    • 用于超薄膜沉积,厚度控制在纳米级。

6. CMP(化学机械抛光)

  • 使用化学和机械结合的方法,对晶圆表面进行平坦化处理。
  • 确保每一层的图形能够精确叠加。

7. 互连(布线)

  1. 介电材料沉积
    • 在晶圆上沉积绝缘层,以隔离不同的金属层。
  2. 金属布线
    • 使用铜或铝作为导线,连接不同的晶体管和电路。
    • 通过多层布线技术提升电路复杂度和性能。
  3. 过孔(Via)制作
    • 在不同金属层之间打通电气连接。

8. 封装与测试

  1. 晶圆测试
    • 使用探针台测试每个芯片的功能和性能,标记不合格芯片。
  2. 切割(Dicing)
    • 将晶圆切割成单个芯片(裸片)。
  3. 芯片封装
    • 将裸片安装在封装基板上,焊接引线或通过倒装芯片技术连接。
  4. 最终测试
    • 测试封装芯片的功能、电性能和可靠性。
  5. 出货
    • 合格芯片进入市场。

9. 其他关键技术

  1. EUV光刻
    • 使用13.5nm波长的极紫外光实现先进工艺节点(如7nm、5nm)。
  2. FinFET(鳍式场效应晶体管)
    • 3D晶体管架构,提高电流控制能力。
  3. 先进封装
    • 如2.5D封装和3D堆叠技术,提升芯片性能和密度。

整个半导体制造流程需要极高的精度和洁净度(无尘室环境),并结合光学、材料科学、化学和电子学等多学科技术。

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