文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了半導(dǎo)體集成電路制造中的晶圓制備、晶圓制造和晶圓測試三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

半導(dǎo)體集成電路制造中晶圓制造，可以分為五大制造階段：

本文針對前三個步驟進行介紹，分述如下：

晶圓制備

晶圓制造

晶圓測試

晶圓制備

在晶圓制造中，其演變趨勢是尺寸不斷增大，其帶來的影響如下：

生產(chǎn)效率：增大晶圓尺寸可以顯著提高生產(chǎn)效率。同樣一臺加工設(shè)備，在處理大尺寸晶圓時，由于每片晶圓上能容納的芯片數(shù)量顯著增加，因此單位時間內(nèi)可以生產(chǎn)的芯片總量也隨之增加。

生產(chǎn)成本：增大晶圓尺寸可以降低生產(chǎn)成本。大尺寸晶圓減少了晶圓之間的切割損耗，進一步提升了材料利用率，同時降低了單顆芯片的平均生產(chǎn)成本。

芯片設(shè)計：大尺寸晶圓為芯片設(shè)計提供了更大的空間，使得設(shè)計師能夠在單片晶圓上實現(xiàn)更復(fù)雜、更高效的電路設(shè)計。

工藝復(fù)雜性：晶圓尺寸增大也增加了制造工藝的復(fù)雜性。例如，對單晶硅生長的均勻性要求更高，拉制大尺寸單晶硅棒時需精確控制溫度、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)。

設(shè)備投資：大尺寸晶圓的生產(chǎn)線需專用設(shè)備，如EUV光刻機單臺成本超1億美元，且配套的沉積、蝕刻設(shè)備價格不菲。

晶圓制造

晶圓制造是半導(dǎo)體集成電路制造的核心環(huán)節(jié)，它按照一定的工藝流程，通過反復(fù)多次對晶圓進行清洗、薄膜制備、光刻圖形、刻蝕及摻雜等加工工藝，最終在晶圓上完成集成電路的芯片制造。

晶圓制造廠房內(nèi)通常會根據(jù)各單項工藝模塊劃分不同的區(qū)域，以確保生產(chǎn)流程的順暢和高效。

光刻區(qū)：將設(shè)計好的電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓表面。通過光刻膠和掩模版進行曝光、顯影和刻蝕等步驟。光刻膠在紫外光照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成與掩模版圖案相對應(yīng)的圖形。然后，通過刻蝕去除未被光刻膠保護的區(qū)域，形成所需的電路結(jié)構(gòu)。隨著器件特征尺寸的減小，光刻機所用的光源波長向深紫外方向轉(zhuǎn)移，以提高光刻精度?，F(xiàn)在，光刻間照明多用黃光，因此光刻間有時也被稱為黃房區(qū)。

刻蝕區(qū)：去除晶圓表面材料，形成特定圖形。包括濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕使用化學(xué)溶液去除材料，而干法刻蝕則通過等離子體或反應(yīng)離子束等物理或化學(xué)方法去除材料。早期主要是濕法刻蝕，刻蝕通常和清洗在一個區(qū)域。但隨著器件特征尺寸的減小，各向異性的干法刻蝕用得更多。干法刻蝕具有更好的側(cè)壁控制和關(guān)鍵尺寸控制能力，能夠滿足更精細的電路結(jié)構(gòu)需求。

離子注入?yún)^(qū)：調(diào)整晶圓表面的電特性，形成所需的摻雜層。使用離子注入機將加速的摻雜原子離子束轟擊晶圓表面，將雜質(zhì)原子注入到晶圓內(nèi)部。注入后的晶圓通常需要進行退火處理，以修復(fù)損傷并激活摻雜原子。早期對半導(dǎo)體摻雜主要是采取高溫爐擴散工藝。但隨著器件特征尺寸的減小，對PN結(jié)結(jié)深和雜質(zhì)濃度在硅中分布的形貌要求提高，離子注入技術(shù)逐漸成為主流的摻雜方法。離子注入技術(shù)具有摻雜濃度高、均勻性好、可控性強等優(yōu)點。

薄膜區(qū)：在晶圓表面形成各種薄膜，如絕緣層、半導(dǎo)體層或?qū)w層。包括化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）等方法。CVD通過熱分解或化學(xué)反應(yīng)將氣體化合物沉積在襯底上；PVD則通過物理過程如蒸發(fā)或濺射將材料沉積到襯底上。薄膜制備在晶圓制造中應(yīng)用廣泛。例如，SiO?薄膜常作為絕緣層使用，多晶硅薄膜用于制作晶體管柵極等。

擴散區(qū)：雖然現(xiàn)代晶圓制造中高溫爐擴散工藝幾乎不再使用，但擴散區(qū)這一名稱仍被沿用?，F(xiàn)在，該區(qū)域主要用于熱生長氧化硅膜、傳統(tǒng)的熱退火和快速熱退火（RTA）等工藝。隨著器件特征尺寸的減小和工藝要求的提高，擴散區(qū)的工作內(nèi)容也發(fā)生了變化。現(xiàn)在，該區(qū)域更注重于氧化硅膜的質(zhì)量和退火工藝的效率。

金屬化區(qū)：在晶圓表面形成金屬互連層，以便將各個器件連接起來形成完整的電路。包括鋁金屬化工藝和銅金屬化的大馬士革工藝等。鋁金屬化工藝需要電子束淀積鋁、磁控濺射鋁以及鋁的干法刻蝕工藝；而銅金屬化的大馬士革工藝則通過填充銅到預(yù)先刻蝕好的溝槽中形成互連層。隨著器件特征尺寸的減小和工藝要求的提高，銅金屬化的大馬士革工藝逐漸成為主流的金屬化方法。該工藝能夠避免銅對下面器件部分的沾污，提高電路的性能和可靠性。

外延區(qū)：在硅襯底上生長一層單晶硅薄膜（同質(zhì)外延）或在硅襯底上生長其他材料的薄膜（異質(zhì)外延），以滿足特定器件的需求。包括氣相外延（VPE）等方法。通過化學(xué)反應(yīng)在晶圓表面沉積一層新的單晶硅層或其他材料的薄膜。外延工藝在高性能集成電路和特殊器件制造中有廣泛應(yīng)用。例如，外延層可以用于制作高速度的晶體管、低功耗的器件等。

為了進一步提高光刻精度和效率，出現(xiàn)了極紫外光刻（EUVL）技術(shù)；為了改善刻蝕工藝的性能和效率，出現(xiàn)了原子層刻蝕（ALE）技術(shù)等。這些新技術(shù)的應(yīng)用使得晶圓制造過程更加精細、高效和可靠。

晶圓測試

晶圓測試是半導(dǎo)體制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它旨在確保每個芯片在封裝前都符合設(shè)計規(guī)格和功能要求。晶圓測試包括在晶圓制造工藝過程中的各種在線檢查、測量，以及在芯片制造完成后用探針卡（Probe Card）對集成電路芯片進行的功能和性能測試。以下是晶圓測試階段的詳細分述：

在線檢查與測量

目的：在晶圓制造工藝過程中進行實時檢查，確保工藝參數(shù)符合標(biāo)準，及時發(fā)現(xiàn)并糾正工藝偏差。同時，對晶圓的各種物理參數(shù)進行精確測量，如直徑、平整度、厚度等，以確保晶圓的質(zhì)量符合標(biāo)準要求。

方法：利用光學(xué)或其他對準技術(shù)，將晶圓上的測試點與探針卡精確對齊，進行實時檢查。同時，使用先進的測量儀器和設(shè)備，如激光干涉儀、原子力顯微鏡等，對晶圓進行非接觸式測量。

應(yīng)用：在線檢查廣泛應(yīng)用于晶圓制造過程中的各個工藝模塊，如光刻、刻蝕、摻雜等，以確保工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率。測量則用于確保晶圓的質(zhì)量符合標(biāo)準要求，為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

探針卡測試

目的：對晶圓上的每個芯片進行電氣性能測試，篩選出合格的芯片進行后續(xù)封裝。

方法：使用探針卡探測每一個裸芯片的電氣接觸點，進行功能性測試。探針卡上的探針與芯片上的焊點或者凸起直接接觸，導(dǎo)出芯片信號，再配合相關(guān)測試儀器與軟件控制實現(xiàn)自動化量測。

技術(shù)細節(jié)：探針卡是晶圓功能驗證測試的關(guān)鍵工具，通常由探針、電子元件、線材與印刷電路板（PCB）組成。探針卡上的探針細如毛發(fā)，能夠精確地與晶粒上的接點（pad）接觸。

技術(shù)演變：隨著器件特征尺寸的減小和工藝要求的提高，探針卡測試技術(shù)也在不斷發(fā)展。例如，出現(xiàn)了飛針測試技術(shù)，它能夠直接接觸探針卡連接器引腳，在PCB和陶瓷板之間進行完整的連續(xù)性測試，無需用特定應(yīng)用的接口板或固定裝置。

故障芯片標(biāo)記方法

目的：在檢測出缺陷芯片后，將其標(biāo)記為不合格，以便在后續(xù)的晶圓切割和封裝過程中排除。

方法：早期是將測試出有故障的芯片打個墨水點，以備封裝時將其剔除?，F(xiàn)在多用測試的計算機將有故障的芯片在晶圓位圖上記錄下其位置。

技術(shù)演變：隨著自動化和信息化技術(shù)的發(fā)展，故障芯片標(biāo)記方法也在不斷改進?，F(xiàn)在，計算機記錄的晶圓位圖可以更加精確地定位故障芯片，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

測試方法的演變對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響：

生產(chǎn)效率：自動化測試，隨著自動化測試技術(shù)的發(fā)展，晶圓測試過程變得更加高效和可靠。自動化測試能夠減少人工干預(yù)，提高測試速度和準確性，從而提高生產(chǎn)效率；智能化測試，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，開始探索如何利用機器學(xué)習(xí)算法來改進測試過程。例如，使用AI來識別UI元素變化，自動調(diào)整測試腳本；或者通過機器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測哪些部分的代碼更有可能包含缺陷。智能化測試能夠進一步提高測試效率和準確性，降低測試成本。

產(chǎn)品質(zhì)量：早期缺陷檢測，通過在線檢查和探針卡測試等技術(shù)，能夠在晶圓制造過程中早期發(fā)現(xiàn)缺陷芯片，避免其進入后續(xù)封裝和測試流程，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量；精確故障定位，隨著故障芯片標(biāo)記方法的改進，能夠更精確地定位故障芯片，避免誤判和漏判，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

晶圓測試階段的這些技術(shù)和方法不僅確保了芯片的質(zhì)量和性能，還通過提高生產(chǎn)效率和降低測試成本，為半導(dǎo)體制造行業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。