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半导体工艺解析：硅晶圆制造与氧化过程的全面概述

从硅片到集成电路：深入探讨制造流程与关键技术

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发表时间：2024-10-18 06:50
文章附图

硅晶圆制造

如何理解硅片、抛光片、退火片、外延片、晶圆、芯片、集成电路（IC）、分立器件/单管以及模块？

集成电路产业中使用的半导体材料包括硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化硅和氮化镓等。由于硅的储量丰富、提纯和加工工艺成熟，以及氧化硅（SiO₂）的优良绝缘特性，以硅为基础制造的硅晶圆在全球半导体晶圆市场中占据了超过99%的份额。


硅晶圆的制造流程如下： 硅石（经过还原） → 金属硅（经过提纯） → 多晶硅（在坩埚中加热熔融） → 熔融硅（通过直拉法生长晶体）→ 单晶硅棒（使用线刀切割） → 硅片（经过化学机械研磨） → 抛光片（经过热处理） → 退火片（通过外延生长） → 外延片（通过多种工艺结合） → 制造各种集成电路或分立器件。


硅片：指将单晶硅棒的头尾去掉后，保留中间部分的硅坯，通过切割加工得到的硅圆片。


抛光片：是对切割后的硅圆片进行倒角和研磨，使其单面或双面达到镜面状态的产品。


退火片：指某些硅圆片在抛光后放入扩散炉中进行热处理，以确保硅片表面形成无缺陷的层，即为退火片。


外延片：是在单晶衬底上生长出与衬底相同的单晶薄膜，外延层可以是同质外延或异质外延。


晶圆：通常切割后得到的硅片被称为裸晶圆，而经过各种电路制作工艺后的硅片则称为晶圆。


芯片：在终端应用市场上，集成电路（IC）通常被称为芯片，但在半导体制造过程中，芯片通常指从晶圆上切割下来的独立Die/裸片。


分立器件：指那些不需要与其他器件集成的单个器件，作为独立实体执行特定功能，包括但不限于二极管、三极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等。


集成电路（IC）：是将大量微型电子元器件集成在一个硅片上，以处理和存储各种功能的电子设备。


模块：指通过载板或电路板将多个元器件连接在一起的电路单元。功率模块通常将多个功率器件集成在一个封装内，而一些小信号或小功率模块可能没有密封外壳。

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图一


2. 硅晶圆制造

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图二：晶圆硅片的制造

1. 制造硅锭；2. 硅锭切割；3. 晶圆表面抛光；4.   抛光后的晶圆

  • 晶圆制造的三个阶段：

第一阶段：锭的制造（Ingot）

为了将从沙子中提取的硅用作半导体材料，首先需要经过预处理和还原反应，以提高其纯度，得到多晶硅。将多晶硅在高温下熔融于坩埚中，形成高纯度的硅溶液，并在特定的物料和化学条件下使其结晶凝固。这种形成的硅柱被称为锭（Ingot）。目前，单晶硅的主要生长方法有直拉法和区熔法。


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图三 直拉法制备单晶硅

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图四   区熔法制备单晶硅

第二阶段：硅片切割（Wafer Slicing）
通过单晶生长工艺获得的单晶硅锭需要去掉头尾，保留中间段的硅坯。接着，将硅坯的外围按照所需的直径进行研削加工（常见的直径有6英寸、8英寸和12英寸），并在硅坯周边切出Plat或notch的标志。随后，使用金刚石切割或线切割（对于12英寸晶圆，通常采用线切割），将硅坯切割成厚度均匀的薄硅片。

第三阶段：硅片表面抛光（Lapping & Polishing）
切割完成的硅片经过倒角后，需进行化学机械研磨（CMP），使其单面或双面光滑如镜，这种处理后的产品称为裸晶圆（Bare Wafer）。



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图五：Fab厂加工前的裸晶圆硅片和加工后的晶圆
  • 晶圆片的相关名词

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图六：晶圆的不同部位

1. 晶圆，2.晶粒，3.分割线，4.平坦区，5.凹槽

① 晶圆（Wafer）：  

晶圆是半导体集成电路的核心材料，呈圆形的薄片。在半导体制造过程中，硅片通常被切割成圆形，这种圆形的硅片称为硅晶圆。

② 晶粒（Die）：  

多个矩形晶粒聚集在一个圆形晶圆上。这些矩形晶粒即为集成电路的IC芯片。

③ 分割线（Scribe Line）：  

虽然晶粒看似紧密贴合在一起，实际上它们之间是有一定间距的，这个间距称为分割线。设置分割线的目的是为了在晶圆加工完成后，能够将这些晶粒逐一切割下来，并组装成芯片，同时为金刚石锯切割留出空间。

④ 平坦区（Flat Zone）：  

平坦区是为了区分晶圆结构而设立的区域，作为晶圆加工的标准线。由于晶圆的晶体结构极为精细，肉眼难以判断，因此平坦区被用作判断晶圆垂直和水平的参考。

⑤ 凹槽（Notch）：  

目前，8寸和12寸晶圆中都出现了凹槽设计。与平坦区晶圆相比，凹槽晶圆可以制造出更多的晶粒，从而提高利用率。半导体产业包括生产硅片衬底的晶圆行业，以及以晶圆衬底为材料进行设计和制造的晶圆加工行业，通常所称的晶圆厂（Fab）即为此。此外，还有封装测试产业，它将加工后的晶圆切割成独立的晶粒（裸片），并进行封装，以防止潮气和外部环境的压力影响。


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图七：Flat Type和Notch Type

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图八：主副定位边图

氧化工艺

1. 半导体制程工艺分段概览

如图九所示，日常见到的电路板/PCBA（印刷电路板组件）的基本结构由MOSFET、三极管、电阻、电容等元件组成，这些元件固定在印刷电路板上，并通过焊接将其与电路板上的铜线路连接，从而实现电路功能。印刷电路板通常分为单面板、双面板和多层板。


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图九 PCBA

类似于上述PCBA，集成电路的制作过程首先是在晶圆上创建不同元件（如二极管、三极管、MOSFET、电阻和电容）所需的区域，然后在这些元件区域上叠加多个金属布线层。通过过孔和金属布线连接下层元件区域的不同元件（例如MOSFET和三极管）。以苹果的A17 Pro手机芯片为例，它集成了多达190亿个晶体管。


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图十   半导体制程工艺分段

半导体工艺分段：

制造电子元器件区域的过程被称为“前端工艺”或“前道工艺”；而制造多个金属布线层并通过硅通孔连接数十亿甚至百亿晶体管的过程则称为“后端工艺”或“后道工艺”。前端工艺和后端工艺合称为前段制程，而完成前段制程后的晶圆在进行减薄、背面金属化、划片、封装和测试等环节时，则被称为后段制程。通常情况下，前段制程在Fab厂完成，而后段制程则在封测厂进行。如图十一。

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图十一 半导体制程工艺

在前段制程中，通常根据每个环节的工艺目标不同，选择不同的设备和工艺组合来实现。前段制程主要通过清洗、光刻、离子注入、氧化/扩散/热处理、成膜、刻蚀和平坦化等工艺的不同组合进行多次循环，以达到预期的工艺目的。

如图十二。

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图十二   循环型前段制程流程
2. 氧化工艺
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在所有工艺中，最基本的阶段是氧化工艺。氧化工艺是将硅片置于氧气或水蒸气等氧化剂的环境中进行高温热处理（温度范围为800~1200℃），使硅片表面发生化学反应，从而形成氧化膜（SiO₂薄膜）。

SiO₂薄膜因其硬度高、熔点高、化学稳定性好、绝缘性优良、热膨胀系数小及工艺可行性等特性，在半导体制造工艺中被广泛应用。

氧化硅的作用包括：

  1. 器件保护与隔离：SiO₂的坚硬和致密性特征使其能够保护硅片，防止在制造过程中受到划伤和损害。

  2. 栅氧电介质：SiO₂具有较高的电介质强度和电阻率，且稳定性良好，能够作为MOS技术中栅氧结构的介质材料。

  3. 掺杂阻挡：SiO₂可用作扩散、离子注入和刻蚀工艺中的掩膜阻挡层。

  4. 垫氧层：减小氮化硅与硅之间的应力。

  5. 注入缓冲层：降低离子注入造成的损伤及沟道效应。

  6. 层间介质：用于导电金属层之间的绝缘，通常通过CVD方法生成。


热氧化的分类和原理：

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根据氧化反应所使用的气体，热氧化法可分为干氧化（Dry Oxidation）和湿氧化（WetOxidation)。
干氧氧化：Si+O2-->SiO2
湿氧氧化：Si+ H2O + O2-->SiO2 + H2
水汽氧化（湿氧）：Si + H2O -->SiO2 + H2

干氧化只使用纯氧气（O2)，所以氧化膜的生长速度较慢，主要用于形成薄膜，且可形成具有良好导电性的氧化物。湿氧化同时使用氧气（O2）和高溶解性的水蒸气（H2O)。所以，氧化膜生长速度快，会形成较厚的膜。但与干氧化相比，湿氧化形成的氧化层密度低。通常，在相同温度和时间下，通过湿氧化获得的氧化膜比使用干氧化获得的氧化膜要厚大约5至10倍。

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图十三   三种热氧化层的质量比较

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图十四   氧化系统



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