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晶圆制造与集成电路制造流程


        半导体制造简单划分可以分为晶圆制造和集成电路制造两大块。其中晶圆制造大致经历普通硅沙(石英砂)-->纯化-->分子拉晶-->晶柱(圆柱形晶体)-->晶圆(把晶柱切割成圆形薄片)几个步骤。

        石英砂纯化:第一步是冶金级纯化,此过程主要是加入碳,以氧化还原的方式,将氧化硅转换成 98%以上纯度的硅。
        参考观研天下发布《2018-2023年中国集成电路产业市场运营规模现状及未来发展前景预测报告
        分子拉晶:将前面所获得的高纯度多晶硅融化,形成液态的硅之后,以单晶的硅种和液体表面接触,一边旋转一边缓慢的向上拉起。最后,待离开液面的硅原子凝固后,排列整齐的单晶硅柱便完成了,其硅纯度达到 99.999999%。

        切割晶圆:用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片,这些硅晶片经过洗涤、抛光、清洁和接受入眼检测与机器检测,最后通过激光扫描发现小于人的头发丝宽度的 1/300 的表面缺陷及杂质,合格的圆晶片交付给芯片生产厂商。

 

        集成电路制造工艺是由多种单项工艺组合而成的,简单来说有四个主要步骤:薄膜制备工艺;图形转移工艺和掺杂工艺。

 

        薄膜制备工艺:集成电路的制造过程中需要在晶圆片的表面上生长数层材质不同,厚度不同的薄膜,制造膜层的主要方法有氧化,化学气相沉积(CVD)以及物理气象沉积(PVD)。

        氧化:硅晶圆片与含氧物质(氧气,水汽等氧化剂)在高温下进行反应从而生成二氧化硅膜。

        CVD:把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室,借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。

        PVD:采用物理方法,将材料源电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

        图形转移工艺:IC 制作工艺中氧化,沉积以及扩散,离子注入等流程本身对晶圆片没有选择性,都是对整个硅晶圆片进行处理,不涉及任何图形。IC 制造的核心是将 IC 设计者的要求的图形转移到硅晶圆片上,因此需要图形转移工艺,主要包括光刻工艺。

        光刻工艺:光刻是将掩膜板上的图形复制到硅片上,作为半导体最重要的工艺步骤之一,光刻的成本约为整个硅片制造工艺的 1/3,耗费时间约占整个硅片工艺的 40~60%。

 

        1.在硅晶圆片上涂上光刻胶,用预先制作好的有一定图形的光刻掩膜版盖上。

        2.对涂有光刻胶的晶圆片进行曝光,光刻胶感光后其特性发生改变,正胶的感光部分变得容易溶解,而负胶则相反。

        3.对晶圆片进行显影。正胶经过显影后被溶解,只留下未受光照部分的图形,而负胶相反,收到光照部分变得不容易溶解。

        4.经过显影后,对晶圆片进行刻蚀,将没有被光刻胶覆盖部分去除掉,达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。由于光刻胶的下层薄膜可能是二氧化硅,氮化硅,多晶硅或者金属材料,材料不同或者图形不同,刻蚀的要求也不同。

        5.用去胶法把涂在晶圆片上的感光胶去掉。

        掺杂工艺:掺杂工艺是将可控数量的所需杂质掺入晶圆的特定区域中,从而改变半导体的电学性能。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要工艺。

        扩散:扩散是一种原子,分子或离子在高温驱动下(900-1200℃)由高浓度区向低浓度区的运动过程,杂质的浓度从表面到体内单调下降,而杂质分布由温度和扩散时间来决定。

        离子注入:离子注入工艺就是在真空系统中,通过电场对离子进行加速,并利用磁场使其改变运到方向,从而控制离子以一定的能量注入晶圆片内部,在所选择的区域形成一个具有特殊性质的注入层,达到掺杂的目的。


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