解鎖半導體工藝：硅片晶圓制造與氧化工藝全覽

硅片晶圓制造

1. 怎么理解硅片，拋光片，退火片，外延片，晶圓，芯片，IC/集成電路，分立器件/單管，模塊？

集成電路產業中所用的半導體材料包括硅，鍺，砷化鎵，磷化銦，碳化硅，氮化鎵等等，由于硅的儲量極其豐富，而且提純，加工工藝非常成熟，氧化硅/SiO2的絕緣性非常好等特點，以硅為材料制造的硅晶圓占據全球99%以上的半導體晶圓市場。

硅晶圓的制造過程：

硅石（通過還原）-->金屬硅（通過提純）-->多晶硅（通過在坩堝中加熱熔融）-->熔融硅（通過直拉法長晶）-->單晶硅棒(通過線刀切割）-->硅片（通過化學機械研磨）-->拋光片(通過熱處理）-->退火片(通過外延生長）-->外延片（通過多種工藝配合）-->制造各種集成電路或者分立器件

硅片： 把單晶硅棒去頭去尾，留取硅棒中間部分的硅坯，再以切割加工得到的硅圓片。

拋光片：把切好的硅圓片經過倒角，研磨使其成為單面或者雙面成為鏡面狀態。

退火片：對于部分硅圓片在拋光后還要放入擴散爐中進行熱處理，確保硅片表面成為無缺陷層，即為退火片。

外延片：在單晶襯底上使生長出晶相和襯底一樣單晶薄膜。外延層可以是同質外延，也可以是異質外延。

圖一

晶圓：通常切割完的硅片稱為裸晶圓，把進一步在硅片上完成各種電路制作工藝后的硅片稱為晶圓。

芯片：在終端應用市場通常把集成電路/IC稱為芯片，但在半導體生成過程中，芯片通常指從晶圓上切下來的一顆顆獨立的Die/裸片。

半導體分立器件：指不需要與其他器件集成在一起，單個器件作為實體存在執行特定的功能，例如包括但不限于：二極管，三極管，晶閘管，MOSFET,IGBT。

集成電路/IC：把大量的微型電子元器件集成在一個硅片上，以處理和儲存各種功能的電子部件的電子器件。

模塊：把多個元器件通過載板或者電路板連接在一起的電路單元。功率模塊通常是把多個功率器件通過載板集成在一個封裝內的電路單元，而一些小信號/小功率模塊可能沒有密封的外殼。

2. 硅晶圓制造

圖二：晶圓硅片的制造

1. 制造硅錠；2. 硅錠切割；3. 晶圓表面拋光；4.  拋光后的晶圓

• 晶圓制造的三個階段：

第一階段   制造錠（Ingot)

為了將從沙子中提取的硅作為半導體材料使用，首先需要經過預處理，還原反應，提高純度等工序得到多晶硅。將多晶硅原料在坩堝中高溫熔融，制造高純度的硅溶液，在特定的物料和化學條件下使其結晶凝固。這樣形成的硅柱叫做錠(Ingot)

目前單晶硅生長的主要方法有直拉法和區熔法。

圖三 直拉法制備單晶硅

圖四  區熔法制備單晶硅

第二階段   硅片切割（Wafer Slicing）

通過單晶生長工藝得到的單晶硅錠，需要去頭去尾，留區硅錠的中間段的若干個硅坯，把硅坯的外圍按所需直徑尺寸做研削加工，(常見的有6英寸，8英寸，12英寸），并在硅坯周邊切出Plat或notch的標志。再通過金剛石切割或者線切割（對于12寸晶圓，大多采用線切割），將硅坯切成厚度均勻的薄硅片。

第三階段   硅片表面拋光/（Lapping&Polishing）

切好后的硅片經過倒角后，需要再進行化學機械研磨/CMP，使其單面或者雙面像鏡子一樣光滑，稱為裸晶圓（BareWafer）

圖五：Fab廠加工前的裸晶圓硅片和加工后的晶圓

• 晶圓片的相關名詞

圖六：晶圓的不同部位

1. 晶圓，2.晶粒，3.分割線，4.平坦區，5.凹槽

① 晶圓（Wafer)：晶圓是半導體集成電路的核心材料，是一種圓形的薄片。在半導體制造過程中，半導體硅片通常被切割成圓形，稱為硅晶圓。

② 晶粒（Die)：很多四邊形都聚集在圓形晶圓上。這些四邊形都是集成電子電路的IC芯片。

③ 分割線（ScribeLine)：看上去各個晶粒像是粘在一起，但實際上晶粒和晶粒之間具有一定的間隙。該間距稱為分割線。在晶粒和晶粒之間設置分割線的是為了在晶圓加工完成后將這些晶粒一個個割斷，然后組裝成芯片，也是為了留出用金剛石鋸切割的空間。

④ 平坦區（FlatZone)：平坦區是為區分晶圓結構而創建的區域，是晶圓加工的標準線。由于晶圓的晶體結構非常精細并且無法用肉眼判斷，因此以這個平坦區為標準來判斷晶圓的垂直和水平。

③ 凹槽（Notch)：如今8寸，12寸也出現了具有凹槽的晶圓。和平坦區晶圓相比，凹槽晶圓可以制造更多的晶粒，因此利用率更高。半導體產業包括生產硅片襯底的晶圓產業，以及以晶圓襯底為材料設計和制造的晶圓加工產業---制造行業，就是我們通常所指的晶圓廠，Fab廠/（Fabrication，FAB）。另外，還有封裝測試產業，它將加工過的晶圓切割成晶粒/單顆裸片，并封裝好以防止受潮和受到外部環境應力。

下面為不同的晶圓定位邊標識圖：

圖七：Flat Type和Notch Type

圖八：主副定位邊圖

1. 半導體制程工藝分段概覽

如圖九，我們日常見到的電路板/PCBA， 它的基本結構是把MOSFET, 三極管，電阻，電容等元器件固定在印刷電路板上，再通過焊接把元器件和電路板上的銅皮走線連接起來，實現電路功能。印刷電路板通常有單面板，雙面板，多層板。

圖九 PCBA

與以上PCBA類似，集成電路就是首先在晶圓上制作包含不同的元器件(二極管，三極管，MOSFET,電阻，電容）區域，再在元器件區域層上面疊加制作不同的金屬布線層，通過過孔和金屬布線來連接下層元器件區域的不同元器件（MOSFET, 三極管，等等），像蘋果的手機芯片A17 Pro里面就集成了190億個晶體管。

圖十  半導體制程工藝分段

半導體工藝分段：

在半導體制程工藝中，制造電子元器件區域的過程稱為“前端工藝/前道工藝”，制造若干金屬布線層并且通過硅通孔來連接多達數十億甚至百億晶體管的過程，我們稱為“后端工藝/后道工藝”。前端工藝和后端工藝加起來，我們稱之為前段制程，而把完成前段制程的晶圓再進行減薄，背面金屬化，劃片，封裝，測試的環節稱為后段制程。通常前段制程在Fab廠完成，后段制程在封測廠完成。如圖十一。

圖十一 半導體制程工藝

在前段制程中，通常會根據每個環節的工藝目的不同，而選擇不同的設備和工藝組合來生成。前段制程基本上由清洗，光刻，離子注入，氧化/擴散/熱處理，成膜，刻蝕，平坦化這幾種工藝的不同組合的多次循環來實現工藝目的。如圖十二。

圖十二  循環型前段制程流程

2. 氧化工藝

所有工藝最基礎的階段就是氧化工藝。氧化工藝就是將硅片放置于氧氣或水汽等氧化劑的氛圍中進行高溫熱處理（800~1200℃），在硅片表面發生化學反應形成氧化膜(SiO2薄膜)的過程。

SiO2薄膜因為其具有硬度高，熔點高，化學穩定性好，絕緣性好，熱膨脹系數小，以及工藝的可行性等特點，在半導體制造工藝中被廣泛采用。

氧化硅的作用：

1.器件保護和隔離，表面鈍化。SiO2具有堅硬和致密性好的特點，可以保護硅片，避免在制造過程中受到劃傷和損害。

2.柵氧電介質。SiO2具有較高的電介質強度和較高的電阻率，穩定性好，可作為MOS技術柵氧結構的介質材料。

3.摻雜阻擋。SiO2可作為擴散，離子注入，刻蝕工藝中的掩膜阻擋層。

4.墊氧層。減小氮化硅與硅之間的應力。

5.注入緩沖層。減小離子注入損傷及溝道效應。

6.層間介質。用于導電金屬層之間的絕緣（用CVD方法生成）

熱氧化的分類和原理：

根據氧化反應所使用的氣體，熱氧化法可分為干氧化（Dry Oxidation）和濕氧化（WetOxidation)。

干氧氧化：Si+O2-->SiO2

濕氧氧化：Si+ H2O + O2-->SiO2 + H2

水汽氧化（濕氧）：Si + H2O -->SiO2 + H2

干氧化只使用純氧氣（O2)，所以氧化膜的生長速度較慢，主要用于形成薄膜，且可形成具有良好導電性的氧化物。濕氧化同時使用氧氣（O2）和高溶解性的水蒸氣（H2O)。所以，氧化膜生長速度快，會形成較厚的膜。但與干氧化相比，濕氧化形成的氧化層密度低。通常，在相同溫度和時間下，通過濕氧化獲得的氧化膜比使用干氧化獲得的氧化膜要厚大約5至10倍。

圖十三  三種熱氧化層的質量比較

圖十四  氧化系統

來源：華芯