硅片晶圆制造

1. 怎么理解硅片，抛光片，退火片，外延片，晶圆，芯片，IC/集成电路，分立器件/单管，模块？

集成电路产业中所用的半导体材料包括硅，锗，砷化镓，磷化铟，碳化硅，氮化镓等等，由于硅的储量极其丰富，而且提纯，加工工艺非常成熟，氧化硅/SiO2的绝缘性非常好等特点，以硅为材料制造的硅晶圆占据全球99%以上的半导体晶圆市场。

硅晶圆的制造过程：

硅石（通过还原）-->金属硅（通过提纯）-->多晶硅（通过在坩埚中加热熔融）-->熔融硅（通过直拉法长晶）-->单晶硅棒(通过线刀切割）-->硅片（通过化学机械研磨）-->抛光片(通过热处理）-->退火片(通过外延生长）-->外延片（通过多种工艺配合）-->制造各种集成电路或者分立器件

硅片： 把单晶硅棒去头去尾，留取硅棒中间部分的硅坯，再以切割加工得到的硅圆片。

抛光片：把切好的硅圆片经过倒角，研磨使其成为单面或者双面成为镜面状态。

退火片：对于部分硅圆片在抛光后还要放入扩散炉中进行热处理，确保硅片表面成为无缺陷层，即为退火片。

外延片：在单晶衬底上使生长出晶相和衬底一样单晶薄膜。外延层可以是同质外延，也可以是异质外延。

图一

晶圆：通常切割完的硅片称为裸晶圆，把进一步在硅片上完成各种电路制作工艺后的硅片称为晶圆。

芯片：在终端应用市场通常把集成电路/IC称为芯片，但在半导体生成过程中，芯片通常指从晶圆上切下来的一颗颗独立的Die/裸片。

半导体分立器件：指不需要与其他器件集成在一起，单个器件作为实体存在执行特定的功能，例如包括但不限于：二极管，三极管，晶闸管，MOSFET,IGBT。

集成电路/IC：把大量的微型电子元器件集成在一个硅片上，以处理和储存各种功能的电子部件的电子器件。

模块：把多个元器件通过载板或者电路板连接在一起的电路单元。功率模块通常是把多个功率器件通过载板集成在一个封装内的电路单元，而一些小信号/小功率模块可能没有密封的外壳。

2. 硅晶圆制造

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   制造锭（Ingot)

为了将从沙子中提取的硅作为半导体材料使用，首先需要经过预处理，还原反应，提高纯度等工序得到多晶硅。将多晶硅原料在坩埚中高温熔融，制造高纯度的硅溶液，在特定的物料和化学条件下使其结晶凝固。这样形成的硅柱叫做锭(Ingot)

目前单晶硅生长的主要方法有直拉法和区熔法。

图三 直拉法制备单晶硅

图四  区熔法制备单晶硅

第二阶段   硅片切割（Wafer Slicing）

通过单晶生长工艺得到的单晶硅锭，需要去头去尾，留区硅锭的中间段的若干个硅坯，把硅坯的外围按所需直径尺寸做研削加工，(常见的有6英寸，8英寸，12英寸），并在硅坯周边切出Plat或notch的标志。再通过金刚石切割或者线切割（对于12寸晶圆，大多采用线切割），将硅坯切成厚度均匀的薄硅片。

第三阶段   硅片表面抛光/（Lapping&Polishing）

切好后的硅片经过倒角后，需要再进行化学机械研磨/CMP，使其单面或者双面像镜子一样光滑，称为裸晶圆（BareWafer）

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

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，是一种圆形的薄片。在半导体制造过程中，半导体硅片通常被切割成圆形，称为硅晶圆。

② 晶粒（Die)：很多四边形都聚集在圆形晶圆上。这些四边形都是集成电子电路的IC芯片。

③ 分割线（ScribeLine)：看上去各个晶粒像是粘在一起，但实际上晶粒和晶粒之间具有一定的间隙。该间距称为分割线。在晶粒和晶粒之间设置分割线的是为了在晶圆加工完成后将这些晶粒一个个割断，然后组装成芯片，也是为了留出用金刚石锯切割的空间。

④ 平坦区（FlatZone)：平坦区是为区分晶圆结构而创建的区域，是晶圆加工的标准线。由于晶圆的晶体结构非常精细并且无法用肉眼判断，因此以这个平坦区为标准来判断晶圆的垂直和水平。

③ 凹槽（Notch)：如今8寸，12寸也出现了具有凹槽的晶圆。和平坦区晶圆相比，凹槽晶圆可以制造更多的晶粒，因此利用率更高。半导体产业包括生产硅片衬底的晶圆产业，以及以晶圆衬底为材料设计和制造的晶圆加工产业---制造行业，就是我们通常所指的晶圆厂，Fab厂/（Fabrication，FAB）。另外，还有封装测试产业，它将加工过的晶圆切割成晶粒/单颗裸片，并封装好以防止受潮和受到外部环境应力。

下面为不同的晶圆定位边标识图：

图七：Flat Type和Notch Type

图八：主副定位边图

1. 半导体制程工艺分段概览

如图九，我们日常见到的电路板/PCBA， 它的基本结构是把MOSFET, 三极管，电阻，电容等元器件固定在印刷电路板上，再通过焊接把元器件和电路板上的铜皮走线连接起来，实现电路功能。印刷电路板通常有单面板，双面板，多层板。

图九 PCBA

与以上PCBA类似，集成电路就是首先在晶圆上制作包含不同的元器件(二极管，三极管，MOSFET,电阻，电容）区域，再在元器件区域层上面叠加制作不同的金属布线层，通过过孔和金属布线来连接下层元器件区域的不同元器件（MOSFET, 三极管，等等），像苹果的手机芯片A17 Pro里面就集成了190亿个晶体管。

图十  半导体制程工艺分段

半导体工艺分段：

在半导体制程工艺中，制造电子元器件区域的过程称为“前端工艺/前道工艺”，制造若干金属布线层并且通过硅通孔来连接多达数十亿甚至百亿晶体管的过程，我们称为“后端工艺/后道工艺”。前端工艺和后端工艺加起来，我们称之为前段制程，而把完成前段制程的晶圆再进行减薄，背面金属化，划片，封装，测试的环节称为后段制程。通常前段制程在Fab厂完成，后段制程在封测厂完成。如图十一。

图十一 半导体制程工艺

在前段制程中，通常会根据每个环节的工艺目的不同，而选择不同的设备和工艺组合来生成。前段制程基本上由清洗，光刻，离子注入，氧化/扩散/热处理，成膜，刻蚀，平坦化这几种工艺的不同组合的多次循环来实现工艺目的。如图十二。

图十二  循环型前段制程流程

2. 氧化工艺

所有工艺最基础的阶段就是氧化工艺。氧化工艺就是将硅片放置于氧气或水汽等氧化剂的氛围中进行高温热处理（800~1200℃），在硅片表面发生化学反应形成氧化膜(SiO2薄膜)的过程。

SiO2薄膜因为其具有硬度高，熔点高，化学稳定性好，绝缘性好，热膨胀系数小，以及工艺的可行性等特点，在半导体制造工艺中被广泛采用。

氧化硅的作用：

1.器件保护和隔离，表面钝化。SiO2具有坚硬和致密性好的特点，可以保护硅片，避免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较高的电阻率，稳定性好，可作为MOS技术栅氧结构的介质材料。

3.掺杂阻挡。SiO2可作为扩散，离子注入，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。减小离子注入损伤及沟道效应。

6.层间介质。用于导电金属层之间的绝缘（用CVD方法生成）

热氧化的分类和原理：

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。

图十三  三种热氧化层的质量比较

图十四  氧化系统

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