[科技]半导体IC制造过程

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1、 半导体 IC 制造流程 半导体组件制造过程可概分为晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab） 、晶圆针测制程（ Wafer Probe） 、构装（Packaging ） 、测试制程（Initial Test and Final Test）等几个步骤。一般称晶圆处理制程与晶圆针测制程为前段（Front End）制程，而构装、测试制程为后段（ Back End）制程。半导体组件制造过程可示意如下图： 一、晶圆处理制程 晶圆处理制程之主要工作为在硅晶圆上制作电路与电子组件（如晶体管、电容体、逻辑闸等） ，为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程 ，以微处理

2、器（Microprocessor）为例，其所需处理步骤可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿度与 含尘量（Particle）均需控制的无尘室（Clean-Room） ，虽然详细的处理程序是随着产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适 当的清洗（Cleaning ）之后，接着进行氧化（Oxidation）及沈积，最后进行微影、蚀刻及离子植入等反复步骤，以完成晶圆上电路的加工与制作。 二、晶圆针测制程 经过 Wafer Fab 之制程后，晶圆上即形成一格格的小格 ，我们称之为晶方或是晶粒（Die ） ，在一般情形下，同一片晶圆上

3、皆制作相同的芯片，但是也有可能在同一片晶圆 上制作不同规格的产品；这些晶圆必须通过芯片允收测试，晶粒将会一一经过针测（Probe）仪器以测试其电气特性， 而不合格的的晶粒将会被标上记号（Ink Dot） ，此程序即 称之为晶圆针测制程（Wafer Probe） 。然后晶圆将依晶粒 为单位分割成一粒粒独立的晶粒，接着晶粒将依其电气特性分类（Sort ）并分入不同的仓（Die Bank） ，而不合格的晶粒将于下一个制程中丢弃。 三、IC 构装制程 IC 构装制程（Packaging）则是利用塑料或陶瓷包装晶粒与配线以成集成电路（Integrated Circuit ；简称 IC） ，此制程的目的是

4、为了制造出所生产的电路的保护层，避免电路受到机械性刮伤或是高温破坏。最后整个集成电路的周围会 向外拉出脚架（Pin ） ，称之为打线，作为与外界电路板连接之用。 四、测试制程 半导体制造最后一个制程为测试，测试制程可分成初步测试与最终测试，其主要目的除了为保证顾客所要的货无缺点外，也将依规格划分 IC 的等级。在 初步测试阶段，包装后的晶粒将会被置于各种环境下测试其电气特性，例如消耗功率、速度、电压容忍度 等。测试后的 IC 将会将会依其电气特性划分 等级而置入不同的 Bin 中（此过程称之为 Bin Splits） ，最后因应顾客之需求规格 ，于相对应的 Bin 中取出部份 IC 做特殊的测

5、试及烧机（Burn-In ） ，此即为最终测试。最终测试的成品将被贴上规格卷标（Brand）并加以包装而后交与顾客。未 通过的测试的产品将被降级（Downgrading）或丢弃。 晶柱成长制程硅晶柱的长成，首先需要将纯度相当高的硅矿放入熔炉中，并加入预先设定好的金属物质，使产生出来的硅晶柱拥有要求的电性特质，接着需要将所有物质融化后再长成单晶的硅晶柱，以下将对所有晶柱长成制程做介绍。 长晶主要程序 融化（MeltDown） 此过程是将置放于石英坩锅内的块状复晶硅加热制高于摄氏 1420 度的融化温度之上，此阶段中最重要的参数为坩锅的位置与热量的供应，若使用较大的功率来融化复晶硅，石英坩锅的寿命

6、会降低，反之功率太低则融化的过程费时太久，影响整体的产能。 颈部成长（Neck Growth） 当硅融浆的温度稳定之后，将方向的晶种渐渐注入液中，接着将晶种往上拉升，并使直径缩小到一定（约 6mm） ，维持此直径并拉长 10-20cm，以消除晶种内的排差（dislocation ） ，此种零排差（ dislocation-free）的控制主要为将排差局限在颈部的成长。 晶冠成长（Crown Growth ） 长完颈部后，慢慢地降低拉速与温度，使颈部的直径逐渐增加到所需的大小。 晶体成长（Body Growth） 利用拉速与温度变化的调整来迟维持固定的晶棒直径，所以坩锅必须不断的上升来维持固定的

7、液面高度，于是由坩锅传到晶棒及液面的辐射热会逐渐增加，此辐射热源将致使固业界面的温度梯度逐渐变小，所以在晶棒成长阶段的拉速必须逐渐地降低，以避免晶棒扭曲的现象产生。 尾部成长（Tail Growth） 当晶体成长到固定（需要）的长度后，晶棒的直径必须逐渐地缩小，直到与液面分开，此乃避免因热应力造成排差与滑移面现象。晶柱切片后处理硅晶柱长成后，整个晶圆的制作才到了一半，接下必须将晶柱做裁切与检测，裁切掉头尾的晶棒将会进行外径研磨、切片等一连串的处理，最后才能成为一片片价值非凡的晶圆，以下将对晶柱的后处理制程做介绍。 切片（Slicing ） 长久以来晶圆切片都是采用内径锯，其锯片是一环状薄叶片，

8、内径边缘镶有钻石颗粒，晶棒在切片前预先黏贴一石墨板，不仅有利于切片的夹持，更可以避免在最后切断阶段时锯片离开晶棒所造的破裂。 切片晶圆的厚度、弓形度（bow）及挠屈度（warp）等特性为制程管制要点。 影响晶圆质量的因素除了切割机台本身的稳定度与设计外，锯片的张力状况及钻石锐利度的保持都有很大的影响。 圆边（Edge Polishing） 刚切好的晶圆，其边缘垂直于切割平面为锐利的直角，由于硅单晶硬脆的材料特性，此角极易崩裂，不但影响晶圆强度，更为制程中污染微粒的来源，且在后续的半导体制成中，未经处理的晶圆边缘也为影响光组与磊晶层之厚度，固须以计算机数值化机台自动修整切片晶圆的边缘形状与外径尺

9、寸。 研磨（Lapping） 研磨的目的在于除去切割或轮磨所造成的锯痕或表面破坏层，同时使晶圆表面达到可进行抛光处理的平坦度。 蚀刻（Etching ） 晶圆经前述加工制程后，表面因加工应力而形成一层损伤层（damaged layer） ，在抛光之前必须以化学蚀刻的方式予以去除，蚀刻液可分为酸性与碱性两种。 去疵（Gettering） 利用喷砂法将晶圆上的瑕疵与缺陷感到下半层，以利往后的 IC 制程。 抛光（Polishing） 晶圆的抛光，依制程可区分为边缘抛光与表面抛光两种 边缘抛光（Edge Polishing） 边缘抛光的主要目的在于降低微粒（particle）附着于晶圆的可能性，并使

10、晶圆具备较佳的机械强度，但需要的设备昂贵且技术层面较高，除非各户要求，否则不进行本制程。 表面抛光（Surface Polishing） 表面抛光是晶圆加工处理的最后一道步骤，移除晶圆表面厚度约 10-20 微米，其目的在改善前述制程中遗留下的微缺陷，并取得局部平坦度的极佳化，以满足 IC 制程的要求。基本上本制程为化学机械的反应机制，由研磨剂中的 NaOH , KOH , NH4OH 腐蚀晶圆的最表层，由机械摩擦作用提供腐蚀的动力来源。 晶圆处理制程介绍基本晶圆处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗（Cleaning）之后，送到热炉管（Furnace）内，在含氧 的环境中，以加热氧化（ Oxid

11、ation）的方式在晶圆的表面形成一层厚约数百个的二氧化硅（SiO2）层，紧接着厚约 1000A 到 2000A 的氮化硅（Si3N4）层将以化学气相沈积（Chemical Vapor Deposition；CVP）的方式沈积（Deposition）在刚刚长成的二氧化硅上，然后整个晶圆将进行微影（Lithography ）的制程，先在晶圆 上上一层光阻（Photoresist） ，再将光罩上的图案移转到光阻上面。接着利用蚀刻（Etching ）技术，将部份未 被光阻保护的氮化硅层加以除去，留下的就是所需要的线路图部份。接着以磷为离子源（Ion Source） ，对整片晶圆进行磷原子的植入（Io

12、n Implantation） ，然后再把光阻剂去除（Photoresist Scrip） 。制程进行至此，我们已将构成集成电路所需的晶体管及部份的字符线（Word Lines） ，依光罩所提供的设计图案 ，依次的在晶圆上建立完成，接着进行金属化制程（Metallization） ，制作金属导线，以便将各个晶体管与组件加以连接，而在每一道步骤加工完后都必须进 行一些电性、或是物理特性量测，以检验加工结果是否在规格内（Inspection and Measurement） ；如此重复步骤制作第一层、第二层 的电路部份，以 在硅晶圆上制造晶体管等其它电子组件；最后所加工完成的产品会被送到电性测试区

13、作电性量测。 根据上述制程之需要，FAB 厂内通常可分为四大区： 1）黄光 本区的作用在于利用照相显微缩小的技术，定义出每一层次所需要的电 路图，因为采用感光剂易曝光，得在黄色灯光照明区域内工作，所以叫做黄光区 。微影成像( 雕像术 ;lithography)决定组件式样(pattern)尺寸(dimension)以及电路接线(routing)在黄光室内完成,对温.湿度维持恒定的要求较其它制程高一个现代的集成电路（IC）含有百万个以上的独立组件，而其尺寸通常在数微米，在此种尺寸上，并无一合适的机械加工机器可以使用，取而代之的是微电子中使用紫外光的图案转换（Patterning ） ，这个过程是

14、使用光学的图案以及光感应膜来将图案转上基板，此种过程称为 光刻微影（photolithography ） ，此一过程的示意图说明于下图光刻微影技主要在光感应薄膜，称之为光阻，而光阻必须符合以下五点要求： 1. 光阻与基板面黏着必须良好。 2. 在整个基板上，光阻厚度必须均匀。 3. 在各个基板上，光阻厚度必须是可预知的。 4. 光阻必须是感光的，所以才能做图案转换。 5. 光阻必须不受基板蚀刻溶液的侵蚀。 在光刻微影过程，首先为光阻涂布，先将适量光阻滴上基板中心，而基板是置于光阻涂布机 的真空吸盘上，转盘以每分钟数千转之转速，旋转 30-60 秒，使光阻均匀涂布在基板上，转速与旋转时间，依所需

15、光阻厚度而定。曝照于紫外光中，会使得光阻的溶解率改变。紫外光通过光罩照射于光阻上，而在光照及阴 影处产生相对应的图形，而受光照射的地方，光阻的溶解率产生变化，称之为光化学反应， 而阴影处的率没有变化，这整个过称之为曝光（exposure） 。在曝光之后，利用显影剂来清洗基板 ，将光阻高溶解率部份去除，这个步骤，称之为显影（Development） ，而光阻去除的部份依不 同型态的光阻而有不同，去除部份可以是被光照射部份或是阴影部份，如果曝光增加光阻的 溶解率，则此类光阻为正光阻，如果曝光降低光阻的溶解率，则称此类光阻为负光阻。在显影后，以蚀刻液来蚀刻含在有图案（pattern）光阻的基板蚀刻液

16、去除未受光阻保护的基板部份 ，而受光阻保护部份，则未受蚀刻。最后，光阻被去除，而基板上则保有被制的图案。黄光制程:1.上光阻2.软烤(预烤): 90 100 度 C 30 min 成本4. 溶液本身的污染优点1.(through-put)高2.设备价格低3.溶液更新频率成本4.溶液本身的污染干式蚀刻: 电浆蚀刻(Plasma Etching),活性离子蚀刻(R I E)(物理方式) 选择性低非等向蚀刻撞击损伤(damages)负面影响:晶格排列因撞击而偏移撞击 - 能量传递 - 活化能降低 - 反应加速蚀刻考虑因素:1. 选择性(Selectivity) 3. 蚀刻速率(Etching Rate)2. 等向性(Isotropy) 4. 芯片损伤(Damags)3）扩散本区的制造过程都在高温中进行，又称为高温区 ，利用高温给予物 质能量而产生运动，因为本区的机台大都为一根根的炉管，