我們已經(jīng)知道芯片產(chǎn)業(yè)鏈分位設(shè)計、制造、封測和下游應(yīng)用，并將芯片的制造比喻為在指尖大小的區(qū)域建造摩天大廈，今天我們具體講解這一建造過程。芯片制造又分為晶圓生產(chǎn)和晶圓工藝，其中晶圓工藝又被成為前道工藝（相應(yīng)地封測被稱為后道工藝）。

晶圓生產(chǎn)的主要工作是提供后續(xù)晶圓工藝實施的“地基”，即產(chǎn)出晶圓片（Wafer），由于現(xiàn)有大部分半導(dǎo)體的基體材料是硅，大多數(shù)情況下都可將晶圓和硅片等同，因此這一步也稱硅片制造。晶圓工藝的主要工作則是在硅片上制作電路與電子組件，是半導(dǎo)體全制程中所需技術(shù)最復(fù)雜且資金投入最多的制程，以微處理器為例，其所需的工藝步驟可達數(shù)百道，其加工所需的機械設(shè)備先進且昂貴，動輒數(shù)千萬元，甚至十多億元一臺，且其所需的制造環(huán)境的溫度、濕度與含塵量均須嚴格控制并達到潔凈要求。

注：晶圓與硅片的區(qū)別，我們在上面已經(jīng)說到晶圓與硅片大多數(shù)情況下可以等同，一般情況下也直接將兩者等同，但若非要較真，從名詞準確度的角度來說，我認為晶圓和硅片實際上可以做以下區(qū)分：1.在半導(dǎo)體工藝中，晶圓所指范圍可以更廣，如既可以指代以硅元素為構(gòu)成的硅片，也可以指代化合物半導(dǎo)體如砷化鎵、碳化硅等構(gòu)成的基體薄片。2.在其他行業(yè)如光伏產(chǎn)業(yè)中，一般稱基體為硅片而非晶圓，因為結(jié)晶系太陽能電池不同于半導(dǎo)體中使用圓形，有時會用四邊形或倒角后四邊形狀的硅片。

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在具體介紹芯片制造之前，我想先對晶圓及其術(shù)語做一個大致的介紹會有助于我們的理解，如下圖所示：

1. 晶粒（chip、die）、器件（device）、電路（circuit）、微芯片（microchip）或條碼（bar）：下圖中可以看到，很多四邊形都聚集在圓形晶圓上，所有這些名詞指的都是這些四邊形代表的微芯片圖形。將測試合格的die切割下來，做封裝后就成為芯片，一個芯片封裝一個die稱為單封，封裝兩個或兩個以上的die稱為合封。

2. 劃片線（scribe line、saw line）或街區(qū)（street、avenue）：看上去各個晶粒像是粘在一起,但實際上晶粒與晶粒之間具有一定的間隙，該間隙稱為劃片線。在晶粒和晶粒之間設(shè)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。劃片線通常是空白的，但有些公司在間隔區(qū)內(nèi)放置對準標記，或測試的結(jié)構(gòu)。

3. 工程實驗片（engineering die）和測試晶粒（test die）：這些晶粒與正式晶?；螂娐肪Я２煌Ｋㄌ厥獾钠骷碗娐纺K用于晶圓生產(chǎn)工藝的電性測試；

4. 邊緣晶粒（edge die）：在晶圓邊上的一些掩膜殘缺不全的晶粒而產(chǎn)生的面積損耗。由于單個晶粒尺寸增大而造成的更多邊緣浪費會由采用更大直徑晶圓所彌補。推動半導(dǎo)體工業(yè)向更大直徑晶圓發(fā)展的動力之一就是為了減少邊緣晶粒所占的面積。

5. 晶圓的晶面（wafer crystal plane）：圖中的剖面標示了器件下面的晶格構(gòu)造，此圖中顯示的器件邊緣與晶格構(gòu)造的方向是確定的；

6. 晶圓定位邊（wafer flats）/凹槽（notche）：圖示的晶圓由主定位邊（major flat）和副定位邊（minor flat），表示這是一個P型<100>晶向的晶圓。300mm和450mm直徑的晶圓都是用凹槽作為晶格導(dǎo)向的標識，和定位邊晶圓相比,凹槽晶圓可以制造更多的晶粒,因此效率很高。

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了解完晶圓和常用的術(shù)語之后，我們就可以繼續(xù)介紹芯片的制造流程了，雖然詳細的加工處理程序與產(chǎn)品種類和所使用的技術(shù)有關(guān)，但是基本處理步驟通常都是先制造將沙子變成硅片/晶圓（由于此時晶圓上面還沒有任何器件，故又稱為裸晶圓，Bare wafer)，然后再經(jīng)過前段制程形成晶圓（注意這里晶圓上已經(jīng)產(chǎn)生半導(dǎo)體器件，故又稱為帶圖形的晶圓或成品晶圓）。

前段制程又可進一步分為前端工藝（Front end）和后端工藝（Back end）。前端工藝主要是制備晶體管，后端工藝為晶體管制備之后的多層布線工序。用建筑物來比喻的話，前端工藝是建筑物的基礎(chǔ)工程，后端工藝是房屋的疊加?？傮w而言，前段制程需要多次重復(fù)相同的工序進行產(chǎn)品生產(chǎn)的方式，因此稱為“循環(huán)型工藝”。前段制程主要包括：清洗、氧化、光刻、刻蝕、離子注入和熱處理、成膜、平坦化（CMP，Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機械拋光）、中測，除氧化、中測外的六種組合多次循環(huán)并把前段制程集成化。我們將芯片制造流程總結(jié)為如下思維導(dǎo)圖：

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接下來我們將具體講解芯片制造流程，我們首先通過以來兩張圖進行一個總覽，然后再一一介紹：

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1.硅片生產(chǎn)，產(chǎn)出晶圓的生產(chǎn)流程，大致可以分為四個階段。

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（1）鑄造硅錠/硅棒(Ingot)，為了將從沙子中提取硅作為半導(dǎo)體材料使用,首先需要經(jīng)過提高純度的提純工序。將石英砂原料放入含有碳源的熔爐中高溫溶解，碳和石英石中的二氧化硅在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到純度約為98%的純硅，又稱作冶金級硅，而后將粉碎的冶金級硅與氣態(tài)的氯化氫進行氯化反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，再通過蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到極高純度的多晶硅。多晶硅高溫后成型，使用直拉法（CZ法，主流方式，使用籽晶旋轉(zhuǎn)拉晶）或區(qū)熔法（FZ法，早期工藝之一，懸浮熔接籽晶）做成圓形晶棒。

（2）晶棒切割(Wafer Slicing)，晶棒從單晶爐出來后首先要截斷頭尾，然后再進行控制直徑的滾磨，最后使用金剛石鋸將其切成均勻厚度的薄片。 晶棒的直徑?jīng)Q定了晶圓的尺寸。晶圓的尺寸有 150mm(6英寸)、200mm(8 英寸)、300mm (12 英寸)等等。晶圓越薄,成本越低, 直徑越大,一次可生產(chǎn)的芯片數(shù)量就越多,因此晶圓呈逐漸變薄和變大的趨勢。

（3）晶圓表面拋光 (Lapping&Polishing)，切割后的晶圓需要進行加工,以使其像鏡子一 樣光滑。這是因為剛切割后的晶圓表面有瑕疵且粗糙,可能會影響電路的精密度,因此需要倒角、研磨，然后使用拋光液和拋光設(shè)備將晶圓表面研磨光滑。

（4）有的廠商也會提供外延片，所謂外延片是指以拋光片為基礎(chǔ)，在拋光片表面外延生長一層不同電阻率的單晶薄膜，可以是同質(zhì)外延（外延薄膜與拋光片元素一樣），也可以是異質(zhì)外延（外延薄膜與拋光片元素不一，如GaN on Si外延片）。

2.晶圓工藝，晶圓上制造半導(dǎo)體器件，雖然詳細的加工處理程序與產(chǎn)品種類和所使用的技術(shù)有關(guān)，但是基本處理步驟通常都是硅片先經(jīng)過適當?shù)那逑粗?，接著進行氧化及沉積，最后進行循環(huán)型工藝步驟，完成硅片上電路的加工與制作形成晶圓。具體流程如下大致可以分為以下幾個階段：

（1）清洗，晶圓表面附著一些Al2O3和甘油混合液保護層，在制作前必須進行表面清洗，此外在每次的工藝處理過程中晶圓都會受到污染，所以也要進行清洗。半導(dǎo)體晶圓清洗工藝細分為RCA清洗法、稀釋化學(xué)法、IMEC清洗法、超聲波清洗法、氣相清洗法、等離子清洗法等，可歸納為濕法和干法兩種，濕法清洗是目前主流技術(shù)路線，占芯片制造清洗步驟數(shù)量的90%以上。

濕法清洗采用特定的化學(xué)藥液和去離子水，對晶圓表面進行無損傷清洗——氧化、蝕刻和溶解晶片表面污染物、有機物及金屬離子污染。濕法清洗主要包括RCA清洗法、超聲波清洗等。濕法清洗按數(shù)量批次又可分為槽式批量清洗和單片清洗。干法清洗采用氣相化學(xué)法去除晶片表面污染物。氣相化學(xué)法主要有熱氧化法和等離子清洗法等，清洗過程就是將熱化學(xué)氣體或等離子態(tài)反應(yīng)氣體導(dǎo)入反應(yīng)室，反應(yīng)氣體與晶片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成易揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物被真空抽去。

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（2）氧化，氧化過程的作用是在晶圓表面形成保護膜。它可以保護晶圓不受化學(xué)雜質(zhì)影響、避免漏電流進入電路、預(yù)防離子注入過程中的擴散以及防止晶圓在刻蝕時滑脫。氧化工藝的方式可分為熱氧化法(Thermal Oxidation)、等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)和電化學(xué)陽極氧化等等。其中,最常用的方法是熱氧化 法,即在800~1200°C的高溫下形成一層薄而均勻的硅氧化膜。

根據(jù)氧化反應(yīng)所使用的氣體,熱氧化法可分為干氧化法(Dry Oxidation)和濕氧化(Wet Oxidation)法。干氧化只使用純氧氣，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(dǎo)電性的氧化物。濕氧化同時使用氧氣和高溶解性的水蒸氣。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。

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（3）光刻，指在晶圓上利用光線來照射帶有電路圖形的光罩，從而繪制電路，其方法類似于在洗印黑白照片時,將在膠片上形成的圖像印在相紙上。我們在上一篇文章中介紹半導(dǎo)體設(shè)計的版圖最后會制成掩膜用于后續(xù)的制造，掩膜又稱光罩就是在光刻這一步使用。光刻可以進一步分位涂膠、曝光、顯影三個步驟。

涂膠是指在晶圓表面均勻涂抹光刻膠(PR, Photo Resist)。這就像沖洗照片一樣, 是將晶圓變成相紙的過程。為了獲得更高質(zhì)量的微電路圖形,光刻膠膜必須薄且均勻,且對光要具有高度敏感性。而后使用曝光設(shè)備(步進式光刻機,Steper)使光穿過包含電路圖形的光罩,將電路印在晶圓上。這個過程叫做“曝光”(Steper Exposure)。光刻工藝的最后一個階段是顯影(Develop)，這與照片的顯影過程類似，在晶圓上噴灑顯影液后,選擇性的去除曝光區(qū)和非曝光區(qū)，而形成電路圖形的工序。顯影過程結(jié)束后，在用各種測量設(shè)備和光學(xué)顯微鏡仔細檢查圖形是否完好后才能進入下一個階段。

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（4）刻蝕，在晶圓上完成電路圖的光刻后，就要用刻蝕工藝來去除任何多余的氧化膜且只留下半導(dǎo)體電路圖，這有點類似于版畫的創(chuàng)作過程?？涛g工藝需要利用液體、氣體或等離子體來去除選定的多余部分，方法主要分為兩種，取決于所使用的物質(zhì)：使用特定的化學(xué)溶液進行化學(xué)反應(yīng)來去除氧化膜的濕法刻蝕，以及使用氣體或等離子體的干法刻蝕。

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（5）摻雜，是將特定量的雜質(zhì)通過薄膜開口引入晶圓表層的工藝過程，其本質(zhì)是在在晶圓上制作PN結(jié)。它有兩種工藝方法：熱擴散（thermal diffusion）和離子注入（ion implantation）。熱擴散是在1000℃左右的高溫下發(fā)生的反應(yīng)，氣態(tài)下的摻雜原子通過擴散化學(xué)反應(yīng)遷移到暴露的晶圓表面，形成一層薄膜，在芯片應(yīng)用中，熱擴散也稱為固態(tài)擴散，因為晶圓材料是固態(tài)的。擴散摻雜是一個化反應(yīng)過程，由物理規(guī)律支配雜質(zhì)的擴散運動。離子注入是一個物理過程，在離子源的一端，摻雜體原子被離子化（帶有一定的電荷），被電場加到超高速，穿過晶圓表面，注入到晶圓表層中。

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除了上圖中的比較外，使用離子注入法摻雜是需要進行熱處理的，因為摻雜原子的注入會造成晶圓晶格的損傷，被注入的離子也必須位于正確的晶格點上。晶格的恢復(fù)需要硅原子和雜質(zhì)原子在熱的作用下，在單晶硅內(nèi)移動，并落在硅的單晶格點上，這一過程需要使用硅晶圓溫度上升，這就是熱處理。

（6）成膜，我們已經(jīng)知道在比人類的“指甲蓋”還小、像紙一樣薄的半導(dǎo)體芯片上有著細小的、數(shù)以“百萬計”的層 (layer)。就像高樓大廈一樣高而堅固地堆疊起來, 構(gòu)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了形成這種結(jié)構(gòu)，需要在晶圓上反復(fù)生成薄膜，反復(fù)進行光刻、刻蝕、清洗等步驟才能實現(xiàn)。這些薄膜起到電路之間的分隔、連接和保護作用，成膜指的就是生成這種薄膜的過程。顯然這種薄膜無法通過機械加工生成，在晶圓上加入所需分子或原子單位薄膜的一系列過程叫做沉積(Deposition)?？捎糜诔练e過程的技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積 (CVD)、物理氣相沉積 (PVD)和原子層沉積 (ALD) 。

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（7）金屬互連，又稱金屬布線，通過前面反復(fù)進行光刻,蝕刻,離子注入和沉積工藝后，在晶圓上形成大量的器件電路。電路正常運行需要來自外部的電脈沖，為了保證順利傳輸信號，根據(jù)半導(dǎo)體電路圖連接電路(金屬線)的過程,稱為金屬布線工藝。用于半導(dǎo)體的金屬需要滿足低電阻率、熱化學(xué)穩(wěn)定性、高可靠性和制造成本可控的條件?；ミB工藝主要使用鋁和銅這兩種物質(zhì)。

鋁互連工藝始于鋁沉積、光刻膠應(yīng)用以及曝光與顯影，隨后通過刻蝕有選擇地去除任何多余的鋁和光刻膠，然后才能進入氧化過程。前述步驟完成后再不斷重復(fù)光刻、刻蝕和沉積過程直至完成互連。隨著半導(dǎo)體工藝精密度的提升以及器件尺寸的縮小，銅互連逐漸取代鋁互連，主要原因就是銅電阻更低、可靠性更高。但銅不容易形成化合物，因此很難將其氣化并從晶圓表面去除。針對這個問題，我們不再去刻蝕銅，而是沉積和刻蝕介電材料，這樣就可以在需要的地方形成由溝道和通路孔組成的金屬線路圖形，之后再將銅填入前述“圖形”即可實現(xiàn)互連，而最后的填入過程被稱為“鑲嵌工藝”。即銅互連和鋁互連的區(qū)別在于，多余的銅是通過金屬CMP而非刻蝕去除的。

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（8）CMP，即通過化學(xué)腐蝕與機械研磨的協(xié)同配合作用，實現(xiàn)晶圓表面多余材料的高效去除與全局納米級平坦化。由于目前集成電路元件普遍采用多層立體布線，集成電路制造的前道工藝環(huán)節(jié)需要進行多層循環(huán)。在此過程中，需要通過CMP工藝實現(xiàn)晶圓表面的平坦化。也就是說建造芯片這個高樓大廈，每搭建一層樓都需要讓樓層足夠平坦齊整，才能在其上方繼續(xù)搭建另一層，否則樓面就會高低不平，影響整體性能和可靠性。而CMP就是能有效令集成電路的“樓層”達到納米級全局平整的一種關(guān)鍵工藝技術(shù)。

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按照被拋光的材料類型，CMP可以劃分為三大類：i.襯底：主要是硅材料。Ii.金屬：包括Al/Cu金屬互聯(lián)層，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等擴散阻擋層、粘附層。Iii.介質(zhì)：包括SiO2/BPSG/PSG等ILD（層間介質(zhì)），SI3N4/SiOxNy等鈍化層、阻擋層。其中，在90~65nm節(jié)點，淺槽隔離(STI)、絕緣膜、銅互連層是CMP的主要研磨對象；進入28nm后，邏輯器件的晶體管中引入高k金屬柵結(jié)構(gòu)（HKMG），因而同時引入了兩個關(guān)鍵的CMP，包括虛擬柵開口CMP工藝和替代金屬柵CMP工藝。

（9）測試，這里指的測試包括兩個方面，一個是主要應(yīng)用于晶圓制造過程中各類關(guān)鍵工藝參數(shù)測量的量/檢測，另一個則是在晶圓制造完成之后、送去封測廠之前對晶圓性能的測試，稱之為中測。量/檢測是半導(dǎo)體制造重要的質(zhì)量檢查工藝，涉及膜厚、折射率、膜應(yīng)力等參數(shù)測量，以及各類表面缺陷檢測等，對硅片廠/晶圓廠保障產(chǎn)品良率、產(chǎn)品一致性、降低成本等至關(guān)重要。晶圓中測包括晶粒分選（die sort）和電分選（electrical sort），因此又稱EDS 工藝(Electrical Die Sorting)。

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通過以上的步驟，加上循環(huán)型工藝的反復(fù)運行，我們就能得到一個符合要求的成品晶圓，而后就可以送到封測廠進行下一步的流程。晶圓工藝作為核心環(huán)節(jié)，受限于海外限制，國內(nèi)廠商如中芯國際、華虹半導(dǎo)體、華潤微等，其產(chǎn)能主要集中于成熟制程，仍然與世界先進水平差距較大，未來的破局之路值得期待。我們下周再見。