文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了半導體集成電路制造中的晶圓制備、晶圓制造和晶圓測試三個關鍵環節。

半導體集成電路制造中晶圓制造，可以分為五大制造階段：

本文針對前三個步驟進行介紹，分述如下：

晶圓制備

晶圓制造

晶圓測試

晶圓制備

在晶圓制造中，其演變趨勢是尺寸不斷增大，其帶來的影響如下：

生產效率：增大晶圓尺寸可以顯著提高生產效率。同樣一臺加工設備，在處理大尺寸晶圓時，由于每片晶圓上能容納的芯片數量顯著增加，因此單位時間內可以生產的芯片總量也隨之增加。

生產成本：增大晶圓尺寸可以降低生產成本。大尺寸晶圓減少了晶圓之間的切割損耗，進一步提升了材料利用率，同時降低了單顆芯片的平均生產成本。

芯片設計：大尺寸晶圓為芯片設計提供了更大的空間，使得設計師能夠在單片晶圓上實現更復雜、更高效的電路設計。

工藝復雜性：晶圓尺寸增大也增加了制造工藝的復雜性。例如，對單晶硅生長的均勻性要求更高，拉制大尺寸單晶硅棒時需精確控制溫度、旋轉速度等參數。

設備投資：大尺寸晶圓的生產線需專用設備，如EUV光刻機單臺成本超1億美元，且配套的沉積、蝕刻設備價格不菲。

晶圓制造

晶圓制造是半導體集成電路制造的核心環節，它按照一定的工藝流程，通過反復多次對晶圓進行清洗、薄膜制備、光刻圖形、刻蝕及摻雜等加工工藝，最終在晶圓上完成集成電路的芯片制造。

晶圓制造廠房內通常會根據各單項工藝模塊劃分不同的區域，以確保生產流程的順暢和高效。

光刻區：將設計好的電路圖案轉移到晶圓表面。通過光刻膠和掩模版進行曝光、顯影和刻蝕等步驟。光刻膠在紫外光照射下發生化學反應，形成與掩模版圖案相對應的圖形。然后，通過刻蝕去除未被光刻膠保護的區域，形成所需的電路結構。隨著器件特征尺寸的減小，光刻機所用的光源波長向深紫外方向轉移，以提高光刻精度。現在，光刻間照明多用黃光，因此光刻間有時也被稱為黃房區。

刻蝕區：去除晶圓表面材料，形成特定圖形。包括濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕使用化學溶液去除材料，而干法刻蝕則通過等離子體或反應離子束等物理或化學方法去除材料。早期主要是濕法刻蝕，刻蝕通常和清洗在一個區域。但隨著器件特征尺寸的減小，各向異性的干法刻蝕用得更多。干法刻蝕具有更好的側壁控制和關鍵尺寸控制能力，能夠滿足更精細的電路結構需求。

離子注入區：調整晶圓表面的電特性，形成所需的摻雜層。使用離子注入機將加速的摻雜原子離子束轟擊晶圓表面，將雜質原子注入到晶圓內部。注入后的晶圓通常需要進行退火處理，以修復損傷并激活摻雜原子。早期對半導體摻雜主要是采取高溫爐擴散工藝。但隨著器件特征尺寸的減小，對PN結結深和雜質濃度在硅中分布的形貌要求提高，離子注入技術逐漸成為主流的摻雜方法。離子注入技術具有摻雜濃度高、均勻性好、可控性強等優點。

薄膜區：在晶圓表面形成各種薄膜，如絕緣層、半導體層或導體層。包括化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）等方法。CVD通過熱分解或化學反應將氣體化合物沉積在襯底上；PVD則通過物理過程如蒸發或濺射將材料沉積到襯底上。薄膜制備在晶圓制造中應用廣泛。例如，SiO?薄膜常作為絕緣層使用，多晶硅薄膜用于制作晶體管柵極等。

擴散區：雖然現代晶圓制造中高溫爐擴散工藝幾乎不再使用，但擴散區這一名稱仍被沿用。現在，該區域主要用于熱生長氧化硅膜、傳統的熱退火和快速熱退火（RTA）等工藝。隨著器件特征尺寸的減小和工藝要求的提高，擴散區的工作內容也發生了變化。現在，該區域更注重于氧化硅膜的質量和退火工藝的效率。

金屬化區：在晶圓表面形成金屬互連層，以便將各個器件連接起來形成完整的電路。包括鋁金屬化工藝和銅金屬化的大馬士革工藝等。鋁金屬化工藝需要電子束淀積鋁、磁控濺射鋁以及鋁的干法刻蝕工藝；而銅金屬化的大馬士革工藝則通過填充銅到預先刻蝕好的溝槽中形成互連層。隨著器件特征尺寸的減小和工藝要求的提高，銅金屬化的大馬士革工藝逐漸成為主流的金屬化方法。該工藝能夠避免銅對下面器件部分的沾污，提高電路的性能和可靠性。

外延區：在硅襯底上生長一層單晶硅薄膜（同質外延）或在硅襯底上生長其他材料的薄膜（異質外延），以滿足特定器件的需求。包括氣相外延（VPE）等方法。通過化學反應在晶圓表面沉積一層新的單晶硅層或其他材料的薄膜。外延工藝在高性能集成電路和特殊器件制造中有廣泛應用。例如，外延層可以用于制作高速度的晶體管、低功耗的器件等。

為了進一步提高光刻精度和效率，出現了極紫外光刻（EUVL）技術；為了改善刻蝕工藝的性能和效率，出現了原子層刻蝕（ALE）技術等。這些新技術的應用使得晶圓制造過程更加精細、高效和可靠。

晶圓測試

晶圓測試是半導體制造過程中的關鍵環節，它旨在確保每個芯片在封裝前都符合設計規格和功能要求。晶圓測試包括在晶圓制造工藝過程中的各種在線檢查、測量，以及在芯片制造完成后用探針卡（Probe Card）對集成電路芯片進行的功能和性能測試。以下是晶圓測試階段的詳細分述：

在線檢查與測量

目的：在晶圓制造工藝過程中進行實時檢查，確保工藝參數符合標準，及時發現并糾正工藝偏差。同時，對晶圓的各種物理參數進行精確測量，如直徑、平整度、厚度等，以確保晶圓的質量符合標準要求。

方法：利用光學或其他對準技術，將晶圓上的測試點與探針卡精確對齊，進行實時檢查。同時，使用先進的測量儀器和設備，如激光干涉儀、原子力顯微鏡等，對晶圓進行非接觸式測量。

應用：在線檢查廣泛應用于晶圓制造過程中的各個工藝模塊，如光刻、刻蝕、摻雜等，以確保工藝質量和生產效率。測量則用于確保晶圓的質量符合標準要求，為工藝優化提供數據支持。

探針卡測試

目的：對晶圓上的每個芯片進行電氣性能測試，篩選出合格的芯片進行后續封裝。

方法：使用探針卡探測每一個裸芯片的電氣接觸點，進行功能性測試。探針卡上的探針與芯片上的焊點或者凸起直接接觸，導出芯片信號，再配合相關測試儀器與軟件控制實現自動化量測。

技術細節：探針卡是晶圓功能驗證測試的關鍵工具，通常由探針、電子元件、線材與印刷電路板（PCB）組成。探針卡上的探針細如毛發，能夠精確地與晶粒上的接點（pad）接觸。

技術演變：隨著器件特征尺寸的減小和工藝要求的提高，探針卡測試技術也在不斷發展。例如，出現了飛針測試技術，它能夠直接接觸探針卡連接器引腳，在PCB和陶瓷板之間進行完整的連續性測試，無需用特定應用的接口板或固定裝置。

故障芯片標記方法

目的：在檢測出缺陷芯片后，將其標記為不合格，以便在后續的晶圓切割和封裝過程中排除。

方法：早期是將測試出有故障的芯片打個墨水點，以備封裝時將其剔除。現在多用測試的計算機將有故障的芯片在晶圓位圖上記錄下其位置。

技術演變：隨著自動化和信息化技術的發展，故障芯片標記方法也在不斷改進。現在，計算機記錄的晶圓位圖可以更加精確地定位故障芯片，提高生產效率和產品質量。

測試方法的演變對生產效率和產品質量的影響：

生產效率：自動化測試，隨著自動化測試技術的發展，晶圓測試過程變得更加高效和可靠。自動化測試能夠減少人工干預，提高測試速度和準確性，從而提高生產效率；智能化測試，隨著人工智能技術的發展，開始探索如何利用機器學習算法來改進測試過程。例如，使用AI來識別UI元素變化，自動調整測試腳本；或者通過機器學習模型來預測哪些部分的代碼更有可能包含缺陷。智能化測試能夠進一步提高測試效率和準確性，降低測試成本。

產品質量：早期缺陷檢測，通過在線檢查和探針卡測試等技術，能夠在晶圓制造過程中早期發現缺陷芯片，避免其進入后續封裝和測試流程，從而提高產品質量；精確故障定位，隨著故障芯片標記方法的改進，能夠更精確地定位故障芯片，避免誤判和漏判，進一步提高產品質量。

晶圓測試階段的這些技術和方法不僅確保了芯片的質量和性能，還通過提高生產效率和降低測試成本，為半導體制造行業帶來了顯著的經濟效益。