半導(dǎo)體科普 | 半導(dǎo)體制造工藝——挑戰(zhàn)與機(jī)遇

Andreas Bier，Sr Principal Product Marketing Specialist

半導(dǎo)體元件制造涉及到一系列復(fù)雜的制作過(guò)程，將原材料轉(zhuǎn)化為成品元件，以應(yīng)用于提供各種關(guān)鍵控制和傳感功能應(yīng)用的需求。

半導(dǎo)體制造涉及一系列復(fù)雜的工藝過(guò)程，從而將原材料轉(zhuǎn)化為最終的成品元件。該工藝通常包括四個(gè)主要階段：晶片制造、晶片測(cè)試組裝或封裝以及最終測(cè)試。每個(gè)階段都有其獨(dú)特的攻堅(jiān)點(diǎn)和機(jī)遇。而其制造工藝也面臨著包括成本、復(fù)雜多樣性和產(chǎn)量在內(nèi)的諸多挑戰(zhàn)，但也為創(chuàng)新和發(fā)展帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。通過(guò)應(yīng)對(duì)其中的困難并抓住機(jī)遇，推進(jìn)研發(fā)新技術(shù)來(lái)改變我們的生活和工作方式，同時(shí)促使行業(yè)可以持續(xù)發(fā)展和壯大。

半導(dǎo)體制造工藝概述

▲ 半導(dǎo)體晶圓制造的主要過(guò)程: 1）晶圓制備 2）圖案轉(zhuǎn)移 3）材質(zhì)摻雜 4）沉積 5）蝕刻 6）封裝

制造半導(dǎo)體的過(guò)程可以分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

第一步：晶圓制備

選擇硅晶片作為半導(dǎo)體工藝的起始材料。清洗、拋光晶圓，并準(zhǔn)備用作制造電子元件的襯底。

第二步：圖案化

在這一過(guò)程中，使用稱(chēng)為光刻的工藝在硅晶片上創(chuàng)建圖案。將一層抗腐蝕的光刻膠施加到晶片表面，然后將掩模放置在晶片頂部。掩模上具有對(duì)應(yīng)的相關(guān)預(yù)制造的電子元件的圖案。然后使用紫外光將圖案從掩模轉(zhuǎn)移到光刻膠層上。曝光的光刻膠區(qū)域隨后被去除，最終在晶片上留下圖案化的表面。

第三步：材質(zhì)摻雜

在這個(gè)步驟中，材質(zhì)被添加到硅晶片中以改變其電特性。最常用的材質(zhì)是硼或磷，少量加入可以分別產(chǎn)生p型或n型的半導(dǎo)體。這些材質(zhì)是通過(guò)一種稱(chēng)為離子注入的工藝，利用離子加速，將被加速的離子注入到晶片的表面。

第四步：晶片沉積處理

在這個(gè)制作過(guò)程中，薄膜材料被沉積在晶片上以生成電子元件。這可以通過(guò)多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）和原子層沉積（ALD）。這些工藝可用于沉積金屬、氧化物和氮化物等材料。

第五步：蝕刻

從晶片表面去除部分材質(zhì)，以產(chǎn)生電子元件所需的形狀和結(jié)構(gòu)?？梢允褂枚喾N技術(shù)來(lái)進(jìn)行蝕刻，包括濕式蝕刻、干式蝕刻和等離子蝕刻。這些工藝使用化學(xué)物質(zhì)或等離子體從晶片上選擇性地去除特定的材質(zhì)。

最后一步：封裝

電子元件被封裝成可用于電子設(shè)備的最終產(chǎn)品。這包括將元件連接到諸如印刷電路板的基板上，然后使用導(dǎo)線或其他方式將它們連接到其他元件上。半導(dǎo)體工藝非常復(fù)雜，涉及各種專(zhuān)用設(shè)備和材料。這些工藝對(duì)于現(xiàn)代電子設(shè)備的制造是必不可少的，并且隨著新技術(shù)的迭代而不斷發(fā)展。

通常，生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的過(guò)程需要幾周到幾個(gè)月的時(shí)間。從第一階段開(kāi)始，需要制造一個(gè)硅片，作為芯片的襯底。此工藝通常包括如下過(guò)程，清洗、沉積、光刻、蝕刻和摻質(zhì)。晶片可能需要經(jīng)受數(shù)百個(gè)不同的工藝加工，所以，整個(gè)晶片制造過(guò)程可能要花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)16~18周的時(shí)間。

當(dāng)在晶圓上制造出獨(dú)立的單一芯片，就需要將它們分離并封裝成獨(dú)立的單元。同時(shí)包括測(cè)試每個(gè)芯片以確保其符合規(guī)格要求，然后將其從晶圓上分離并安裝到封裝或基板上。芯片封裝后，會(huì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試過(guò)程，以確保它們符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并達(dá)到預(yù)期的功能。這包括運(yùn)行電子測(cè)試、功能測(cè)試和其他類(lèi)型的驗(yàn)證測(cè)試，以識(shí)別任何缺陷或問(wèn)題。這也取決于芯片的復(fù)雜程度和所需的測(cè)試要求，所以這一封裝和測(cè)試過(guò)程可能需要8-10周的時(shí)間。

總而言之，生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的整個(gè)過(guò)程可能需要幾周或幾個(gè)月的時(shí)間，其因是它取決于所使用的相關(guān)技術(shù)和芯片的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

▲?半導(dǎo)體器件制造中主要工藝的步驟及概要：1）p型襯底晶片 2）熱氧化 3）光刻 4）氧化物蝕刻 5）n+離子注入 6）熱氧化 7）柵極光刻 8）柵極氧化物蝕刻 9）金屬沉積 10）金屬接觸光刻 11）金屬蝕刻 12）定型元件

半導(dǎo)體制造趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

圖案轉(zhuǎn)移

圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)成為半導(dǎo)體工業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而能夠制造更小和更復(fù)雜的電子元件。圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)的一個(gè)主要進(jìn)步是先進(jìn)光刻技術(shù)的發(fā)展。光刻是使用光或其他輻射源將圖案轉(zhuǎn)移到媒質(zhì)面上的過(guò)程。尤其近幾年開(kāi)發(fā)的光刻技術(shù)，例如極紫外（EUV）光刻和多重圖案化技術(shù)，用以產(chǎn)生更小和更復(fù)雜的圖形。EUV平版印刷術(shù)使用極短波長(zhǎng)的光束在硅晶片上制作極其精密的圖形。這種技術(shù)能夠創(chuàng)造微小到幾納米的尺寸，這對(duì)于制造微處理器等先進(jìn)電子元件至關(guān)重要。多重圖案化是另一種光刻技術(shù)，它能夠制作更小的圖案。此技術(shù)包括將單個(gè)圖案分解成多個(gè)微量極的圖案，然后轉(zhuǎn)移到晶片表面。致使創(chuàng)建的圖案可以小于光刻技術(shù)中所使用的輻射波長(zhǎng)。

摻質(zhì)

摻質(zhì)是向硅片中加入特定的介質(zhì)以改變其電特性。摻質(zhì)技術(shù)的進(jìn)步一直是半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。這一技術(shù)的進(jìn)步是得益于新的介質(zhì)材料的出現(xiàn)。傳統(tǒng)上，硼和磷是最常用的摻質(zhì)材料，因?yàn)樗鼈兛梢苑謩e產(chǎn)生p型和n型半導(dǎo)體。然而，近年來(lái)，鍺、砷和銻等新材料已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，可用于制造更復(fù)雜的電子元件。摻質(zhì)技術(shù)的另一個(gè)進(jìn)步是更精確的摻質(zhì)工藝的進(jìn)步。在過(guò)去，離子注入是用于摻質(zhì)的主要技術(shù)，包括高速離子的運(yùn)用，將介質(zhì)注入晶片的表面。雖然離子注入仍然被普遍使用，但是諸如分子束外延（MBE）和化學(xué)氣相沉積（CVD）等新技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，使摻質(zhì)處理過(guò)程得到更精確的控制。

沉積

沉積是半導(dǎo)體制造中的又一關(guān)鍵工藝，包括將材料薄膜沉積到襯底上。這一過(guò)程可以通過(guò)各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）等。同時(shí)新技術(shù)也在不斷的發(fā)展，包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、等離子體增強(qiáng)沉積、卷對(duì)卷沉積等。

蝕刻

蝕刻包括去除半導(dǎo)體材料的特定部分以產(chǎn)生圖案或結(jié)構(gòu)。蝕刻技術(shù)的進(jìn)步是半導(dǎo)體工業(yè)快速發(fā)展的主因，也是制造更小和更復(fù)雜的電子元件的關(guān)鍵技術(shù)。過(guò)去，濕法蝕刻是普遍應(yīng)用的主要技術(shù)，包括將晶片浸入溶解材料的溶液中。然而，濕法蝕刻并不精確，會(huì)對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)造成損傷。而干法蝕刻技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了更精確和高可控的蝕刻制作，諸如反應(yīng)離子蝕刻（RIE）和等離子體蝕刻。RIE是一種使用反應(yīng)離子體從晶片上選擇性去除材料的技術(shù)，允許對(duì)蝕刻過(guò)程進(jìn)行精確控制。而等離子體蝕刻是一種類(lèi)似的技術(shù)，使用氣體等離子體來(lái)去除材料，但是它具有選擇性地去除特定材料的額外好處，例如金屬或硅。

封裝

半導(dǎo)體制造中的封裝工藝包括將集成電路封裝在保護(hù)外殼中，該保護(hù)外殼還提供與外界的電連接。封裝過(guò)程會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能、可靠性和成本。3D封裝包括將多個(gè)芯片堆疊在一起，以創(chuàng)建高密度集成電路。這種技術(shù)可以減小器件的整體尺寸并提高其性能，同時(shí)還能降低功耗。扇出（fan-out）封裝是一種將集成電路嵌入環(huán)氧模塑料層的技術(shù)，使用從芯片扇出的銅柱進(jìn)行電連接。這項(xiàng)技術(shù)能夠以更小的尺寸實(shí)現(xiàn)高密度封裝。系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）是另一種將多個(gè)芯片、傳感器和其他組件集成到一個(gè)封裝的技術(shù)。它可以做到減小器件的整體尺寸，同時(shí)還能提高其綜合性能。

瑞薩在支持半導(dǎo)體工藝方面的作用和進(jìn)步

瑞薩電子是公認(rèn)杰出的先進(jìn)半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商，為包括汽車(chē)、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的廣泛應(yīng)用提供微控制器、模擬和功率部件以及片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。我們致力于創(chuàng)新，并通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)技術(shù)，在支持半導(dǎo)體工藝方面發(fā)揮了舉足輕重的作用。

瑞薩在先進(jìn)計(jì)算產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方面取得了重大突破，在數(shù)字和模擬領(lǐng)域都有極高的擴(kuò)展和創(chuàng)新。我們的設(shè)備和元組件提供了從電源管理到電機(jī)控制等各種應(yīng)用所需的關(guān)鍵控制和傳感能力。同時(shí)不斷地開(kāi)發(fā)各個(gè)創(chuàng)新技術(shù)，如碳化硅（SiC）MOSFET，與傳統(tǒng)的硅基元件相比，其效率更高，損耗更低。公司還通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的制造技術(shù)，在半導(dǎo)體制作工藝的進(jìn)步中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。例如，瑞薩開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為金屬-氧化物-氮化物-氧化物-硅（MONOS）的獨(dú)特工藝，能夠制造高密度、高速閃存設(shè)備。這種工藝已被用于開(kāi)發(fā)高級(jí)內(nèi)存解決方案，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和工業(yè)等領(lǐng)域。

除了技術(shù)進(jìn)步，瑞薩還致力于通過(guò)伙伴合作關(guān)系支持半導(dǎo)體行業(yè)，與其他公司或組織密切合作，共同開(kāi)發(fā)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳應(yīng)用實(shí)踐，以促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。

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