晶圆制造是半导体产业的核心环节,涉及数十道精密工艺,其中以下六大关键步骤决定了最终芯片的性能与良率:
晶体生长
直拉法(Czochralski):将高纯度多晶硅原料在石英坩埚中熔融,通过旋转提拉籽晶形成单晶硅棒,可生产大尺寸晶圆。
浮区法(Float-Zone):利用电磁感应局部熔化多晶硅,通过移动熔区实现单晶生长,适用于高电阻率硅片制备。
外延沉积:在衬底上气相生长单晶层,如SiHCl₃+H₂→Si+3HCl,用于隔离器件与衬底缺陷。
光刻技术
预处理:化学清洗去除污染物,旋涂六甲基二硅胶(HMDS)增强光刻胶附着。
涂胶与软烘:4000rpm旋涂光刻胶,90-100℃烘烤固化。
对准曝光:深紫外(DUV,193nm/28nm节点)或极紫外(EUV,<7nm节点)曝光,套刻精度≤1.5nm。
显影坚膜:四甲基氢氧化铵(TMAH)显影,120℃硬烤去除残留溶剂。
蚀刻工艺
湿法蚀刻:各向同性腐蚀,如HF+HNO₃+CH₃COOH混合液,用于简单结构加工。
干法蚀刻:反应离子刻蚀(RIE,CF₄+O₂等离子体)实现亚微米级各向异性轮廓,适用于FinFET、GAA纳米线等复杂结构。
掺杂改性
扩散法:高温(1000-1200℃)固相扩散,B/P/As等杂质浓度梯度分布。
离子注入:加速至MeV能量的离子束轰击,剂量控制精确至1e11-1e16 atoms/cm²,结合快速热退火(RTA,毫秒级升温)修复晶格损伤。
薄膜沉积
化学气相沉积(CVD):SiH₄+NH₃→Si₃N₄,TEOS+O₂→SiO₂,用于栅极介质和隔离层。
物理气相沉积(PVD):磁控溅射Al/Cu互连,Ti/TiN粘附层。
原子层沉积(ALD):自限制反应逐层生长,如HfO₂高k介质,厚度控制达埃级。
化学机械研磨(CMP)
采用SiO₂/Al₂O₃磨料+碱性抛光液,全局平坦化至表面粗糙度<0.5nm,确保多层布线的平整度。