芯片生产采用精确的制造工艺并通过连续测试。 硅片是逐层制造的，使用了涉及气体、化学品和溶剂的重复工艺流程并使用了紫外线。 该工艺包括外延层和介质膜的生长/沉积、图案形成（光刻和蚀刻）、注入（掺杂）和扩散以及互连金属（铝、铜）的沉积。 每一层都在微米甚至纳米级尺寸的极小结构内构图，以制成具有数百万至数十亿互连晶体管的集成电路 (IC)。 完成后，单个晶圆将包含必须通过严格测试然后从晶圆上切割下来的数百完全相同的裸片（芯片）。 然后将每个芯片安装到金属或塑料封装材料上。 安装的芯片经过最终测试，然后就可以装配到最终产品中。

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半导体晶圆制造的质量控制挑战

制造步骤质量控制挑战
晶圆/基片制备（晶圆清洁）确保晶圆清洁，不存在硅晶体缺陷和杂质。 湿法清洁需要使用超纯化学品、超纯水（稀释、冲洗）和超纯有机溶剂（如 IPA，用于 Marangoni 晶圆干燥）。
离子注入离子剂量和注入分布图需要妥善控制，晶体损坏和非晶化必须最小化，比如通过在离子注入后使用优化的温度退火步骤来实现。 离子源气体（AsH3、PH3、BF3、B2H6 等）需要控制杂质以避免杂散共同离子注入。
热工艺用于退火（离子注入、铜沉积后）或如氧化硅或硅化物层的生长。 反应堆清洁和气体纯度对于避免生长层出现杂质或者与晶圆上存在的材料发生不良反应非常重要。
薄膜沉积用于共形介质或金属薄膜的沉积。 介质薄膜的形成大多数使用低压力化学气相沉积 (LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 或者原子层沉积 (ALD) 工艺。

必须妥善控制介质薄膜的厚度、成分和热机械特性。
  • 化学前驱体（气体、蒸气和液体）需要保持清洁和高纯度才能确保沉积薄膜的质量。
  • 金属薄膜的形成需要采用 LPCVD/溅射/ALD（钨、晶粒和阻挡层，比如 Ta 和 TaN）或电化学乘积（镀铜）工艺。
  • 阻挡、接触或晶粒薄膜非常薄，需要保持高纯度，并严格控制化学成分，以确保正确的物理和电学特性。
  • 用于铜电化学沉积的电镀液成分需要妥善控制，且无污染物，以确保正确特性的金属沉积。 铜厚度、晶体方向和粒度需要进行优化，以确保正确的电导率，并最大程度减少由于电迁移引起的降解。
CMP（化学机械抛光）要最小化表面形貌，使用 CMP 可清除材料并平整晶圆表面。 CMP 是一种机械/化学工艺，需要妥善控制才能获得所需结果并避免晶圆损坏和污染。 需要妥善控制所用化学浆液的粒径分布和化学成分。
光刻紫外光刻用于将器件结构定型在晶圆上。 抗蚀剂沉积在晶圆上，然后通过扫描仪中的光掩膜照射抗蚀剂，随后在显影机中显影。 控制光刻步骤极为重要，因为最小尺寸的有源器件都是在这些步骤中进行定义的。 CD、抗蚀剂图案和刻线边缘粗糙度等均需测量。 要确保可靠的光刻工艺，还需妥善控制洁净室空气。 极小量的耐火材料碳氢化合物污染对光刻工艺（镜头污染）也是不利的，同时，洁净室空气中的痕量酸、碱和抗蚀剂（如 PGMEA、乳酸乙酯）也可因导致晶圆缺陷而带来不利影响。
湿法或干法蚀刻蚀刻根据之前光刻步骤中在晶圆上形成的抗蚀剂或硬掩膜的布局将薄膜或层定型于器件结构中。 蚀刻工艺需要控制蚀刻速度、各向异性和选择性，因为这些参数将决定构图结构（触点、过孔、刻线等）的最终形状和尺寸。 由于蚀刻工艺基于大量不同的活性和惰性气体（或者用于湿法蚀刻步骤的化学品），所以这些气体和液体的纯度控制非常重要。

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