ウェーハの製造とテスト

ウェーハ製造そしてテスト

半導体統合回路製造におけるウェーハ製造は、5つの製造段階に分けることができます。

このドキュメントでは、最初の3つのステップについて次のように説明します。

・ウェーハの準備

・ウェーハ製造

・ウェーハテスト

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ウェーハの準備
ウェーハの製造では、この傾向はサイズを増やすことです。これには次の意味があります。生産性：ウェーハサイズの増加は生産性を大幅に向上させることができます。大きなウェーハを処理する場合、各ウェーハに収容できるチップの数が大幅に増加するため、時間単位あたり生成できるチップの総数が増加します。
生産コスト：ウェーハサイズを増やすと、生産コストが削減される可能性があります。大規模なウェーハサイズは、ウェーハからワーファーへのダイシング損失を減らし、材料の利用をさらに改善しながら、ダイあたりの平均コストを削減します。

チップ設計：大型ウェーハサイズは、チップ設計のためのより多くのスペースを提供し、設計者が単一のウェーハでより複雑で効率的な回路設計を実現できるようにします。
プロセスの複雑さ：ウェーハサイズの増加は、製造プロセスの複雑さも増加させます。たとえば、単結晶シリコンの成長の均一性には高い要件があり、大規模な単結晶シリコンロッドを描くときは、温度や回転速度などのパラメーターを正確に制御する必要があります。

機器の投資：大規模なウェーハの生産ラインには、単一のEUVリソグラフィマシンのコストが1億米ドルを超えるなど、特別な機器が必要であり、サポート堆積およびエッチング機器は高価です。

ウェーハ製造

ウェーハの製造は、半導体積分回路製造のコアリンクであり、特定のプロセスフロー、繰り返しのウェーハクリーニング、薄膜の準備、フォトリソグラフィパターン、エッチングおよびドーピングおよびその他の処理プロセスを介して、最終的にウェーハ上の統合回路のチップ製造を完了します。
ウェーハの製造施設は、多くの場合、個々のプロセスモジュールに基づいて異なるゾーンに分割され、スムーズで効率的な生産プロセスを確保します。

リソグラフィーゾーン：設計された回路パターンは、ウェーハの表面に伝達されます。露出、開発、エッチングは、フォトレジストとレチクルによって行われます。フォトレジストは、UV光の下で化学反応を起こし、レチクルのパターンに対応するパターンを形成します。次に、フォトレジストによって保護されていない領域は、エッチングによって除去され、目的の回路構造を形成します。デバイスの特徴サイズが小さくなると、リソグラフィマシンが使用する光源の波長は、リソグラフィの精度を向上させるために深い紫外線方向にシフトします。最近では、リソグラフィールームはほとんど黄色の光で照らされているため、リソグラフィルームは黄色の部屋エリアと呼ばれることもあります。
エッチングゾーン：ウェーハの表面から材料を除去して、特定のパターンを形成します。これには、ウェットエッチングとドライエッチングの両方が含まれます。ウェットエッチングは化学溶液を使用して材料を除去しますが、乾燥エッチングは、プラズマや反応性イオンビームなどの物理的または化学的方法によって材料を除去します。初期の頃は、主に湿ったエッチングであり、通常は1つの領域で掃除されていました。ただし、デバイスの機能サイズが減少すると、異方性乾燥エッチングがさらに使用されます。ドライエッチングは、より細かい回路構造のニーズを満たすために、より良いサイドウォール制御と臨界寸法制御を提供します。

イオン移植ゾーン：ウェーハ表面の電気特性を調整して、目的のドーピング層を形成します。ドープされた原子の加速ビームを使用して、イオンインプランターを使用してウェーハの表面を爆撃し、不純物原子をウェーハに注入します。注入されたウェーハは通常、損傷を修復し、ドープされた原子を活性化するためにアニールする必要があります。初期の頃、半導体ドーピングは主に高温炉拡散プロセスを採用していました。ただし、デバイスの特性サイズが減少すると、シリコンのPN接合深度と不純物濃度分布の形態の要件が増加し、イオン移植技術が徐々に主流のドーピング方法になりました。イオン移植技術には、高ドーピング濃度、良好な均一性、強力な制御性の利点があります。
薄膜領域：断熱層、半導体層、導体層など、ウェーハの表面にさまざまな薄膜が形成されます。これらには、化学蒸気堆積（CVD）や物理蒸気堆積（PVD）などの方法が含まれます。 CVDは、熱分解または化学反応を介して、基質にガス化合物を堆積します。 PVDは、蒸発やスパッタリングなどの物理的プロセスを通じて材料を基板に堆積させます。薄膜の準備は、ウェーハの製造で広く使用されています。たとえば、Sio₂フィルムは断熱層としてよく使用され、多結晶シリコンフィルムはトランジスタゲートなどを作るために使用されます。

拡散ゾーン：拡散ゾーンは依然として使用されていますが、高温炉拡散プロセスは、最新のウェーハ製造ではほとんど使用されていません。今日、この領域は、主に熱成長シリカフィルム、従来の熱アニーリング、ラピッドサーマルアニーリング（RTA）などのプロセスに使用されています。デバイスの機能サイズが小さくなり、プロセス要件が増加すると、拡散領域の作業も変わります。現在、この領域は、酸化シリコンフィルムの品質とアニーリングプロセスの効率に焦点を当てています。
金属化ゾーン：個々のデバイスを接続して完全な回路を形成するために、ウェーハの表面に金属相互接続層が形成されます。アルミニウムの金属化プロセスと銅金属化のダマスカスプロセスなどを含む。アルミニウムの金属化プロセスには、アルミニウム、マグネトロンスパッタリングアルミニウム、およびアルミニウムの乾燥エッチングの電子ビーム堆積が必要です。一方、銅の金属化のダマスカスプロセスは、銅を事前にエッチングしたトレンチに充填することにより、相互接続層を作成します。デバイスの機能サイズの縮小とプロセス要件の改善により、銅メタリゼーションのダマスカスプロセスが徐々に主流のメタ化方法になりました。このプロセスは、銅によるデバイスの基礎となる部分の汚染を回避し、回路の性能と信頼性を向上させることができます。

エピタキシャル領域：シリコン基板上の単結晶シリコンの薄膜（均質なエピタキシー）またはシリコン基板上の他の材料の薄膜（ヘテロエピタキシー）の薄膜を育てて、特定のデバイスのニーズを満たします。蒸気相エピタキシー（VPE）などの方法が含まれています。単結晶シリコンの新しい層または他の物質の薄膜が、化学反応を介してウェーハの表面に堆積します。エピタキシャルプロセスは、高性能統合回路と特別なデバイスの製造に広く使用されています。たとえば、エピタキシャル層を使用して、高速トランジスタ、低電力デバイスなどを作成できます。リソグラフィーの精度と効率をさらに向上させるために、極端な紫外リソグラフィ（EUVL）技術が登場しました。エッチングプロセスのパフォーマンスと効率を改善するために、原子層エッチング（ALE）テクノロジーが出現しました。これらの新しい技術を適用することで、ウェーハの製造プロセスがより洗練され、効率的で信頼性が高くなります。

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ウェーハテスト
ウェーハテストは、各チップがパッケージングの前に設計仕様と機能要件を満たすように設計された半導体製造プロセスの重要な部分です。ウェーハテストには、ウェーハ製造プロセス中のさまざまなインライン検査と測定、およびチップ製造後のプローブカードを使用した統合回路チップの機能および性能テストが含まれます。以下は、ウェーハテストフェーズの詳細な説明です。

インライン検査と測定目的：ウェーハ製造プロセス中にリアルタイム検査を実施して、プロセスパラメーターが標準を満たしていることを確認し、時間内にプロセス偏差を検出および修正します。同時に、ウェーハのさまざまな物理的パラメーターが、直径、平坦性、厚さなど、ウェーハの品質が標準要件を満たすようにするために正確に測定されます。

方法：光学またはその他のアライメント手法を使用して、ウェーハのテストポイントをリアルタイム検査のためにプローブカードと正確に整列させました。同時に、レーザー干渉計、原子間力顕微鏡などの高度な測定機器と機器を使用して、ウェーハの非接触測定を実行します。

アプリケーション：インライン検査は、プロセスの品質と生産効率を確保するために、リソグラフィ、エッチング、ドーピングなど、ウェーハ製造プロセスのさまざまなプロセスモジュールで広く使用されています。測定は、ウェーハの品質が標準要件を満たしていることを保証し、プロセスの最適化のためのデータサポートを提供するために使用されます。プローブカードテストの目的は、ウェーハの各チップの電気性能をテストし、その後のパッケージの資格のあるチップをスクリーニングすることです。方法：プローブカードを使用して、機能テストのために各ベアダイの電気接点ポイントをプローブしました。プローブカードのプローブは、チップ上のはんだジョイントまたは突起と直接接触し、チップ信号が導出され、関連するテスト機器とソフトウェア制御で自動測定が実現されます。技術的な詳細：プローブカードは、通常、プローブ、電子コンポーネント、ワイヤー、プリント回路基板（PCB）で構成されるウェーハ機能検証テストの重要なツールです。プローブカードのプローブは髪と同じくらい薄く、ダイのパッドと正確に接触することができます。テクノロジーの進化：デバイスの機能サイズが減少し、プロセスの要件が増加するにつれて、プローブカードテスト技術は進化し続けます。たとえば、空飛ぶプローブテスト技術が登場しました。これにより、PCBとセラミックプレート間の完全な連続性テストのためにプローブカードコネクタピンと直接接触できるようになり、アプリケーション固有のインターフェイスボードまたは備品の必要性が排除されます。故障したチップマーキング方法の目的：欠陥のあるチップが検出された後、それはその後のウェーハダイシングおよびパッケージングプロセスで排除できるように、資格がないものとしてマークされます。

方法：初期段階では、障害のあるチップがインクを塗って、パッケージングのために拒否されるようにしました。現在、多目的テストであるコンピューターは、ウェーハビットマップの欠陥のあるチップの位置を記録します。テクノロジーの進化：自動化と情報技術の開発により、欠陥のあるチップをマークする方法も常に改善されています。これで、コンピューターで録音されたウェーハビットマップは、故障したチップをより正確に見つけることができ、生産性と製品の品質が向上する可能性があります。生産効率と製品品質に対するテスト方法の進化の影響：生産性：自動テスト、自動テスト技術の開発により、ウェーハテストプロセスはより効率的かつ信頼性が高まっています。自動テストは、手動の介入を減らし、テストの速度と精度を向上させ、それによって生産性を向上させることができます。人工知能技術の開発により、インテリジェントテストは、機械学習アルゴリズムを使用してテストプロセスを改善する方法を探求し始めました。たとえば、AIはUI要素の変更を識別し、テストスクリプトを自動的に調整するために使用されます。または、機械学習モデルを使用して、コードのどの部分が欠陥を含む可能性が高いかを予測します。インテリジェントテストは、テストの効率と精度をさらに改善し、テストコストを削減することができます。製品の品質：オンライン検査やプローブカードテストなどのテクノロジーを通じて、初期の欠陥検出は、ウェーハ製造プロセスの早い段階で欠陥のあるチップを見つけることができ、その後のパッケージングとテストプロセスに入ることを避け、それによって製品の品質が向上します。正確な障害の位置は、障害チップマーキング方法の改善により、障害チップをより正確に配置し、誤判断と判断を逃し、製品の品質をさらに向上させることができます。ウェーハテストフェーズのこれらの技術と方法は、チップの品質とパフォーマンスを確保するだけでなく、生産効率を高め、テストコストを削減することにより、半導体製造業界に大きな経済的利益をもたらします。