半導體制造工藝第1章緒論

1、半導體制造工藝張淵 主編張淵 主編半導體制造工藝高職高?！笆濉彪娮有畔㈩悓I(yè)規(guī)劃教材第1章緒論第1章緒論1.1引言1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)1.3半導體器件工藝的發(fā)展歷史1.4集成電路制造階段1.5半導體制造企業(yè)1.6基本的半導體材料1.7半導體制造中使用的化學品1.8芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境1.1引言圖1-1集成電路組成的抽象結(jié)構(gòu)圖1.1引言圖1-2典型的半導體芯片的制造流程1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-3由二極管、MOS場效應晶體管和電阻組成的SRAM電路圖1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)1.2.1無源元件結(jié)構(gòu)1. 集成電路電阻的結(jié)構(gòu)圖1-4集成電路中電阻的結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-5

2、利用基區(qū)、發(fā)射區(qū)擴散形成電阻的結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-6外延層電阻結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-7MOS集成電路中的多晶硅電阻1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-8集成電路中電容的結(jié)構(gòu)2.集成電路電容結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-9PN結(jié)電容結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-10MOS場效應晶體管電容結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)1.2.2有源器件結(jié)構(gòu)有源器件，如二極管和晶體管與無源元件在電子控制方式上有很大差別，可以用于控制電流方向，放大小的信號，構(gòu)成復雜的電路。這些器件與電源相連時需要確定電極（+或-）。工作時利用了電子和空穴的流動。1.二極管的結(jié)構(gòu)圖1-11集成電路

3、中二極管的基本結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-12集成電路中二極管的結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-13晶體管的基本結(jié)構(gòu)2.晶體管的結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-14MOS管的結(jié)構(gòu)圖和示意圖3.場效應晶體管的結(jié)構(gòu)1.2基本半導體元器件結(jié)構(gòu)圖1-15CMOS反相器電路的電路圖、頂視圖和剖面圖4. CMOS結(jié)構(gòu) 1.3半導體器件工藝的發(fā)展歷史圖1-16生長型晶體管生長示意圖1.3半導體器件工藝的發(fā)展歷史圖1-17合金結(jié)結(jié)型晶體管示意圖1.3半導體器件工藝的發(fā)展歷史圖1-18臺面型結(jié)型晶體管示意圖1.3半導體器件工藝的發(fā)展歷史圖1-19硅平面結(jié)型晶體管示意圖1.4集成電路制造階段1.4

4、.1集成電路制造的階段劃分半導體集成電路制造一般包括以下幾大部分：硅片（晶圓）的制備、掩膜版的制作、硅片的制造及元器件封裝，如圖1 20所示。值得一提的是半導體制造的各個部分并不是由一個工廠來完成的，而是由不同的工廠分別來完成，也就是說硅片制備有專門的制造企業(yè)，制備硅片的企業(yè)并不進行硅片的制造，它只為硅片制造廠提供硅片，而硅片制造廠從硅片制備廠買來所需要的硅片，進行硅片制造，而制造中所用到的掩膜版也由專門的生產(chǎn)企業(yè)來提供，硅片制造完成的芯片的封裝也不由硅片制造企業(yè)完成，而是由封裝企業(yè)來完成，這樣做可以減少設備的維護費用。1.4集成電路制造階段圖1-20半導體芯片的制造框圖1.4集成電路制造階段

5、硅片制備將硅從沙中提煉并純化，形成半導體級的多晶硅。芯片制造硅片到達硅片制造廠，經(jīng)過清洗、成膜(氧化、淀積)、光刻、刻蝕和摻雜(擴散、離子注入)等主要工藝之后，加工完成的硅片具有永久刻蝕在硅片上的完整的集成電路。圖1-21半導體芯片制造的關鍵工藝1.4集成電路制造階段(3)掩膜版制作掩膜版中包括構(gòu)成芯片的各層圖形結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在最常用的掩膜版技術(shù)是石英玻璃涂敷鉻，在石英玻璃掩膜版表面的鉻層上形成芯片各層結(jié)構(gòu)圖形。(4)裝配與封裝芯片制造完成后，封裝之前芯片要經(jīng)過測試/揀選進行單個芯片的電學測試，揀選出合格芯片和不合格芯片，并作出標識，合格芯片包裝在保護殼體內(nèi)。(5)終測為了確保芯片的功能，要對每個被

6、封裝的集成電路進行測試，以保證芯片的電學和環(huán)境特性參數(shù)滿足要求，即保證發(fā)給用戶的芯片是合格芯片。1.4集成電路制造階段圖1-22世界上第一塊集成電路1.4.2集成電路時代劃分1.4集成電路制造階段表1-1集成電路時代劃分1.4集成電路制造階段1.4.3集成電路制造的發(fā)展趨勢電子器件中不論是電子管還是晶體管，一般都具有這樣的特點：隨著它們結(jié)構(gòu)尺寸的縮小，將會使工作速度增加，使功耗降低，其結(jié)果是使速度提高與晶體管的尺寸縮小的同時，集成電路的性能將獲得改善。同時，由于尺寸的減小，有可能容納更多的元器件，從而通過提高集成度，擴大功能。就可靠性來考慮，隨著集成規(guī)模的增大，使印制電路板上的焊點數(shù)減少，從而

7、使每個元器件的故障率降低。(1) 提高芯片的性能芯片的性能一般包括兩方面的內(nèi)容，一是芯片的工作速度，二是芯片工作過程中的功耗。1.4集成電路制造階段表1-21m以下產(chǎn)業(yè)的技術(shù)節(jié)點列表(2)提高芯片的可靠性芯片的可靠性主要指芯片壽命。(3)降低芯片的成本半導體芯片的價格一直持續(xù)下降。1.5半導體制造企業(yè)(1)設計/制造企業(yè)許多企業(yè)都集合了芯片設計和芯片制造，從芯片的前端設計到后端加工都在企業(yè)內(nèi)部完成。(2)代工企業(yè) 在芯片制造業(yè)中，有一類特殊的企業(yè)，專門為其他芯片設計企業(yè)制造芯片，這類企業(yè)稱為晶圓代工廠。1.6基本的半導體材料1.6.1硅最常見的半導體材料20世紀50年代初期以前，鍺是半導體工業(yè)

8、應用得最普遍的材料之一，但因為其禁帶寬度較?。▋H為066eV），使得鍺半導體的工作溫度僅能達到90（因為在高溫時，漏電流相當高）。鍺的另一個嚴重缺點是無法在其表面形成一穩(wěn)定的且對摻雜雜質(zhì)呈鈍化性的氧化層，如二氧化鍺（GeO2）為水溶性，且會在800左右的溫度自然分解。相比而言，硅的禁帶寬度較大（112eV），硅半導體的工作溫度可以高達200。硅片表面可以氧化出穩(wěn)定且對摻雜雜質(zhì)有極好阻擋作用的氧化層（SiO2），這個特性使得硅在半導體的應用上遠優(yōu)于鍺，因為氧化層可以被用在基本的集成電路結(jié)構(gòu)中。1.6基本的半導體材料1980年以后半導體界曾對GaAs的應用產(chǎn)生極高的期待，這是因為GaAs具有更高的

9、電子遷移率，而且具有直接禁帶寬度，但因為高品質(zhì)及大尺寸的GaAs不易獲得，所以終究無法取代硅單晶材料在半導體業(yè)的地位。(1)硅的豐裕度硅是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%，經(jīng)合理加工，硅能夠提純到半導體制造所需的足夠高的純度，而消耗的成本比較低。(2)更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限硅的熔點是1412，遠高于鍺937的熔點，更高的熔點使得硅可以承受高溫工藝。(3)更寬的工作溫度范圍用硅制造的半導體器件可以工作在比鍺制造的半導體器件更寬的溫度范圍，增加了半導體器件的應用范圍和可靠性。1.6基本的半導體材料(4)氧化硅的自然生成硅表面有能夠自然生長氧化硅(SiO2)的能力，SiO2是一種

10、高質(zhì)量、穩(wěn)定的電絕緣材料，而且能充當優(yōu)質(zhì)的化學阻擋層以保護硅不受外部沾污。圖1-23純硅的Si原子共價鍵示意圖1.6基本的半導體材料圖1-24硅的電阻率隨摻雜濃度的變化1.6基本的半導體材料1.6.2半導體級硅對用來做芯片的硅片要求有很高的純度，還要求其原子級的微缺陷減小到最小，這些缺陷對半導體性能是非常有害的，還要求硅片具有想要的晶向、適量的摻雜濃度。用來做芯片的純硅被稱為半導體級硅，是從天然硅中提煉出的多晶硅。多晶硅經(jīng)過拉單晶制成單晶硅，芯片就是制作在這種很高純度并具有一定的摻雜濃度和一定的晶向的單晶硅硅片上。1.6基本的半導體材料1.6.3單晶硅生長半導體級硅是多晶硅，半導體芯片加工需要

11、純凈的單晶硅結(jié)構(gòu)，這是因為單晶硅具有重復的晶胞結(jié)構(gòu)，能夠提供制作工藝和器件性能所要求的電學和機械性能。晶體缺陷就是在重復排列的晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的任何中斷。晶體缺陷會影響半導體的電學性能，包括二氧化硅介質(zhì)擊穿和產(chǎn)生漏電流等。隨著器件尺寸的縮小，更多的晶體管集成在一塊芯片上，缺陷出現(xiàn)在芯片敏感區(qū)域的可能性就會增加，這樣就會使IC器件的成品率受到影響。要將多晶硅轉(zhuǎn)換成單晶硅有兩種技術(shù)，它們是直拉法即Czochralski(CZ)法和區(qū)熔法。(1)直拉法直拉法生長單晶硅是將熔化了的半導體級多晶硅變成有正確晶向并被摻雜成N型或P型的固體硅錠。1.6基本的半導體材料圖1-25CZ法拉單晶爐示意圖1.6基本的

12、半導體材料圖1-26用CZ法生長的硅錠1.6基本的半導體材料(2)區(qū)熔法區(qū)熔法是另一種單晶生長方法，它所生產(chǎn)的單晶硅中含氧量非常少，能生產(chǎn)目前為止最純的單晶硅。圖1-27區(qū)熔法單晶生長設備示意圖1.6基本的半導體材料圖1-28硅片加工制備的基本流程1.6基本的半導體材料1.6.4其他半導體材料集成電路的關鍵性能指標是速度。無線和高速數(shù)字通信、空間應用和汽車工業(yè)的消費市場，正孕育著特殊的半導體市場。市場對集成電路性能的要求超越了硅半導體產(chǎn)品的承受能力，這就推動了其他半導體材料的發(fā)展。1.7半導體制造中使用的化學品1.液態(tài)化學品的主要特征及其輸送表1-3半導體制造過程中常用的酸1.7半導體制造中使

13、用的化學品表1-4半導體制造過程中常用的堿表1-5半導體制造過程中常用的溶劑1.7半導體制造中使用的化學品2.氣態(tài)化學品的主要特征及其輸送圖1-29特種氣體鋼瓶1.7半導體制造中使用的化學品表1-6半導體制造中常用的通用氣體1.7半導體制造中使用的化學品表1-6半導體制造中常用的通用氣體1.7半導體制造中使用的化學品表1-7半導體制造中常用的特種氣體1.7半導體制造中使用的化學品3.等離子體等離子體，又叫做電漿，是被電離后的氣體，即以離子態(tài)形式存在的氣體(正離子和電子組成的混合物 )。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣之外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。在自然界里，火焰、閃電、太陽等都是等離子體。等離子體有以下兩個特點：等離子體呈現(xiàn)出高度不穩(wěn)定態(tài)，有很強的化學活性。等離子體輔助CVD就是利用了這個特點。 等離子體是一種很好的導電體，利用經(jīng)過設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。這兩個特點在后面的工藝中得到很好的利用。等離子體的產(chǎn)生方法有輝光放電 、射頻放電和電暈放電等。1.8芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境1.8.1凈化間沾污類型凈化間沾污類型可以分為5大類：顆粒、金屬雜質(zhì)、有機物沾污、自然氧化層和靜電釋放。1.顆粒圖1-30顆粒引起的缺陷1.8芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境2.金屬雜質(zhì)3.有機物沾污4.自然氧化層5.靜電釋放1.8.2污染源與控