第七章-半導(dǎo)體工藝分解

第七章

半導(dǎo)體工藝介紹參考書(shū)：半導(dǎo)體制造技術(shù)韓鄭生等譯

Semiconductor

Manufacturing

Technolgy[美]Micheal

Quirk

Julian

Serda著1

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹概述微電子從40年代末的第一只晶體管（Ge合金管）問(wèn)世，50年代中期出現(xiàn)了硅平面工藝，此工藝不僅成為硅晶體管的基本制造工藝，也使得將多個(gè)分立晶體管制造在同在一硅片上的集成電路成為可能，隨著制造工藝水平的不斷成熟，使微電子從單只晶體管發(fā)展到今天的ULSI?；仡櫚l(fā)展歷史，微電子技術(shù)的發(fā)展不外乎包括兩個(gè)方面：制造工藝和電路設(shè)計(jì)，而這兩個(gè)又是相互相成，互相促進(jìn)，共同發(fā)展。1.1

半導(dǎo)體工業(yè)的誕生電信號(hào)處理工業(yè)始于上個(gè)世紀(jì)初的真空管，真空

管使得收音機(jī)、電視機(jī)和其他電子產(chǎn)品成為可能。它也是世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的大腦。真空管的缺點(diǎn)是體積大、功耗大，壽命短。當(dāng)時(shí)這些問(wèn)題成為許多科學(xué)家尋找真空管替代品的動(dòng)力，這個(gè)努力在1947年12月23日得以實(shí)現(xiàn)。也就是第一只Ge合金管的誕生。如圖所示。1.2

固態(tài)器件固態(tài)器件不僅是指晶體管，還包括電阻器和電容器。Ge合金管的缺點(diǎn)是工作溫度低，電性能差。50年代隨著硅平面制造工藝的出現(xiàn)，很快就出現(xiàn)了用硅材料制造的晶體管。由于硅材料的制造溫度(熔點(diǎn)溫度1415℃)和硅晶體管的工作溫度都優(yōu)于鍺(熔點(diǎn)溫度937℃)，加之SiO2的天然生成使得硅晶體管很快取代了Ge晶體管。1.3

集成電路

最早的集成電路僅是幾個(gè)晶體管、二極管、電容器、電阻器組成，而且是在鍺材料上實(shí)現(xiàn)的，是由德州儀器公司的杰克·基爾比發(fā)明的。如圖所示。右圖是用平面技術(shù)制造的晶體管1.4

工藝和產(chǎn)品趨勢(shì)從以開(kāi)始，半導(dǎo)體工業(yè)就呈現(xiàn)出在新工藝和器件

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的持續(xù)發(fā)展。工藝的改進(jìn)是指以更小

尺寸來(lái)制造器件和電路，并使之具有更高的密度，更多的數(shù)量和更高的可靠性。尺寸和數(shù)量是IC發(fā)展的兩個(gè)共同目標(biāo)。

芯片上的物理尺寸特征稱(chēng)為特征尺寸，將此定義為制造復(fù)雜性水平的標(biāo)準(zhǔn)。通常用微米來(lái)表示。一微米為1/10000厘米。Gordon

Moore在1964年預(yù)言IC的密度每隔18～24個(gè)月將翻一番，------摩爾定律。一個(gè)尺寸相同的芯片上，所容納的晶體管數(shù)量，因制程技術(shù)的提升，每18個(gè)月到兩年晶體管數(shù)量會(huì)加倍，IC性能也提升1倍?，F(xiàn)以1961年至2006年期間半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為例加以說(shuō)明，IC電路線寬由25微米減至65納米，晶圓直徑由1英寸增為12英寸，每一芯片上由6個(gè)晶體管增為80億個(gè)晶體管，DRAM密度增

加為4G位，晶體管年銷(xiāo)售量由1000萬(wàn)個(gè)增加到10的

18次方至19次方個(gè)，但晶體管平均售價(jià)卻大幅下降10的9次方倍。特征尺寸的減小和電路密度的提高產(chǎn)生的結(jié)果是：

信號(hào)傳輸距離的縮短和電路速度的提高，芯片或電路功耗更小。1.5半導(dǎo)體工業(yè)的構(gòu)成

半導(dǎo)體工業(yè)包括材料供應(yīng)、電路設(shè)計(jì)、芯片制造和半導(dǎo)體工業(yè)設(shè)備及化學(xué)品供應(yīng)五大塊。

目前有三類(lèi)企業(yè)：一種是集設(shè)計(jì)、制造、封裝和市場(chǎng)銷(xiāo)售為一體的公司；另一類(lèi)是做設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售的公司，他們是從芯片生產(chǎn)廠家購(gòu)買(mǎi)芯片；還有一種是芯片生產(chǎn)工廠，他們可以為顧客生產(chǎn)多種類(lèi)型的芯片。1.6

器件制造半導(dǎo)體器件制造分4個(gè)不同階段：

1.材料準(zhǔn)備晶體生長(zhǎng)與晶圓準(zhǔn)備芯片制造封裝材料準(zhǔn)備晶體生長(zhǎng)與晶圓準(zhǔn)備晶圓制造封裝第一步材料準(zhǔn)備第二步晶體生長(zhǎng)與晶圓準(zhǔn)備第三步

芯片制造第四步

封裝3

晶園制備3.1概述在這一章里，主要介紹沙子轉(zhuǎn)變成晶體，以及晶園和用于芯片制造級(jí)的拋光片的生產(chǎn)步驟。高密度和大尺寸芯片的發(fā)展需要大直徑的晶園，最早使用的是1英寸(25mm)，而現(xiàn)在

300mm直徑的晶園已經(jīng)投入生產(chǎn)線了。因?yàn)榫@直徑越大，單個(gè)芯片的生產(chǎn)成本就越低。然而，直徑越大，晶體結(jié)構(gòu)上和電學(xué)性能的一致性就越難以保證，這正是對(duì)晶園生產(chǎn)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因?yàn)檫@樣每塊晶圓能生產(chǎn)更多的芯片。比如，同樣使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產(chǎn)大約179個(gè)處理器核心，而使用300mm的晶圓可以制造大約427個(gè)處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍，出產(chǎn)的處理器個(gè)數(shù)卻是后者的2.385倍，并且300mm晶圓實(shí)際的成本并不會(huì)比200mm晶

圓來(lái)得高多少，因此這種成倍的生產(chǎn)率提高顯然是所有芯片生產(chǎn)商所喜歡的。然而，硅晶圓具有的一個(gè)特性卻限制了生產(chǎn)商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產(chǎn)過(guò)程中，離晶圓中心越遠(yuǎn)就越容易出現(xiàn)壞點(diǎn)。因此從硅晶圓中心向外擴(kuò)展，壞點(diǎn)數(shù)呈上升趨勢(shì)，這樣我們就無(wú)法隨心所欲地增大晶圓尺寸。隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對(duì)硅片的規(guī)格和質(zhì)量也提出更高的要求，適合微細(xì)加工的大直徑硅片在市場(chǎng)中的需求比例將日益加大。目前，硅片主流產(chǎn)品是200mm，逐漸向300mm過(guò)渡，研制水平達(dá)到400mm～450mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。根據(jù)最新的《國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)指南（ITRS）》，300mm硅片之后下一代產(chǎn)品的直徑為450mm；450mm硅片是未來(lái)22納米線寬64G集成電路的襯底材料，將直接影響計(jì)算機(jī)的速度、成本，并決定計(jì)算機(jī)中央處理單元的集成度。Si的制備過(guò)程一般為:SiC（固體）+

SiO2（固體）→Si（固體）+SiO（氣體）+CO（氣體）Si（固體）+3HCl（氣體）→SiHCl3（氣體）+H2（氣體）SiHCl3（氣體）+H2（氣體）→Si（固體）+3HCl（氣體）3.2晶體生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料都是由構(gòu)成其成分的原子規(guī)律排列而成，通常把這種原子規(guī)律排列而成的材料稱(chēng)為單晶。而它是由大塊的具有多晶結(jié)構(gòu)和未摻雜的本征材料生長(zhǎng)得來(lái)的。把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個(gè)大單晶，并給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長(zhǎng)。有三種不同的生長(zhǎng)方法：直拉法區(qū)熔法液體掩蓋直拉法3.2.1直拉法大部分的單晶都是通過(guò)直拉法生長(zhǎng)的。生產(chǎn)過(guò)程如圖所示。特點(diǎn)：工藝成熟，能較好地拉制低位錯(cuò)、大直徑的硅單晶。缺點(diǎn)是難以避免來(lái)自石英坩堝和加熱裝置的雜質(zhì)污染。3.2.2液體掩蓋直拉法此方法主要用來(lái)生長(zhǎng)砷化鎵晶體，和標(biāo)準(zhǔn)的直拉法一

樣，只是做了一些

改進(jìn)。由于熔融物

里砷的揮發(fā)性通常

采用一層氧化硼漂

浮在熔融物上來(lái)抑

制砷的揮發(fā)。故得

其名，如圖所示。3.2.3區(qū)熔法主要用來(lái)生長(zhǎng)低氧含量的晶體，但不能生長(zhǎng)大直徑的單晶，并且晶體有較高的位錯(cuò)密度。這種工藝生長(zhǎng)的單晶主要使用在高功率的晶閘管和整流器上，生長(zhǎng)系統(tǒng)如圖所示。3.3

晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)外延是一種采取化學(xué)反應(yīng)法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的另一種技術(shù)。在一定條件下，以襯底晶片作為晶體籽晶，讓原子（如硅原子）有規(guī)則地排列在單晶襯底上，形成一層具有一定導(dǎo)電類(lèi)型、電阻率、厚度及完整晶格結(jié)構(gòu)的單晶層，由于這個(gè)新的單晶層是在原來(lái)襯底晶面向外延伸的結(jié)果，所以稱(chēng)其為外延生長(zhǎng)，這個(gè)新生長(zhǎng)的單晶層叫外延層。最常見(jiàn)的外延生長(zhǎng)技術(shù)為化學(xué)氣相淀積（CVD）和分子束外延生長(zhǎng)（MBE）。外延生長(zhǎng)的基本原理氫還原四氯化硅外延生長(zhǎng)原理示意圖硅的CVD外延化學(xué)氣相淀積是指通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過(guò)程。CVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖分子束外延分子束外延（MBE）是在超高真空條件下一個(gè)或多個(gè)熱原子或熱分子束蒸發(fā)到襯底表面上形成外延層的方法。砷化鎵相關(guān)的Ⅲ-Ⅴ族化合物的MBE系統(tǒng)示意圖

分子束外延是一種新的晶體生長(zhǎng)技術(shù)，簡(jiǎn)記為MBE。其方法是將半導(dǎo)體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長(zhǎng)的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中（也在腔體內(nèi)）。由分別加熱到相應(yīng)溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長(zhǎng)出極薄的（可薄至單原子層水平）單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。分子束外延主要研究的是不同結(jié)構(gòu)或不同材料的晶體和超晶格的生長(zhǎng)。該法生長(zhǎng)溫度低，能?chē)?yán)格控制外延層的層厚組分和摻雜濃度，但系統(tǒng)復(fù)雜，生長(zhǎng)速度慢，生長(zhǎng)面積也受到一定限制。3.4晶體缺陷及對(duì)器件質(zhì)量的影響缺陷主要有：

點(diǎn)缺陷

位錯(cuò)(原生的和誘生的)點(diǎn)缺陷主要來(lái)源于晶體內(nèi)雜質(zhì)原子的擠壓晶體結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力所產(chǎn)生的缺陷，還有就是空位(晶格點(diǎn)陣缺少原子所制)。如圖所示位錯(cuò)位錯(cuò)是單晶內(nèi)部一組晶胞排錯(cuò)位置所制(如圖所示)..原生位錯(cuò)是晶體中固有的位錯(cuò)，而誘生位錯(cuò)是指在芯片加工過(guò)程中引入的位錯(cuò)，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生位錯(cuò)。產(chǎn)生的原因大致可分為三個(gè)方面高溫工藝過(guò)程引入的位錯(cuò)摻雜過(guò)程中引入的位錯(cuò)薄膜制備過(guò)程中引入的位錯(cuò)無(wú)論是天生的還是誘生的缺陷對(duì)器件特性都是不利的，因此在芯片制造過(guò)程中都應(yīng)該盡量避免。3.5晶片加工晶片加工是指將單晶棒經(jīng)過(guò)切片、磨片、拋光等一系列的工序加工成用來(lái)做芯片的薄片。切片

在切片前還要滾磨整形、晶體定向、確定定位面、等一系列的加工處理。切片就是用有金剛石涂層的內(nèi)園刀片把晶片從晶體上切下來(lái)。磨片

因?yàn)橛脵C(jī)械的方法加工的晶片是非常粗造的，如圖所示，它不可能直接使用，所以必須去處切片工藝殘留的表面損傷。磨片----是一個(gè)傳統(tǒng)的磨料研磨工藝拋光 普通的磨片完成過(guò)后硅片表面還有一個(gè)薄層的表面缺陷?，F(xiàn)在的拋光是機(jī)械加化學(xué)，經(jīng)過(guò)拋光工藝后使硅片表面真正達(dá)到高度平整、光潔如鏡的理想表面。薄膜分類(lèi)/工藝與材料的對(duì)照表污染源下面將討論對(duì)器件生產(chǎn)中產(chǎn)生影響的各類(lèi)污染的來(lái)源、性質(zhì)及其控制。從LSI出現(xiàn)以來(lái)，污染控制就突現(xiàn)出來(lái)它的重要性。如今污染控制本身已成為一門(mén)科學(xué)，是制造半導(dǎo)體器件必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)之一。普通污染源實(shí)際上芯片生產(chǎn)過(guò)程中任何與產(chǎn)品相接觸的物質(zhì)都是潛在的污染源。主要有：空氣

廠房設(shè)備

工作人員

使用的水化學(xué)溶劑

化學(xué)氣體

靜電這些微小顆粒的主要問(wèn)題是在空氣中長(zhǎng)時(shí)間漂浮。而潔凈工作室的潔凈度就是由空氣中的微粒大小和微粒含量決定的。美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E規(guī)定空氣質(zhì)量由區(qū)域空氣級(jí)別數(shù)來(lái)決定的。標(biāo)準(zhǔn)按兩種方法設(shè)定，一是顆粒的大小，二是顆粒的密度。而級(jí)別數(shù)是指在一立方英尺中含有直徑為0.5微米或更大的顆?？倲?shù)。一般城市空氣中通常包含煙、霧、氣，每立方英尺多達(dá)500萬(wàn)個(gè)顆粒，所以是500萬(wàn)級(jí)。圖5.6顯示了標(biāo)準(zhǔn)209E規(guī)定的顆粒直徑與顆粒密度的關(guān)系。不同環(huán)境下潔凈級(jí)別數(shù)與對(duì)應(yīng)的顆粒大小凈化空氣的方法潔凈室的設(shè)計(jì)是要使生產(chǎn)免污染芯片的能力更完整化。設(shè)計(jì)時(shí)的主要思路是保持加工車(chē)間中空氣的潔凈。另外提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平也是降低污染的一種有效方法。共有4種不同的潔凈室設(shè)計(jì)方法：潔凈工作臺(tái)隧道型設(shè)計(jì)完全潔凈室微局部環(huán)境具體就不作詳細(xì)的介紹，下面通過(guò)幾組圖片的瀏覽使大家有個(gè)初步的印象。5.4.4工藝用水在晶園生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)多次的化學(xué)刻蝕與清洗，每步刻蝕與清洗后都要經(jīng)過(guò)清水沖洗。由于半導(dǎo)體器件非常容易受到污染，所以所有工藝用水必須經(jīng)過(guò)處理，達(dá)到非常嚴(yán)格潔凈度的要求。普通城市用的水中包含大量潔凈室不能接受的污染物，主要有：溶解的礦物溶解氧顆粒二氧化碳菌有機(jī)物普通水中的礦物來(lái)自鹽分，鹽分在水中分解為離子。例如食鹽會(huì)分解為鈉離子和氯離子。每個(gè)離子都是污染物。6

工藝良品率概述高水平的工藝良品率是生產(chǎn)性能可靠的芯片并獲得收益的關(guān)鍵所在。本章將簡(jiǎn)單介紹影響良品率的主要工藝及材料要素，并對(duì)良品率測(cè)量點(diǎn)做出闡述。維持及提高良品率對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)至關(guān)重要，因?yàn)榘雽?dǎo)體制造工藝的復(fù)雜性，以及生產(chǎn)一個(gè)完整封裝器件所需要經(jīng)歷的龐大工藝制程，是導(dǎo)致這種對(duì)良品率超乎尋常關(guān)注的基本原因。這兩方面的原因使得通常只有20%至80%的芯片能夠完成生產(chǎn)線全過(guò)程，成為成品出貨。從一般概念上看，這樣的良品率是乎太低了。但是要知道，在極其苛刻的潔凈空間中，在1/2平方英寸的芯片范圍內(nèi)，制作出數(shù)百萬(wàn)個(gè)微米數(shù)量級(jí)的元器件平面構(gòu)造和立體層次，就會(huì)覺(jué)得能夠生產(chǎn)出任何這樣的芯片是半導(dǎo)體工業(yè)了不起的成就了。另外一個(gè)抑制良品率的重要方面是大多數(shù)缺陷的不可修復(fù)性。不象有缺陷的汽車(chē)零部件可以更換，這樣的機(jī)會(huì)對(duì)半導(dǎo)體制造來(lái)說(shuō)通常是不存在的。缺陷芯片或晶