《半導(dǎo)體制造工藝流程》課件

半導(dǎo)體制造工藝流程目錄1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識定義、分類、材料特性2制造工藝概覽流程圖、主要步驟、潔凈室3前道與后道工藝晶圓加工、封裝測試4先進技術(shù)與未來趨勢第一部分：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識基本概念導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間電子結(jié)構(gòu)能帶理論與載流子產(chǎn)業(yè)地位什么是半導(dǎo)體？定義導(dǎo)電性可控材料介于導(dǎo)體與絕緣體之間特點能帶結(jié)構(gòu)獨特溫度影響導(dǎo)電性摻雜改變性質(zhì)重要性電子工業(yè)基礎(chǔ)信息時代支柱半導(dǎo)體的分類按材料分類元素半導(dǎo)體：硅、鍺化合物半導(dǎo)體：GaAs、GaN1按摻雜分類本征半導(dǎo)體：純凈無摻雜N型半導(dǎo)體：多電子P型半導(dǎo)體：多空穴2按結(jié)構(gòu)分類單晶半導(dǎo)體多晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體3半導(dǎo)體材料的特性電學(xué)特性能帶結(jié)構(gòu)決定導(dǎo)電特性溫度系數(shù)為負光學(xué)特性光電效應(yīng)發(fā)光特性熱學(xué)特性導(dǎo)熱性良好熱膨脹系數(shù)小機械特性硬而脆晶向影響強度半導(dǎo)體器件簡介二極管單向?qū)щ娋w管放大、開關(guān)集成電路多器件集成光電器件光電轉(zhuǎn)換集成電路概述定義在單一芯片上集成多種電子元件分類數(shù)字IC、模擬IC、混合信號IC復(fù)雜度小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路應(yīng)用計算機、通信、消費電子、汽車電子第二部分：半導(dǎo)體制造工藝概覽1前期準備材料制備、設(shè)計準備2前道工藝晶圓加工、圖形轉(zhuǎn)移3后道工藝切割、封裝、測試半導(dǎo)體制造工藝流程圖硅片準備單晶生長、切片、拋光前道工藝氧化、光刻、刻蝕、摻雜測試電參數(shù)測試、功能測試后道工藝切割、鍵合、封裝主要工藝步驟簡介晶圓制備單晶硅拉制、切片、拋光氧化擴散形成絕緣層和摻雜區(qū)域光刻與刻蝕圖形轉(zhuǎn)移、選擇性去除材料薄膜沉積導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體薄膜封裝測試切割、焊接、塑封、電測試晶圓制造1多晶硅提純冶金級硅→電子級硅2單晶生長直拉法、區(qū)熔法3晶錠處理磨削、切割、研磨4晶圓拋光機械拋光、化學(xué)拋光前道工藝與后道工藝前道工藝在晶圓上制造器件氧化、光刻、刻蝕、離子注入薄膜沉積、平坦化嚴格的潔凈度要求后道工藝晶圓測試、切割引線鍵合、塑封芯片封裝最終測試與分選潔凈室要求1潔凈等級Class1-100，每立方英尺含1-100顆塵粒21℃±0.5℃溫度控制嚴格控制溫度波動45%±2%濕度控制避免靜電和氧化問題99.999%過濾效率高效空氣過濾系統(tǒng)第三部分：前道工藝詳解金屬化與互連形成導(dǎo)線和互連結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移工藝光刻和刻蝕定義結(jié)構(gòu)摻雜工藝改變硅片電學(xué)特性襯底準備晶圓清洗和表面處理硅片制備氧化干氧氧化Si+O?→SiO?生長速率慢，質(zhì)量高濕氧氧化Si+2H?O→SiO?+2H?生長速率快，質(zhì)量適中用途柵極絕緣層掩蔽層隔離層光刻光刻膠涂布旋涂均勻薄膜曝光通過掩模圖形轉(zhuǎn)移顯影溶解曝光/未曝光區(qū)域烘烤硬化光刻膠圖形刻蝕濕法刻蝕化學(xué)溶液刻蝕各向同性便宜簡單分辨率低干法刻蝕等離子體刻蝕反應(yīng)離子刻蝕(RIE)各向異性高分辨率離子注入化學(xué)氣相沉積（CVD）1反應(yīng)氣體引入前驅(qū)體氣體進入反應(yīng)室2熱分解/反應(yīng)氣體在高溫下分解反應(yīng)3表面沉積反應(yīng)產(chǎn)物在基底表面形成薄膜4副產(chǎn)物排出反應(yīng)氣體副產(chǎn)物被抽出物理氣相沉積（PVD）濺射沉積離子轟擊靶材料蒸發(fā)沉積加熱材料蒸發(fā)電子束蒸發(fā)高能電子束轟擊化學(xué)機械拋光（CMP）工作原理結(jié)合化學(xué)腐蝕和機械研磨應(yīng)用層間介質(zhì)平坦化銅互連工藝優(yōu)勢全局平坦化提高光刻景深退火傳統(tǒng)爐退火長時間低溫批量處理熱預(yù)算高快速熱退火(RTA)短時間高溫單片處理熱預(yù)算低用途離子注入后晶格修復(fù)激活摻雜劑降低接觸電阻第四部分：后道工藝詳解晶圓測試電性能與功能測試切割分離將晶圓分割成單個芯片鍵合封裝實現(xiàn)芯片與外部連接最終測試確保成品芯片功能正常晶圓測試探針臺測試使用探針接觸芯片，測試電氣參數(shù)晶圓圖譜標記好/壞芯片位置分級分選按性能參數(shù)對芯片分類切割機械切割金剛石刀片高速旋轉(zhuǎn)冷卻水保護激光切割無接觸加工適合脆性材料切口窄精度高刻劃斷裂先刻劃再斷裂簡單但精度低適用于某些特定材料封裝類型介紹引線鍵合金線鍵合熱壓鍵合熱超聲鍵合高可靠性成本高鋁線鍵合超聲鍵合成本適中適用于大功率器件銅線鍵合熱超聲鍵合成本低導(dǎo)電性好氧化問題塑封模具準備裝載引線框架注膠環(huán)氧樹脂注入模具固化高溫固化環(huán)氧樹脂脫模取出塑封后的產(chǎn)品標記激光標記高精度永久性標記噴墨標記低成本批量處理印刷標記傳統(tǒng)方法，適用于某些封裝最終測試功能測試參數(shù)測試可靠性測試環(huán)境應(yīng)力測試其他測試第五部分：先進工藝技術(shù)納米級工藝節(jié)點5nm、3nm甚至更小3D結(jié)構(gòu)FinFET、GAA、3DNAND3D封裝技術(shù)TSV、Chiplet、SiP新型光刻技術(shù)EUV、多重曝光多柵極技術(shù)單柵極結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)平面晶體管雙柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)控制溝道三柵極結(jié)構(gòu)(FinFET)三面環(huán)繞溝道環(huán)繞柵(GAA)完全環(huán)繞溝道鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)特點垂直硅鰭，三面柵極環(huán)繞優(yōu)勢更好的柵控能力，更低的漏電流應(yīng)用廣泛用于22nm及以下工藝節(jié)點3D封裝技術(shù)系統(tǒng)級封裝多芯片集成TSV技術(shù)硅通孔互連芯片堆疊晶圓/芯片級堆疊晶圓級封裝（WLP）定義在晶圓級完成封裝芯片尺寸即封裝尺寸類型扇入型WLP扇出型WLP重布線層WLP優(yōu)勢尺寸小成本低電性能好批量處理第六部分：質(zhì)量控制與可靠性制程控制SPC、參數(shù)監(jiān)控缺陷檢測光學(xué)、電子束檢測良率管理數(shù)據(jù)分析、改進策略可靠性測試加速老化、環(huán)境應(yīng)力制程控制參數(shù)值上限下限缺陷檢測技術(shù)光學(xué)檢測明場檢測暗場檢測快速但分辨率有限電子束檢測SEM檢測高分辨率速度慢成本高缺陷review光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡分析缺陷性質(zhì)良率管理數(shù)據(jù)收集工藝參數(shù)、測試結(jié)果、缺陷數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計分析，關(guān)聯(lián)研究問題定位確定良率損失根源實施改進工藝優(yōu)化，設(shè)備調(diào)整可靠性測試1高溫操作壽命測試高溫下持續(xù)工作2溫度循環(huán)測試在極端溫度間循環(huán)變化3高溫高濕測試高溫高濕環(huán)境中存放4靜電放電測試模擬靜電放電沖擊失效分析電氣測試定位電氣異常非破壞性分析X射線、超聲波、紅外成像解封和樣品制備開封，研磨，切片微觀結(jié)構(gòu)分析SEM,TEM,能譜分析根因分析與糾正措施確定失效原因并改進第七部分：半導(dǎo)體制造設(shè)備60%設(shè)備成本占晶圓廠總投資比例5年設(shè)備更新周期先進工藝設(shè)備淘汰速度99.9%設(shè)備稼動率要求高效生產(chǎn)基本要求3-5億EUV光刻機單價最昂貴半導(dǎo)體設(shè)備光刻機光源類型i線(365nm)KrF(248nm)ArF(193nm)EUV(13.5nm)關(guān)鍵參數(shù)分辨率套刻精度產(chǎn)能景深主要廠商ASML尼康佳能刻蝕設(shè)備反應(yīng)離子刻蝕低能量，高精度電感耦合等離子體高密度，低壓力深度反應(yīng)離子刻蝕高深寬比，垂直側(cè)壁離子注入機中低電流注入機深處摻雜區(qū)域中等劑量高電流注入機淺層摻雜大面積生產(chǎn)高能注入機深溝道形成深處摻雜薄膜沉積設(shè)備檢測與量測設(shè)備光學(xué)顯微鏡表面缺陷檢查電子顯微鏡高分辨率檢測橢偏儀薄膜厚度測量原子力顯微鏡表面形貌分析第八部分：半導(dǎo)體制造的挑戰(zhàn)與趨勢微縮化極限物理與量子效應(yīng)限制功耗挑戰(zhàn)漏電流與發(fā)熱問題成本壓力設(shè)備與工藝投資激增摩爾定律的挑戰(zhàn)工藝節(jié)點的演進190nm(2004年)平面晶體管到達極限222nm(2012年)FinFET技術(shù)引入37nm(2018年)EUV光刻技術(shù)應(yīng)用43nm(2022年)GAA技術(shù)開始應(yīng)用功耗與散熱問題問題器件微縮導(dǎo)致功率密度增加漏電流增加熱點效應(yīng)散熱通道受限解決方案新型晶體管結(jié)構(gòu)先進封裝技術(shù)功耗管理電路液體冷卻新材料的應(yīng)用高k介質(zhì)材料HfO?,ZrO?—替代SiO?柵極氧化物金屬柵極TiN,TaN—替代多晶硅柵極應(yīng)變工程SiGe溝道提高載流子遷移率寬禁帶半導(dǎo)體GaN,SiC—功率器件應(yīng)用人工智能在制造中的應(yīng)用缺陷檢測計算機視覺自動識別工藝優(yōu)化參數(shù)自動調(diào)整預(yù)測性維護設(shè)備故障預(yù)測良率提升數(shù)據(jù)分析找出改進方向第九部分：環(huán)境、健康與安全（EHS）化學(xué)品管理危險物質(zhì)存儲使用規(guī)范廢棄物處理減少環(huán)境影響人員防護防護裝備與安全培訓(xùn)半導(dǎo)體制造中的環(huán)境問題安全生產(chǎn)措施人員保護潔凈服裝防護眼鏡化學(xué)防護手套