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半导体制造工艺流程 半导体相关知识 本征材料：纯硅 9-10个9 250000.cm N型硅： 掺入V族元素-磷P、砷As、锑 Sb P型硅： 掺入 III族元素镓Ga、硼B PN结： NP - - - - - - + + + 半 导体元件制造过程可分为 前段（Front End）制程 晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab）、 晶圆针测制程（Wafer Probe）； 後段（Back End） 构装（Packaging）、 测试制程（Initial Test and Final Test） 一、晶圆处理制程 晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与 电子元件（如电晶体、电容体、逻辑闸等），为上述 各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程 ，以 微处理器（Microprocessor）为例，其所需处理步骤 可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵，动辄数 千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿度与 含尘 （Particle）均需控制的无尘室（Clean-Room），虽 然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有 关；不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适 当的清 洗（Cleaning）之後，接著进行氧化（Oxidation） 及沈积，最後进行微影、蚀刻及离子植入等反覆步骤 ，以完成晶圆上电路的加工与制作。 二、晶圆针测制程 经过Wafer Fab之制程後，晶圆上即形成 一格格的小格 ，我们称之为晶方或是晶粒 （Die），在一般情形下，同一片晶圆上皆 制作相同的晶片，但是也有可能在同一片晶 圆 上制作不同规格的产品；这些晶圆必须 通过晶片允收测试，晶粒将会一一经过针测 （Probe）仪器以测试其电气特性， 而不合 格的的晶粒将会被标上记号（Ink Dot）， 此程序即 称之为晶圆针测制程（Wafer Probe）。然後晶圆将依晶粒 为单位分割成 一粒粒独立的晶粒 三、IC构装制程 IC構裝製程（Packaging）：利用塑膠 或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路 目的：是為了製造出所生產的電路的保 護層，避免電路受到機械性刮傷或是高溫 破壞。 半导体制造工艺分类 PMOS型 双极型MOS型 CMOS型NMOS型 BiMOS 饱和型 非饱和型 TTLI2LECL/CML 半导体制造工艺分类 一 双极型IC的基本制造工艺： A 在元器件间要做电隔离区（PN结隔离 、全介质隔离及PN结介质混合隔离） ECL（不掺金） （非饱和型） 、 TTL/DTL （饱和型） 、STTL （饱和型） B 在元器件间自然隔离 I2L（饱和型） 半导体制造工艺分类 二 MOSIC的基本制造工艺： 根据栅工艺分类 A 铝栅工艺 B 硅 栅工艺 其他分类 1 、（根据沟道） PMOS、NMOS、CMOS 2 、（根据负载元件）E/R、E/E、E/D 半导体制造工艺分类 三 Bi-CMOS工艺： A 以CMOS工艺为基础 P阱 N阱 B 以双极型工艺为基础 双极型集成电路和MOS集成电 路优缺点 双极型集成电路 中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比 较大 CMOS集成电路 低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅 度（无阈值损失），具有高速度、高密度潜力；可与 TTL电路兼容。电流驱动能力低 半导体制造环境要求 主要污染源：微尘颗粒、中金属离子、有 机物残留物和钠离子等轻金属例子。 超净间：洁净等级主要由 微尘颗粒数/m3 0.1um 0.2um 0.3um 0.5um 5.0um I级 35 7.5 3 1 NA 10 级 350 75 30 10 NA 100级 NA 750 300 100 NA 1000级 NA NA NA 1000 7 半 导体元件制造过程 前段（Front End）制程-前工序 晶圆处理制程（Wafer Fabrication； 简称 Wafer Fab） 典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程 一次氧化 衬底制备隐埋层扩散外延淀积 热氧化隔离光刻 隔离扩散再氧化 基区扩散 再分布及氧化 发射区光刻背面掺金 发射区扩散 反刻铝 接触孔光刻 铝淀积 隐埋层光刻 基区光刻 再分布及氧化 铝合金 淀积钝化层中测压焊块光刻 横向晶体管刨面图 C B E N P PNP P+P+ PP 纵向晶体管刨面图 CBE N P CBE N P N+ p+ NPNPNP NPN晶体管刨面图 AL SiO2 B P P+ P-SUB N+ E C N+-BL N-epi P+ 1.衬底选择 P型Si 10.cm 111晶向,偏离2O5O 晶圆（晶片） 晶圆（晶片）的生产由砂即（二氧化硅）开始， 经由电弧炉的提炼还原成 冶炼级的硅，再经由 盐酸氯化，产生三氯化硅，经蒸馏纯化后，透过 慢速分 解过程，制成棒状或粒状的多晶硅 。一般晶圆制造厂，将多晶硅融解 后，再利用 硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒。一支85公分长，重 76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成 。经研磨、抛光、切片后，即成半导体之原料 晶圆片 第一次光刻N+埋层扩散孔 1。减小集电极串联电阻 2。减小寄生PNP管的影响 SiO2 P-SUB N+-BL 要求： 1。 杂质固浓度大 2。高温时在Si中的扩散系数小， 以减小上推 3。 与衬底晶格匹配好，以减小应力 涂胶烘烤-掩膜（曝光）-显影-坚膜蚀刻清洗 去膜-清洗N+扩散(P) 外延层淀积 1。VPE（Vaporous phase epitaxy) 气相外延生长硅 SiCl4+H2Si+HCl 2。氧化 TepiXjc+Xmc+TBL-up+tepi-ox SiO2 N+-BL P-SUB N-epi N+-BL 第二次光刻P+隔离扩散孔 在衬底上形成孤立的外延层岛,实现元件的隔离. SiO2 N+-BL P-SUB N-epi N+-BL N-epi P+P+ P+ 涂胶烘烤-掩膜（曝光）-显影-坚膜蚀刻清洗 去膜-清洗P+扩散(B) 第三次光刻P型基区扩散孔 决定NPN管的基区扩散位置范围 SiO2 N+-BL P-SUB N-epi N+-BL P+P+ P+ PP 去SiO2氧化-涂胶烘烤-掩膜（曝光）-显影-坚膜 蚀刻清洗去膜清洗基区扩散(B) 第四次光刻N+发射区扩散孔 集电极和N型电阻的接触孔,以及外延层的反偏孔。 AlN-Si 欧姆接触：ND1019cm-3， SiO2 N+-BL P-SUB N-epi N+-BL P+P+ P+ P P N+ 去SiO2氧化-涂胶烘烤-掩膜（曝光）-显影-坚膜 蚀刻清洗去膜清洗扩散 第五次光刻引线接触孔 SiO2 N+ N+-BL P-SUB N-epi N+-BL P+P+ P+ PP N-epi 去SiO2氧化-涂胶烘烤-掩膜（曝光）-显影-坚膜 蚀刻清洗去膜清洗 第六次光刻金属化内连线：反刻铝 SiO2 AL N+ N+-BL P-SUB N-epi N+-BL P+P+ P+ PP N-epi 去SiO2氧化-涂胶烘烤-掩膜（曝光）-显影-坚膜 蚀刻清洗去膜清洗蒸铝 CMOS工艺集成电路 CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 1。光刻I-阱区光刻，刻出阱区注入孔 N-Si N-Si SiO2 CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 2。阱区注入及推进，形成阱区 N-Si P- CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 3。去除SiO2，长薄氧，长Si3N4 N-Si P- Si3N4 CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 4。光II-有源区光刻 N-Si P- Si3N4 CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 5。光III-N管场区光刻，N管场区注入 ，以提高场开启，减少闩锁效应及改善阱 的接触。 光刻胶 N-Si P- B+ CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 6。光III-N管场区光刻，刻出N管场区 注入孔； N管场区注入。 N-Si P- CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 7。光-p管场区光刻，p管场区注入， 调节PMOS管的开启电压，生长多晶硅。 N-Si P- B+ CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 8。光-多晶硅光刻，形成多晶硅栅及 多晶硅电阻 多晶硅 N-Si P- CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 9。光I-P+区光刻，P+区注入。形成 PMOS管的源、漏区及P+保护环。 N-Si P- B+ CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 10。光-N管场区光刻，N管场区注入 ，形成NMOS的源、漏区及N+保护环。 光刻胶 N-Si P- As CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 11。长PSG（磷硅玻璃）。 PSG N-Si P+ P- P+ N+N+ CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 12。光刻-引线孔光刻。 PSG N-Si P+ P- P+ N+N+ CMOS集成电路工艺 -以P阱硅栅CMOS为例 13。光刻-引线孔光刻（反刻AL）。 PSG N-Si P+ P- P+ N+ N+ VDD IN OUT P N S D D S 集成电路中电阻1 AL SiO2 R+ P P+ P-SUB N+ R- VCC N+-BL N-epi P+ 基区扩散电阻 集成电路中电阻2 SiO2 R N+ P+ P-SUB R N+-BL N-epi P+ 发射区扩散电阻 集成电路中电阻3 基区沟道电阻 SiO2 R N+ P+ P-SUB R N+-BL N-epi P+ P 集成电路中电阻4 外延层电阻 SiO2 R P+ P-SUB R N-epi P+ P N+ 集成电路中电阻5 MOS中多晶硅电阻 SiO2 Si 多晶硅 氧化层 其它：MOS管电阻 集成电路中电容1 SiO2A- P+ P-SUB B+ N+-BL N+E P+ N P+-I A- B+ Cjs 发射区扩散层隔离层隐埋层扩散层PN电容 集成电路中电容2 MOS电容 Al SiO2 AL P+ P-SUB N-epi P+ N+ N+ 主要制程介绍 矽晶圓材料（Wafer） 圓晶是制作矽半導體IC所用之矽晶片，狀似圓 形，故稱晶圓。材料是矽， IC（ Integrated Circuit）厂用的矽晶片即為矽 晶體，因為整片的矽晶片是單一完整的晶體，故 又稱為單晶體。但在整體固態晶體內，眾多小晶 體的方向不相，則為复晶體（或多晶體）。生成 單晶體或多晶體与晶體生長時的溫度，速率与雜 質都有關系。 一般清洗技术 工艺清洁源容器清洁效果 剥离光刻胶氧等离子体平板反应器刻蚀胶 去聚合物H2SO4:H2O=6:1溶液槽除去有机物 去自然氧化层 HF:H2O2000300 ULSI特107109 GSI巨大规 模 109 集成电路相关知识3 摩尔定律 集成电路的集成度每三年提高四倍,加工 的特征尺寸缩小为1/SQRT2. 1965年以来证明了其的存在。 微处理器发展年表 发布年代型号晶体管数/个特征尺寸um 197140042 2508.0 197280083 0008.0 197480804 5006.0 197680857 0004.0 1978808629 0004.0 198280286134 0001.5 198580386275 0001.5 1989804861 200 0001.0 1993Pentium 3 100 0000.8 1995Pentium Pro5 500 0000.6 1997Pentiu