半导体材料.doc

1.3 电路集成 半导体这一名称的来源是由于半导体材料有时是电的导体而有时是非导体。建成具有单一功能的简单芯片（称为分离元件）最早的半导体材料是锗。现在，全部微芯片85%以上都是由半导体材料硅制造的。基于这个原因，在这本书中我们着重强调硅。 在半导体产业向前迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个硅衬底上。被称为集成电路或简称IC，它是由仙童半导体公司的罗伯特诺伊恩和德州仪器公司的杰克基尔比于1959年分别独自发明的。在一块集成电路的硅表面上可以制造许多不同的半导体器件，例如晶体管、二极管、电阻和电容，它们被连成一个有确定芯片功能的电路。表达集成电路通常意味着描述这个芯片和它的全部元件。 1958年7月，在德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司，杰克基尔比制造的第一块集成电路是用一片锗半导体材料作为衬底制造的。他的发明是将一个晶体管和在锗上的其他元件结合在一起，同时利用锗的固有电阻做成一个电阻。这些器件用单线连接。 在仙童半导体公司，罗伯特诺伊思也发明了集成电路的概念，并扩展到如何在平面硅材料上互连不同的元件。他的想法是在硅表面使用铝金属导体互连不同的晶体管，同时使用在硅上生长的氧化层作为将硅器件与金属导体隔离开的绝缘体。这是作为单结构硅芯片集成电路的第一个实用结构。 自从集成电路问世以来，电路集成已经有了巨大的增长。因为所有元件都被集成在一块衬底上，集成电路已发展成生产与互联许多元件的一种有效成本与可靠的方法。在一块集成电路上集成许多不同元件的能力激励了工程设计师们设计更复杂的电子电路，以满足新客户的需求。1.4.2 集成电路的制造步骤 硅片制备 硅片制造 硅片测试/拣选 装配与封装 终测 这5个阶段是独立的，在半导体公司内具备大型基础设施，并且有提供专用化学材料和设备的工业支撑网。仅在独立阶段运营的公司（像仅制造芯片的芯片公司），必须满足业界标准以确保最终微芯片满足性能目标。 硅片制备 在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化。经过特殊工艺产生适当直径的硅锭。然后将硅锭切割成用于织造微芯片的薄硅片。按照专用的参数规范制备硅片，例如定位边要求和沾污水平。1硅片制备 包括晶体生长、滚圆切片及抛光4装配与封装沿着划片线将硅片切割成芯片压焊与包装2硅片制造包括清洗、成膜、光刻、刻蚀及掺杂3硅片测试/拣选探测、测试及拣选芯片上的每个芯片5终测确保集成电路通过电学和环境测试 硅片制造 制硅片能开始的微芯片制作是第二阶段，被称为硅片的制造。裸露的硅片到达硅片制造厂，然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤。加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。硅片制造的其他名称是微芯片制造和芯片制造。制造芯片的公司分为供应商和受控生产商两类。芯片供应商制造的芯片是为了在公开的市场上销售，像为客户生产存储器芯片的芯片制造商。受控芯片生产商制造芯片是为了用在公司自己的产品上，例如受控芯片制造商既制造计算机有制造与计算机配套的芯片。一些芯片制造商既制造自己用的芯片也在公共市场上销售，而另一些公司制造专用的芯片并在公共市场上购买其他芯片。另一种芯片制造商是无制造厂公司。这种公司为特殊市场设计芯片，例如图像微芯片，而另一个芯片制造商制造这些芯片。最终，另一种半导体制造商，代工厂，仅为其他公司生产芯片。20世纪80年代以来，半导体代工厂越来越常见，现在全部芯片的约10%在代工厂制作的。无制造厂公司和代工厂增加的一个主要原因是建设并维护一个硅片制造厂的高额成本。目前，一个高性能硅片制造厂的费用大约是15亿到30亿美元，用费用的约75%是用于设备。硅片制造涉及许多复杂工艺步骤的交互。可使用自动化设备在一个甚大规模集成电路硅片上生产几亿个器件。伴随着制造高性能集成电路的复杂性，半导体产业总是处于设备设计和制造技术的前沿。这种创新激励了硅片制造的不断改善。硅片的测试/拣选 硅片制造完成后，硅片被送到测试/拣选区，在那里进行单个芯片的探测和电学测试。然后拣选出可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷的芯片做标记。不会把硅片测试失效的芯片送给客户，而通过硅片测试的芯片将继续进行以后的工艺。装配与封装 硅片测试/拣选后，硅片进入装配和封装步骤，以便把单个芯片包装在一个保护壳内。硅片的背面进行研磨以减少衬底的厚度。一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面，然后，在正面沿着划片线用带金刚石尖的锯刃将每个硅片上的芯片分开。粘的塑料膜坚持硅芯片不脱落。在装配厂，好的芯片被压焊或抽空形成装配包。稍后，将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。最终的实际封装形成随芯片类型及其应用场合而定。终测 为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数要求。终测后，芯片被发送给客户以便装配到专用场合；例如，将存储器元件按装到个人电脑上的电路板上。1.5 半导体趋势甚大规模集成电路集成设计和制造集成电路所需的快速技术变化，导致新设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，半导体产业就引入新的制造技术。硅片制造技术的改变受到用户需求的驱使。用户要求更快、更可靠和成本更低的芯片。要达到这些要求，芯片制造商已经懂得在一块芯片上减少元件的尺寸。这便提高了芯片速度并能减少功耗。芯片将经历强度测试和分析以证明其长期可靠性。增加一个芯片上的芯片数可以降低成本。 伴随微芯片技术的发展有三个主要趋势： 提高芯片性能 提高芯片可靠性 降低芯片成本第四章 硅和硅片制备 硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的原料。对于可用于制造半导体器件的硅而言，使用一种特殊纯度级以满足严格的材料和物理要求。 美国典型的半导体公司都不自己制造硅片。硅材料和硅片制备是在致力于生产硅片的高度专业化工厂中完成的。生产出来的硅片提供给半导体制造商以制造各种各样的芯片。 在硅片上制作的芯片的最终质量与开始制作时所采用的硅片的质量有直接关系，如果原始硅片上有缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。对硅片以及其制备过程的了解有助于你理解硅片在整个微芯片制作过程中的重要性。4.3 晶体结构 不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有几乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。 单晶就是一种固体材料，在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构。晶格代表晶体原子水平的内部重复状态（原子排序），即使晶体表面有划伤或者很粗糙。一个例子就是普通的砂滩，尽管表面很不平整，但他得内部有原子级的水晶结构。我们的目标是得到特殊晶格的硅，它是为用于制备硅片的半导体级硅而专门要求的。4.5 单晶硅生长 晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅被称为硅锭。现在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski（CZ）法，这是按照在20世纪90年代初期它的发明者的名字来命名的。4.5.1 CZ法 Czochralski（CZ）法生长单晶硅是把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。 一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅锭就像籽晶的复制品。为了用CZ法得到单晶硅，在熔化了的硅和单晶硅籽晶的接触面的条件要精确控制。这些条件保证薄层硅能够精确复制籽晶结构，并最后生长成一个大的硅锭。这些是通过CZ拉单晶炉的设备得到的。 CZ拉单晶炉 为了生长硅锭，许多块半导体级硅被放在装有保险丝的硅石（非晶石英）坩埚中，还有少量的掺杂物质使其生成n型或p型硅。坩埚很大，要制备300mm的硅片，它的直径要达到32英尺或者更大。这些坩埚必须能装下150到300kg的硅。制备大直径硅片的另一种可选方法是在坩埚里使用粒状的多晶硅，它能在硅熔化的过程中逐步引入硅使在大坩埚中的应力减到最小。坩埚被放在拉单晶炉中，硅锭就是在那里生长的。6.3.7 工作台的设计 在工艺设备中，采用适当的材料来设计工作台是获得超洁净的净化室所必需的。所有的材料都释放一些颗粒，目标是把释放降低在可以接受的水平上。光滑、高度抛光的表面是减少颗粒沾污最好的办法。不锈钢是广泛采用的工作台面和净化间设备材料。经过适当加工，不锈钢具有相对较低的颗粒释放率。电解抛光是最后的关键步骤。 穿壁式装置 某些工厂选择穿壁式设备布局安装其设备。在这种处理中，设备的主要部分位于生产区后面的服务夹层中。只有用户界面操作平台和硅片架位于生产线内。这种配置隔离开了设备与夹层中的服务区，这是一种低级别沾污的典型。 控制 从半导体制造早期直到20世纪70年代，硅片通过镊子或真空棒（用真空来支撑硅片的支架）手工控制。随着器件尺寸缩小，手工控制引起颗粒沾污并产生致命缺陷。最终制造商使用片架在设备间传送硅片（典型情况下每个片架放25个硅片），用输送带系统和升降机来拾起并在设备间送入、送出硅片。片架被设计成产生颗粒最少、具有静电耗散和最小的化学物释放。 当前生产设备中的硅片控制大量采用了自动化技术。自动硅片处理机完成净化间的大多数硅片控制，在片夹和工艺设备的工作区之间装载和卸载硅片，在设备中按预先定义好的操作规程处理硅片。这一进步相对于手工控制极大减少了硅片颗粒沾污。 一旦硅片进入工艺室，他们就被放置于一个卡盘上，在工艺过程中支撑它。在半导体制造的早期，卡盘是一个机械夹具。为了减少硅片顶端的颗粒改用了真空卡盘。然而，真空卡盘倾向于扭曲硅片的形状，这在工艺过程中是不希望有的。为了改善硅片表面的的工艺一致性，当前广泛使用了静电吸盘（ESC），它产生最少的颗粒并能在工艺过程中平坦支撑硅片。静电吸盘通过对卡盘的电极施加电压产生静电荷工作。电极通过一绝缘介质与硅片后表面隔离。硅片的下表面感应出相反的电荷，把硅片紧紧拉向卡盘。 微环境 为了在微环境包围的工艺设备之间转移硅片，使用一个标准化的容器密封和传送整架的硅片。这个容器与各种设备具有一个标准机械接口（SMIF），他最初是由惠普公司开发并制作成型的。当把一个容器提交给一台设备时，设备中的机器人自动开启容器门，移走片架，把它提交给设备的机器人。SMIF系统能加入到现有的设备中，或完全集成到设备附件中。 在300mm的硅片工艺线中，片架和容器是合一的，允许硅片直接从容器中处理。这个新式容器称为前开口片盒。完全进行自动化处理而不需要人工传送硅片容器。SMIF接口完全集成到设备中。 微环境的一个优点是可以控制分子沾污。硅片在装载、卸载和传送时，通过惰性的氮气吹洗与分子沾污隔离开来，这种控制在巨大的净化间内更难获得。微环境通过氮气吹洗也减少了硅片对水蒸气的曝晒，这对抑制自然氧化层生长有利。第8章 工艺腔内的气体控制 半导体制造业是一系列主要工艺步骤的循环和重复。许多制备工艺都包含发生在工艺腔内的化学反应。这些化学反应的目的在于：在适当环境（例如真空）引入正确的化学品，同时提供反应所需的能量，从而优化所需的化学反应过程。同时尽量减小这些化学反应中的有害方面，如潮湿环境、有害环境及沾污物。通过确保硅片表面达到预定的反应条件，从而获得理想化的条件。8.1 引言 在半导体产业刚起步的时候，仅有两个硅片处理工艺需要用到真空腔。一个是在金属层上蒸铝的工艺，另一个是在硅片背面蒸金以便将电路芯片固定在他的管壳上。那时真空工艺是在类似钟罩的腔内进行的。 工艺腔中反应所需的多种化学品通常要先转换成气体的形式。源程序和腔内真空环境存在的压力差使得气流自动流入工艺腔。有时工艺腔内也会用到固体材料。在溅射过程中用到的质量金属靶源就是一个例子。 从20世纪80年代后期，工艺腔被构造为多腔集成设备。多个工艺腔通过硅片传送系统（通常是一个机械臂）串接在一个中央传送腔的周围。这种环境的设计实现了多重工艺步骤的集成。硅片在真空条件下从一个工艺腔传送到另一个工艺腔，避免了硅片上的原始氧化并减少了沾污。由于在硅片传送过程中无须泄放工艺腔，使用多腔集成设备还改进了硅片制造工艺的生产能力（定义为单位时间内处理的硅片数量）。8.2 真空 硅片制造业中的许多化学反应都是在真空条件下进行的。真空存在于一个封闭的且压力比周围大气压小很多的环境中。8.2.1 真空范围 下面将讨论不同的真空范围：低级真空、中级真空、高级真空（又叫vac）以及超高级真空（UHV）。作为参考，地球外层空间的真空大约是10-16托。 低级真空（也叫初级真空）有两个重要的特征：气流主要是由分子间碰撞产生的（也称滞流），压强高得足以用机械型压力测量仪测量。低级真空通常用于包含以下条件的制造工艺：依靠气相化学反应、分子间的动能传输以及气体与界面间的快速相互作用。中级真空的范围是1托到10-3托，是低级和高级真空之间的过渡阶段。高级真空的定义是气体分子之间很少有碰撞（分子流）。这种条件导致非常洁净的硅片表面。超高级真空是高级真空的延伸，通过对真空腔的设计和材料的严格控制尽量减少不需要的气体成分。第9章 集成电路制造工艺概况 典型的集成电路硅片制造工艺可能要花费六到八周的时间，包括350或者更多步骤来完成所有的制造工艺。这种工艺的复杂性是无以复加的。 众所周知。大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几毫米以内。这一有源区对应于工艺流程的前端工艺。所有硅上方的材料都是互连芯片上各个器件所需的分层结构的一部分。为了增加多层金属及绝缘层，工艺流程要求硅片在不同工艺步骤中循环。一旦了解了工艺流程，你就会认识到要制造一块高性能的微芯片，只需要多次运用有限的几种工艺。9.2 CMOS工艺流程 集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。简而言之，这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作（layer）、刻印（pattern）、刻蚀和掺杂。由于CMOS技术在工艺家族中最有代表性，我们就以它为例介绍硅片制造流程。最典型的例子是0.18um的CMOS集成电路制造工艺。由于这是集成电路制造的概述，所以会接触到大量的术语和概念，这些将在随后各章节中得到详细的阐述。在学习本章的过程中必须时刻牢记，在制造过程当中要进行一系列有着特定目的的操作。注意每一步操作的目的、所采用设备及材料的种类以及随后的质量测量手段，这些决定了每一步工艺的集成。9.2.1 硅片制造厂的分区概述 集成电路是在硅片制造厂中制造完成的。如图9.2所示的硅片制造厂可以分成6个独立的生产区：扩散（包括氧化、膜淀积和掺杂工艺）、光刻、刻蚀、薄膜（thin film）、离子注入和抛光。这6个主要的生产区和相关步骤以及测量工具都在硅片厂的超净间中。其中抛光区是高性能半导体集成电路制造业的新成员，并且在工业中的应用越来越普遍。虽然对硅片上的独立管芯进行测试的测试/拣选区就在硅片厂的附近，但是测试区并不与硅片制造厂的其他部分在同一超净环境当中。装配和封装则在其他工厂进行，甚至在别的国家完成。 扩散 扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散区的主要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。高温扩散炉可以在近1200。C的高温下工作，并能完成多种工艺流程，包括氧化、扩散、淀积、退火以及合金。这些工艺将在后续章节中具体描述。湿法清洗设备是扩散区中的辅助工具。硅片在放入高温炉之前必须进行彻底地清洗，以除去硅片表面的沾污以及自然氧化层。 光刻 使用黄色荧光管照明使得光刻区与芯片厂的其他各个区明显不同。光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一种光敏的化学物质，他通过深紫外线曝光来印制掩膜板的图像。光刻胶只对特定波长的光线敏感，例如深紫外线和白光，而对黄光不敏感。 涂胶/显影设备（coater/developer