第七章_半导体工艺.ppt

第七章半导体工艺介绍 参考书 半导体制造技术韩郑生等译SemiconductorManufacturingTechnolgy 美 MichealQuirkJulianSerda著 1半导体产业介绍 概述微电子从40年代末的第一只晶体管 Ge合金管 问世 50年代中期出现了硅平面工艺 此工艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺 也使得将多个分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为可能 随着制造工艺水平的不断成熟 使微电子从单只晶体管发展到今天的ULSI 回顾发展历史 微电子技术的发展不外乎包括两个方面 制造工艺和电路设计 而这两个又是相互相成 互相促进 共同发展 1 1半导体工业的诞生 电信号处理工业始于上个世纪初的真空管 真空管使得收音机 电视机和其他电子产品成为可能 它也是世界上第一台计算机的大脑 真空管的缺点是体积大 功耗大 寿命短 当时这些问题成为许多科学家寻找真空管替代品的动力 这个努力在1947年12月23日得以实现 也就是第一只Ge合金管的诞生 如图所示 1 2固态器件 固态器件不仅是指晶体管 还包括电阻器和电容器 Ge合金管的缺点是工作温度低 电性能差 50年代随着硅平面制造工艺的出现 很快就出现了用硅材料制造的晶体管 由于硅材料的制造温度 熔点温度1415 和硅晶体管的工作温度都优于锗 熔点温度937 加之SiO2的天然生成使得硅晶体管很快取代了Ge晶体管 1 3集成电路 最早的集成电路仅是几个晶体管 二极管 电容器 电阻器组成 而且是在锗材料上实现的 是由德州仪器公司的杰克 基尔比发明的 如图所示 右图是用平面技术制造的晶体管 1 4工艺和产品趋势 从以开始 半导体工业就呈现出在新工艺和器件结构设计上的持续发展 工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路 并使之具有更高的密度 更多的数量和更高的可靠性 尺寸和数量是IC发展的两个共同目标 芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸 将此定义为制造复杂性水平的标准 通常用微米来表示 一微米为1 10000厘米 GordonMoore在1964年预言IC的密度每隔18 24个月将翻一番 摩尔定律 一个尺寸相同的芯片上 所容纳的晶体管数量 因制程技术的提升 每18个月到两年晶体管数量会加倍 IC性能也提升1倍 现以1961年至2006年期间半导体技术的发展为例加以说明 IC电路线宽由25微米减至65纳米 晶圆直径由1英寸增为12英寸 每一芯片上由6个晶体管增为80亿个晶体管 DRAM密度增加为4G位 晶体管年销售量由1000万个增加到10的18次方至19次方个 但晶体管平均售价却大幅下降10的9次方倍 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是 信号传输距离的缩短和电路速度的提高 芯片或电路功耗更小 1 5半导体工业的构成半导体工业包括材料供应 电路设计 芯片制造和半导体工业设备及化学品供应五大块 目前有三类企业 一种是集设计 制造 封装和市场销售为一体的公司 另一类是做设计和销售的公司 他们是从芯片生产厂家购买芯片 还有一种是芯片生产工厂 他们可以为顾客生产多种类型的芯片 1 6器件制造 半导体器件制造分4个不同阶段 1 材料准备2 晶体生长与晶圆准备3 芯片制造4 封装 第一步材料准备第二步晶体生长与晶圆准备 第三步芯片制造第四步封装 3晶园制备 3 1概述在这一章里 主要介绍沙子转变成晶体 以及晶园和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶园 最早使用的是1英寸 25mm 而现在300mm直径的晶园已经投入生产线了 因为晶园直径越大 单个芯片的生产成本就越低 然而 直径越大 晶体结构上和电学性能的一致性就越难以保证 这正是对晶园生产的一个挑战 硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值 硅晶圆尺寸越大越好 因为这样每块晶圆能生产更多的芯片 比如 同样使用0 13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心 而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心 300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2 25倍 出产的处理器个数却是后者的2 385倍 并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少 因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的 然而 硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸 那就是在晶圆生产过程中 离晶圆中心越远就越容易出现坏点 因此从硅晶圆中心向外扩展 坏点数呈上升趋势 这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸 随着半导体材料技术的发展 对硅片的规格和质量也提出更高的要求 适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大 目前 硅片主流产品是200mm 逐渐向300mm过渡 研制水平达到400mm 450mm 据统计 200mm硅片的全球用量占60 左右 150mm占20 左右 其余占20 左右 根据最新的 国际半导体技术指南 ITRS 300mm硅片之后下一代产品的直径为450mm 450mm硅片是未来22纳米线宽64G集成电路的衬底材料 将直接影响计算机的速度 成本 并决定计算机中央处理单元的集成度 Si的制备过程一般为 SiC 固体 SiO2 固体 Si 固体 SiO 气体 CO 气体 Si 固体 3HCl 气体 SiHCl3 气体 H2 气体 SiHCl3 气体 H2 气体 Si 固体 3HCl 气体 3 2晶体生长半导体材料都是由构成其成分的原子规律排列而成 通常把这种原子规律排列而成的材料称为单晶 而它是由大块的具有多晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的 把多晶块转变成一个大单晶 并给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂 叫做晶体生长 有三种不同的生长方法 直拉法区熔法液体掩盖直拉法 3 2 1直拉法大部分的单晶都是通过直拉法生长的 生产过程如图所示 特点 工艺成熟 能较好地拉制低位错 大直径的硅单晶 缺点是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染 3 2 2液体掩盖直拉法此方法主要用来生长砷化镓晶体 和标准的直拉法一样 只是做了一些改进 由于熔融物里砷的挥发性通常采用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发 故得其名 如图所示 3 2 3区熔法主要用来生长低氧含量的晶体 但不能生长大直径的单晶 并且晶体有较高的位错密度 这种工艺生长的单晶主要使用在高功率的晶闸管和整流器上 生长系统如图所示 3 3晶体外延生长技术外延是一种采取化学反应法进行晶体生长的另一种技术 在一定条件下 以衬底晶片作为晶体籽晶 让原子 如硅原子 有规则地排列在单晶衬底上 形成一层具有一定导电类型 电阻率 厚度及完整晶格结构的单晶层 由于这个新的单晶层是在原来衬底晶面向外延伸的结果 所以称其为外延生长 这个新生长的单晶层叫外延层 最常见的外延生长技术为化学气相淀积 CVD 和分子束外延生长 MBE 外延生长的基本原理 氢还原四氯化硅外延生长原理示意图 硅的CVD外延化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程 CVD反应器的结构示意图 分子束外延分子束外延 MBE 是在超高真空条件下一个或多个热原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方法 砷化镓相关的 族化合物的MBE系统示意图 分子束外延是一种新的晶体生长技术 简记为MBE 其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中 和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中 也在腔体内 由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的 可薄至单原子层水平 单晶体和几种物质交替的超晶格结构 分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长 该法生长温度低 能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度 但系统复杂 生长速度慢 生长面积也受到一定限制 3 4晶体缺陷及对器件质量的影响缺陷主要有 点缺陷位错 原生的和诱生的 点缺陷主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构引起的应力所产生的缺陷 还有就是空位 晶格点阵缺少原子所制 如图所示位错位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制 如图所示 原生位错是晶体中固有的位错 而诱生位错是指在芯片加工过程中引入的位错 其数量远远大于原生位错 产生的原因大致可分为三个方面 高温工艺过程引入的位错掺杂过程中引入的位错薄膜制备过程中引入的位错无论是天生的还是诱生的缺陷对器件特性都是不利的 因此在芯片制造过程中都应该尽量避免 3 5晶片加工晶片加工是指将单晶棒经过切片 磨片 抛光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片 切片在切片前还要滚磨整形 晶体定向 确定定位面 等一系列的加工处理 切片就是用有金刚石涂层的内园刀片把晶片从晶体上切下来 磨片因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造的 如图所示 它不可能直接使用 所以必须去处切片工艺残留的表面损伤 磨片 是一个传统的磨料研磨工艺 抛光普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷 现在的抛光是机械加化学 经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整 光洁如镜的理想表面 4芯片制造概述 概述本节将介绍基本芯片生产工艺的概况 主要阐述4中最基本的平面制造工艺 分别是 薄膜制备工艺掺杂工艺光刻工艺热处理工艺4 1薄膜制备是在晶体表面形成薄膜的加工工艺 图4 4是MOS晶体管的剖面图 可以看出上面有钝化层 Si3N4 Al2O3 金属膜 Al 氧化层 SiO2 制备这些薄膜的材料有 半导体材料 Si GaAs等 金属材料 Au Al等 无机绝缘材料 SiO2 Si3N4 Al2O3等 半绝缘材料 多晶硅 非晶硅等 生长工艺如图所示 其中蒸发工艺 溅射等可看成是直接生长法 以源直接转移到衬底上形成薄膜 其它则可看成是间接生长法 制备薄膜所需的原子或分子 由含其组元的化合物 通过氧化 还原 热分解等反应而得到 薄膜分类 工艺与材料的对照表 4 2光刻与刻蚀技术光刻所需要的三要素为 光刻胶 掩膜版和光刻机 常规的光刻过程主要包括 涂胶 前烘 曝光 显影 后烘 腐蚀和去胶 首先将光刻胶利用高速旋转的方法涂敷在硅片上 然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜 利用光刻机曝光之后 再采用特定的溶剂进行显影 使其部分区域的光刻胶被溶解掉 这样便将掩膜版上的图形转移到光刻胶上 然后再经过后烘以及刻蚀 离子注入等工序 将光刻胶的图形转移到硅片上 最后再去胶就完成了整个光刻过程 光刻工艺流程示意图 新一代图形曝光技术 甚远紫外线曝光 甚远紫外线曝光系统装置简图 X射线曝光 XRL X射线曝光原理简图 电子束曝光电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上准确地扫描出图案的方法 离子束曝光 刻蚀技术 在完成显影检验后 掩膜版的图形就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀 经过刻蚀图形就永久留在晶园的表层 刻蚀工艺分为两大类 湿法和干法刻蚀 无论那一种方法 其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶园表面 同时要求一致性 边缘轮廓控制 选择性 洁净度都符合要求 湿法化学腐蚀湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法 干法刻蚀干法刻蚀是指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基 处于激发态的分子 原子及各种原子基团等 与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的 4 3半导体中的杂质掺杂 杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内 以达到改变半导体电学特性 形成PN结 电阻 欧姆接触等各种结构之目的 扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式 扩散与离子注入方法掺杂示意图 a 扩散 b 离子注入 杂质扩散机理与方法 1 扩散机理2 两种表面源的扩散分布 1 恒定表面源扩散 2 限定源扩散3 恒定表面源扩散方法 1 固态源扩散 2 液态源扩散4 扩散结果的测量 1 薄层电阻的测量 2 结深的估算和测量 3 扩散分布测量 离子注入原理与系统 离子注入机系统离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底的过程 该过程是靠离子注入机来完成 离子注入机主要包括离子源 磁分析器 加速管 聚焦 扫描器和靶室等 离子注入机基本结构及工作原理示意图 退火由于离子注入所造成的损伤区及畸变团 使迁移率和寿命等参数受到严重影响 而且大部分注入的离子并不是以替位的形式位于晶格上 为了激活注入到衬底中的杂质离子 使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置 以便具有电活性 产生自由载流子起到杂质的作用 并消除半导体衬底中的损伤 必须要在适当的温度与时间下 对离子注入的硅片进行退火 硅表面SiO2的简单实现 是硅材料被广泛应用的一个重要因素 本节中 将介绍SiO2的生长工艺及用途 氧化反应的不同方法 其中包括快速热氧化工艺 另外 还简单介绍本工艺中最重要的部分 反应炉 因为它是氧化 扩散 热处理及化学气相淀积反应的基本设备 4 4 1二氧化硅的性质 用途在半导体材料硅的所有优点当中 SiO2的极易生成是最大的有点之一 当硅表面暴露在氧气当中时 就会形成SiO2 4 4氧化 结构 性质SiO2膜的原子结构如图所示 它是由一个硅原子被4个氧样原子包围着的四面体单元组成的 是一种无定型的玻璃状结构 具体地说是一种近程有序的网状结构 没有长程有序的晶格周期 尽管硅是一种半导体 但SiO2是一种绝缘材料 是硅器件制造中得到广泛应用的一种膜层 因为SiO2既可以用来处理硅表面 又可以作为掺杂的阻挡层 表面绝缘层及作为器件中的绝缘部分 4 4 2表面钝化无论采取什么样的措施 器件受污染的影响总是不可避免的 SiO2层在防止硅器件被污染方面起到了一个非常重要的作用 原因是SiO2密度非常高 非常硬 因此硅表面的SiO2层可以扮演一个污染阻挡层的角色 另一方面 SiO2对器件的保护是原于其化学特性 因为在制造过程中 无论工作室多么洁净 总有一些电特性活跃的污染物最终会 进入或落在硅片表面 在氧化过程中 污染物在表面形成新的氧化层 是污染物远离了电子活性的硅表面 也就是说污染物被禁锢在二氧化硅膜中 从而减小了污染物对器件的影响 4 4 3掺杂阻挡层器件制造过程中的掺杂是定域 有选择的区域 掺杂 那么不需要掺杂的区域就必须进行保护而不被掺杂 如图所示 实现掩蔽扩散的条件二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用 如上图所示 在杂质向Si中扩散的同时 也要向SiO2层中扩散 设在Si中的扩散深度为在SiO2层中的扩散深度为式中 扩散时间 分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数 显然要实现掩蔽扩散的条件是 即当杂质在硅中的扩散深度达到时杂质在SiO2中的扩散深度应所以 氧化层厚度 由此可见 实现掩蔽扩散要求的SiO2厚度与杂质在SiO2和Si中的扩散系数有关 原则上讲 只要能满足上式不等式 就可起到杂质扩散的掩蔽作用 但实际上只有那些的杂质 用SiO2掩蔽才有实用价值 否则所需的SiO2厚度就很厚 既难于制备 又不利于光刻 但是 只要按照的条件选择杂质种类 就可实现掩蔽扩散的作用 研究发现 B P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小 所以 常常选择B P作为扩散的杂质种类 而对于Ga Al等杂质 情况则相反 值得注意的是 Au虽然在SiO2中的扩散系数很小 但由于在Si中的扩散系数太大 这样以来横向扩散作用也大 所以也不能选用 二氧化硅另外一个优点是在所有介质膜中它的热膨胀系数与硅最接近 4 4 4表面绝缘层SiO2作为绝缘层也是器件工艺的一个重要组成部分 作为绝缘层要求必须是连续的 膜中间不能有空洞或孔存在 另外要求必须有一定的厚度 绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来防止从金属层产生的感应 这时的SiO2称为场氧化物 如图所示 4 4 5器件绝缘体从另一个角度讲 感应现象就是MOS技术 在一个MOS三极管中 栅极区会长一层薄的二氧化硅 见图 这时的SiO2起的是介电质的作用 不仅厚度而且质量都要求非常严格 除此之外 SiO2也可用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质 见图 4 4 6器件氧化物的厚度应用在硅材料器件中的二氧化硅随着作用的不同其厚度差别是很大的 薄的氧化层主要是MOS器件里的栅极 厚的氧化层主要用于场氧化层 下面的表列出了不同厚度范围及其相对应的主要用途 4 4 6热氧化机理半导体工艺中的二氧化硅大多数是通过热生长氧化法得到的 也就是让硅片 晶园 在高温下 与氧化剂发生反应而生长一层SiO2膜的方法 其化学反应式如下 Si 固态 O2 气态 SiO2 固态 化学反应非常简单 但氧化几理并非如此 因为一旦在硅表面有二氧化硅生成 它将阻挡O2原子与Si原子直接接触 所以其后的继续氧化是O2原子通过扩散穿过已生成的二氧化硅层 向Si一侧运动到达界面进行反应而增厚的 通过一定的理论分析可知 在初始阶段 氧化层厚度 X 与时间 t 是线性关系 而后变成抛物线关系 随着每一个新的生长层出现 O2原子的扩散时间更长 这就意味着生长速率变慢 这一阶段被称为剖物线阶段 因此 氧化层的生长会通过两个阶段 线性阶段和剖物线阶段 之间的变化依赖氧化温度和其他因素 通常来说 小于1000埃的氧化受控于线性机理 这是大多数MOS栅极氧化的范围 以上介绍的是干氧氧化 氧化速率较慢 如果用水蒸气代替氧气做氧化剂 可以提高氧化速率 用水蒸气氧化的工艺通常称为湿氧氧化 其化学反应式如下 Si 固态 H2O 气态 SiO2 固态 2H2 气态 氧化生长模式无论是干氧或者湿氧工艺 二氧化硅的生长都要消耗硅 如图所示 硅消耗的厚度占氧化总厚度的0 46 这就意味着每生长1 m的氧化物 就有0 46 m的硅消耗 干 湿氧化略有差别 4 5制备半导体器件工艺流程 4 5 1制备pn结二极管的主要工艺 4 5 2硅平面晶体管工艺流程 硅外延平面晶体管的基本工艺流程图 硅外延平面晶体管工艺流程剖面图 4 5 3MOS晶体管与MOS集成电路工艺流程 MOS晶体管与MOS集成电路工艺流程 5污染控制 5 1概述在这一章中 将解释污染对器件工艺 器件性能和器件可靠性的影响 以及芯片生产区域存在的污染类型和主要的污染源 同时也简要介绍洁净室规划 主要的污染控制方法和晶片表面的清洗工艺等 5 2污染类型微粒金属离子化学物质细菌微粒器件对污染物的敏感度取决于特征图形的尺寸和晶体表面沉积层的厚度 由于特征图形尺寸越来越小 膜层厚度越来越薄 所允许存在的微粒尺寸也必须控制在更小的尺度上 经验告诉我们 微粒的大小要小于器件上最小特征图形尺寸的1 10 就是说直径为0 03微米的微粒将会损坏0 3微米线宽大小的特征图形 否则会造成器件功能的致命伤害 金属离子无论是单晶制造还是工艺过程中人为掺杂 在引入有用杂质的同时也不可避免地引入一些其他有害的杂质 特别是金属杂质 并且是以离子形式出现的而且是移动的 当这些移动的离子超过一定数量时 同样会引起器件的失效 因此 这些可移动的离子必须控制在一定范围内 除此之外 钠也是最常见的可移动离子污染物 而且移动性最强 因此 对钠的控制也成为芯片生产的首要目标 可移动污染物问题特别是对MOS器件影响更为明显 因为MOS器件是表面电荷控制器件 化学品器件生产过程中化学品的应用是不可避免的 有些化学品将导致晶片表面受到不必要的刻蚀 或者生成无法除去的化合物等 氯就是其中之一的污染物 所以 工艺过程中用到的化学品氯的含量必须受到严格控制 细菌主要来源于水中 是一种生成物 细菌一旦形成 会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望的金属离子 污染的影响器件工艺的良品率器件性能器件的可靠性 5 3污染源下面将讨论对器件生产中产生影响的各类污染的来源 性质及其控制 从LSI出现以来 污染控制就突现出来它的重要性 如今污染控制本身已成为一门科学 是制造半导体器件必须掌握的关键技术之一 5 3 1普通污染源实际上芯片生产过程中任何与产品相接触的物质都是潜在的污染源 主要有 空气厂房设备工作人员使用的水化学溶剂化学气体静电 5 3 2空气普通空气中含有许多污染物 主要是可在空气中传播的颗粒 一般是微粒或浮尘 颗粒的相对尺寸如下图所示 单位是 微米 这些微小颗粒的主要问题是在空气中长时间漂浮 而洁净工作室的洁净度就是由空气中的微粒大小和微粒含量决定的 美国联邦标准209E规定空气质量由区域空气级别数来决定的 标准按两种方法设定 一是颗粒的大小 二是颗粒的密度 而级别数是指在一立方英尺中含有直径为0 5微米或更大的颗粒总数 一般城市空气中通常包含烟 雾 气 每立方英尺多达500万个颗粒 所以是500万级 图5 6显示了标准209E规定的颗粒直径与颗粒密度的关系 不同环境下洁净级别数与对应的颗粒大小 5 3 3净化空气的方法洁净室的设计是要使生产免污染芯片的能力更完整化 设计时的主要思路是保持加工车间中空气的洁净 另外提高生产自动化水平也是降低污染的一种有效方法 共有4种不同的洁净室设计方法 洁净工作台隧道型设计完全洁净室微局部环境具体就不作详细的介绍 下面通过几组图片的浏览使大家有个初步的印象 5 4 3人员产生的污染工作区人员也是最大的污染源之一 即使一个经过风淋的洁净室操作员 当他坐着时 每分钟也可释放10万到100万个颗粒 当人员移动时 这个数字还会大幅增加 这些颗粒都是来自脱落的头发和坏死的皮肤 其他的颗粒源还有象化妆品 染发剂和暴露的衣服等 图5 18列出了从不同操作人员的动作中