半导体制造工艺教案

主题序列号1教学课075电子1，2教学时间4教学形式教学讲座部分名字主题1。对半导体制造工艺的初步了解使用教具多媒体教学目的1了解基本的半导体元件结构2了解半导体器件技术的发展历史3了解集成电路制造阶段4了解半导体制造企业了解基本的半导体材料熟悉半导体制造中使用的化学品熟悉芯片制造的生产环境。教学重点集成电路制造阶段、半导体制造中使用的化学品、芯片制造的生产环境教学困难基本半导体元件结构更新、补充充电和删节内容不家庭作业1-11-19教学后记讲座或板书设计的主要内容1.1导言1.2基本半导体元件结构1.3半导体器件技术的发展历史1.4集成电路制造阶段1.5半导体制造企业1.6基本半导体材料1.7半导体制造中使用的化学品1.8芯片制造的生产环境课堂教学安排教学过程上帝想教学生内容和步骤1.1导言图1-1集成电路抽象结构图图1-2典型的半导体芯片制造工艺1.2基本半导体元件结构图1-3由二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管和电阻组成的静态随机存取存储器电路图1.2.1无源元件结构1.集成电路电阻器的结构图1-4集成电路中电阻器的结构图1-5基极区和发射极区扩散形成的电阻结构图1-6外延层电阻结构图1-7 MOS集成电路中的多晶硅电阻2.集成电路电容器结构图1-8集成电路中电容器的结构图1-9 PN结电容器结构图1-10 mos场效应晶体管的电容结构1.2.2有源器件结构有源器件，如二极管和晶体管，在电子控制方法上与无源元件有很大不同。它们可以用来控制电流方向和放大信号，形成复杂的电路。当这些设备连接到电源时，需要确定电极(或-)。工作时，利用电子和空穴的流动。1.二极管的结构图1-11集成电路中二极管的基本结构图1-12集成电路中二极管的结构2.晶体管的结构图1-13晶体管的基本结构3.场效应晶体管的结构图1-14 mos管结构示意图4.互补金属氧化物半导体结构图1-15 CMOS反相器电路的电路图、俯视图和剖视图1.3半导体器件技术的发展历史图1-16生长晶体管生长图图1-17合金结晶体管示意图图1-18台面结型晶体管示意图图1-19硅平面结型晶体管示意图1.4集成电路制造阶段1.4.1集成电路制造的阶段划分半导体集成电路制造通常包括以下部分：硅晶片(晶片)准备、掩模制造、硅晶片制造和元件封装，如图120所示。值得一提的是，半导体制造的每个环节不是由一家工厂完成的，而是由不同的工厂完成的。也就是说，硅片制造有专门的制造企业。制备硅片的企业不生产硅片。他们只为硅片制造厂提供硅片。硅片制造厂从硅片制造厂购买所需的硅片来制造硅片。制造中使用的掩模板也由专门的制造企业提供。由硅片制造的芯片的封装不是由硅片制造企业完成的，而是由封装企业完成的。这可以降低设备的维护成本。图1-20半导体芯片制造框图硅晶片的制备硅从砂中提炼和提纯，形成半导体级多晶硅。由该芯片制造的硅片到达硅片制造厂，经过清洗、成膜(氧化、沉积)、光刻、刻蚀和掺杂(扩散、离子注入)等主要工序，加工后的硅片具有完整的永久性集成电路(4)芯片组装和封装完成后，应在封装前对芯片进行测试/分类，以进行单个芯片的电气测试。合格的芯片和不合格的芯片应分类标识，合格的芯片应包装在保护套内。(5)最终测试为了保证芯片的功能，每一个封装的集成电路都要进行测试，以保证芯片的电气和环境特性参数满足要求，即保证发送给用户的芯片是合格的芯片。图1-22世界上第一个集成电路1.4.2集成电路时间的划分表1-1集成电路时间划分1.4.3集成电路制造的发展趋势电子器件，无论是电子管还是晶体管，一般都有这样的特点：随着结构尺寸的减小，工作速度会加快，功耗会降低。结果，当速度增加和晶体管尺寸减小时，集成电路的性能将得到改善。同时，由于尺寸的减小，可以容纳更多的组件，从而增加集成和扩展功能。在可靠性方面，随着集成规模的增加，印刷电路板上的焊点数量减少，从而降低了每个元件的故障率。(1)为了提高芯片的性能，芯片的性能一般包括两个方面，一是芯片的工作速度，二是芯片工作过程中的功耗。1.4集成电路制造阶段表1-2 1微米以下行业技术节点列表(2)为了提高芯片的可靠性，芯片的可靠性主要是指芯片的寿命。(3)降低芯片成本半导体芯片的价格一直在不断下降。1.5半导体制造企业(1)设计/制造企业许多企业都集成了芯片设计和芯片制造，从芯片的前端设计到后端加工都在企业内部完成。(2)芯片制造行业中的代工企业，有一种特殊的企业，专门为其他芯片设计企业制造芯片，这种企业叫做晶圆代工厂。1.6基本半导体材料1.6.1硅最常见的半导体材料在20世纪50年代早期，锗是半导体工业中应用最广泛的材料之一。然而，由于其小的禁带宽度(只有0.66电子伏)，锗半导体的工作温度只能达到90(因为在高温下漏电流相当高)。锗的另一个严重缺点是它不能在其表面形成稳定的氧化物层，这是对掺杂杂质的钝化。例如，二氧化锗(GeO2)是水溶性的，在800左右会自然分解。相反，硅的禁带宽度较大(1.12电子伏)，硅半导体的工作温度可高达200。硅晶片表面可以被稳定的氧化层(二氧化硅)氧化，该氧化层对掺杂的杂质具有优异的阻挡效果。这一特性使得硅在半导体应用中远远优于锗，因为氧化层可以用于基本的集成电路结构。1980年以后，半导体工业对GaAs的应用有着极高的期望，因为GaAs具有较高的电子迁移率和直接禁带宽度，但是因为高质量和大尺寸的GaAs不容易获得，它不能代替半导体工业中的硅单晶材料。(1)硅硅是地球上第二丰富的元素，占地壳成分的25%。经过合理的处理后，硅可以被提纯到半导体制造所需的足够高的纯度，并且成本相对较低。(2)更高的熔化温度允许更宽的工艺公差。硅的熔点为1412，远高于锗的熔点937。较高的熔点使硅能够承受高温过程。(3)由硅制成的较宽工作温度范围的半导体器件可以在比由锗制成的半导体器件更宽的温度范围内工作，增加了半导体器件的应用范围和可靠性。(4)氧化硅的自然生成的硅表面具有自然生长氧化硅(二氧化硅)的能力，氧化硅是一种高质量且稳定的电绝缘材料，可以作为高质量的化学阻挡层来保护硅免受外部污染。图1-23纯硅的硅原子共价键示意图用作芯片的硅片需要高纯度，原子级的微缺陷也需要最小化。这些缺陷对半导体性能非常有害，并且要求硅芯片具有期望的晶体取向和适当的掺杂浓度。用于制造芯片的纯硅被称为半导体级硅，是从天然硅中提取的多晶硅。多晶硅通过提拉单晶制成单晶硅。该芯片制作在具有一定掺杂浓度和一定晶体取向的高纯单晶硅片上。1.6.3单晶硅的生长半导体级硅是多晶硅，并且半导体芯片加工需要纯单晶硅结构，因为单晶硅具有重复的晶胞结构，并且可以提供制造工艺和器件性能所需的电和机械性能。晶体缺陷是在重复排列的晶胞结构中出现的任何不连续性。晶体缺陷会影响半导体的电学性质，包括二氧化硅的介电击穿和漏电流。随着器件尺寸的减小，更多的晶体管集成在芯片上，并且在芯片的敏感区域出现缺陷的可能性增加，从而影响集成电路器件的产量。将多晶硅转化为单晶硅有两种技术。它们是直拉法和区熔法。(1)直拉法通过将熔化的半导体级多晶硅转变成具有正确晶体取向的固体硅锭并掺杂成N型或P型来生长单晶硅。图1-25直拉单晶炉示意图图1-26直拉法生长硅(2)区熔区熔是另一种单晶生长方法，它生产的单晶硅含氧量很低，可以生产出迄今为止最纯的单晶硅。图1-27区熔法单晶生长设备示意图图1-28硅片加工和制备的基本过程1.6.4其他半导体材料集成电路的关键性能指标是速度。无线和高速数字通信、空间应用和汽车工业的消费市场正在培育特殊的半导体市场。市场对集成电路性能的需求超过了硅半导体产品的承载能力，这推动了其他半导体材料的发展。1.7半导体制造中使用的化学品1.液态化学品的主要特性及其运输表1-3半导体制造中常用的酸表1-4半导体制造过程中常用的碱表1-5半导体制造中常用的溶剂2.气态化学品的主要特性及其运输图1-29专用气瓶表1-6半导体制造中使用的常见气体表1-7半导体制造中常用的特殊气体3.血浆等离子体，也称为等离子体，是电离气体，即离子形式的气体(正离子和电子的混合物)。它广泛存在于宇宙中，通常被认为是除固体、液体和气体之外的第四种物质状态。在自然界中，火焰、闪电、太阳等等都是等离子体。等离子体有以下两个特点：等离子体非常不稳定，具有很强的化学活性。等离子体辅助化学气相沉积利用了这一特点。(2)等离子体是一种良导体，可以被设计的磁场捕获、移动和加速。这两个特征在后面的过程中得到很好的利用。等离子体由辉光放电、射频放电和电晕放电产生。1.8芯片制造的生产环境1.8.1净化室内的污染类型净化室内的污染物类型可分为5类：颗粒、金属杂质、有机污染物、自然氧化层和静电放电。1.微粒图1-