半导体材料的培训概要课件

1、半导体材料的应用 培训讲义第1页，共48页。前言感谢人力资源部给了我这次与产品工程师与工艺工程师交流的机会，我把我公司原材料的使用、检验、管理和原材料对产品产生的影响跟各位介绍一下。各位产品工程师与工艺工程师在平时工作中，对原材料有什么要求和对原材料哪些性能需要了解，请及时与我联系。我希望在和各位工程师在密切的联系、协作中，使我公司原材料质量不断提高，进而使我公司产品质量不断提高。第2页，共48页。半导体材料的分类化学品衬底材料光掩模材料封装材料辅助材料第3页，共48页。化学品化学试剂特种气体光刻胶第4页，共48页。化学试剂用途扩散源清洗腐蚀技术等级分析纯、优级纯、高纯低颗粒、MOS级、CMO

2、S级检验方法供方出据检验报告单与我公司检验标准对照；合格供方保证质量,出现问题质计部送检.第5页，共48页。化学试剂引用标准日本东芝工艺标准、国家标准合格供方北京化工厂、沈阳第一试剂厂、沈阳化学试剂厂试用厂家江阴化学试剂厂制备原料检验精镏过滤包装包装：大包装和小包装可以根据工艺进行选择第6页，共48页。扩散源技术要求纯度颗粒金属离子硼源有效成份为三氧化二硼,三氧化二硼在900时与硅发生氧化还原反应,三氧化二硼被还原为硼原子而淀积在硅片表面.其化学方程式是: 2B2O3+3Si =3SiO2+4B磷源液态源三氯氧磷在较高的温度下分解，其化学方程式是：5POCl3=3PCl5+P2O5然后五氧化二

3、磷和硅发生氧化还原反应，五氧化二磷被还原为磷原子并淀积于硅片表面。其化学方程式是：2P2O5+5Si= 5SiO2+4P 第7页，共48页。无机酸的化学清洗盐酸(HCl)盐酸是氯化氢气体溶解于水而形成的无色透明液体,易挥发,有刺激性气味.市售盐酸的百分比浓度为37%盐酸是强酸,有化学清洗中主要利用它的强酸性来除去无机杂质盐酸能与金属活动顺序表中氢以前的金属作用,能与碱性氧化物、两性氧化物和氢氧化物作用，能与碳酸盐作用。但盐酸不能与铜、银、金等重金属作用。硫酸（H2SO4）纯硫酸是无色油状液体，难挥发。市售硫酸的百分比浓度为98%浓硫酸除有强酸性外，还有强氧化性、吸水性和脱水性。在化学清洗中，利

4、用它的强酸性强氧化性和脱水性，可去除碱性氧化物、两性氧化物、氢氧化物、金属和有机物杂质第8页，共48页。无机酸的化学清洗硝酸（HNO3）纯硝酸是无色透明液体，易挥发，有刺激性气味。市售硝酸的百分比浓度为68%通常硝酸不稳定，在常温下见光就会分解成氧化物，水和氧气；分解生成棕色的二氧化氮溶解于溶液里，使用溶液呈黄色。为防止硝酸的分解，必须把硝酸盛在深色瓶中，放在黑暗而温度较低的地方。硝酸是强酸，除具有酸的通性外，还有强氧化性，可去除碱性氧化物、两性氧化物、氢氧化物、金属等杂质第9页，共48页。络合剂的清洗作用氢氟酸是氟化氢的水溶液，无色透明液体，易挥发、有刺激性气味、剧毒。百分比浓度40%。氢氟

5、酸是弱酸，但腐蚀性很强。其酸性比碳酸强而比磷酸弱。氢氟酸的一个很重要性质是能腐蚀玻璃，即能溶解二氧化硅。用氢氟酸腐蚀硅片表面的二氧化硅薄膜，就是利于这个性质，反应方程式如下：SiO2+6HF= H2SiF6 +2H2O生成的H2SiF6是可溶性的络合物，可用纯水冲除，达到除去二氧化硅的目的。氢氟酸能使皮肤，特别是骨胳造成难以治愈的灼伤，因此使用氢氟酸时应戴橡皮手套。第10页，共48页。络合剂的清洗作用氨水氨水是无色、透明、易挥发、有刺激性气味的液体，是氨的水溶液。氨水的浓度为28 %。氨水是一种弱碱，具有碱的通性，在化学清洗中主要作络合剂用由于氨分子是一种很好的配位体，能与许多金属离子，如铜、

6、银、锌、钴、镍、汞离子等形成稳定的络离子。使这此金属离子再也不能被硅还原为金属离子沉积在硅片上，因而能有效的将它们清除。盐酸盐酸除了前面所讲的强酸作用外，还具有络合作用。盐酸中的氯离子能与金、铂、铜、银等金属离子形成稳定的络离子，从而能将这些离子清除。第11页，共48页。应用实例I王水王水是三份浓盐酸和一份浓硝酸组成的混合酸，能溶解金属之王的金、铂，故习惯上称为王水。王水具有强氧化性，它的氧化性比浓硝酸强得多，在清洗中主要利用它的强氧化性。当这两种浓的强酸混和在一起时，会发生如下的反应。HNO3+3HCl=2H2O+2Cl+NOCl。原子氯与金、铂等金属生成AuCl2、PtCl4等氯化物。然后

7、再与盐酸（络合剂）反应生成稳定的的氯金酸根和氯铂酸根等络离子。其反应生成的氯金酸和氯铂酸等络合物溶于水，从而除去重金属杂质金和铂。第12页，共48页。应用实例III号液和II号液I号液和II号液是以过氧化氢为基础的清洗液，一种是碱性的，另一种是酸性的。I号液是利用氨水的碱性除去能溶于碱的有机杂质。利用过氧化氢的强氧化性将金属杂质氧化为金属离子，再和氨（络合剂）形成易溶于水的络合物。II号液是利用盐酸的强酸性，将金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐等变为可溶性金属氯化物。利用过氧化氢的强氧化性，将金属氧化为金属离子，再和盐酸形成能溶于水的络合物。I号液和II号液的优点：操作安全方便；可防止钠离子沾污；这

8、两种清洗液不会产生与清洗无关的化学反应，而且清洗结果仅留下水和络合物，大大减少了对环境的污染；这两种清洗液不但去除硅片上的无机杂质，而且能除去有机物；不但能和强酸一样除去较活泼的金属，而且还能清除较难溶解的金、铂等重金属。第13页，共48页。特种气体用途化学气相淀积（CVD）、等刻、注入、外延技术要求纯度充装安全检验方法供方出据检验报告单与我公司检验标准对照；合格供方保证质量,出现问题质计部送检对工艺的影响杂质含量超标会对工艺、产品质量影响严重第14页，共48页。特种气体引用标准日本东芝工艺标准和日本制铁株式会社半导体用气体标准合格供方光明化工设计研究院试用供方大连特种气体产业公司香港特种气体

9、公司第15页，共48页。CVD（chemical vapour deposition) 定义是指使一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。CVD形成薄膜时的化学反应及其在器件加工中的功能淀积物名称 利用的化学反应用途SiO2SiH4+2O2=SiO2+H2O（400 ）SiCl2H2+2N2O=SiO2+2N2+2HCl（910）扩散或离子注入掩膜（PSG）2PH3+4O2=P2O5+3H2O（400 ）（BSG）B2H6+3O2=B2O3+3H2O （400 ）POLY-SiSiH4 Si+H2 （650 ） 浅结器件的欧姆接触材料Si

10、3N43SiH4+4NH3 Si3N4+2H2 （650 ） 终端钝化膜第16页，共48页。CVD气体使用的安全问题CVD用的气体大多数具有危险性安全检查入厂的气瓶要用SNOOP检漏液检漏；阀门是否在保压期内。维修注意事项许多易燃气体与空气反应能形成固体颗粒，因此微量的泄漏常会在管道中产生粉尘，从而影响流量计的正常工作或引起管道堵塞。积累在泵中的反应气体与反应产物可能在维修泵时产生危险，务必注意。气体性质气体性质SiH4有毒、易燃、自燃NH3毒、腐蚀SiCl2H2有毒、易燃、腐蚀H2无毒、易燃PH3剧毒、易燃O2无毒、助燃B2H6剧毒、易燃N2O有毒、不易燃HCl毒、腐蚀N2惰性第17页，共4

11、8页。光刻胶用途：光刻分类：正性光刻胶、负性光刻胶负性光刻胶：未感光部分能被适当的溶剂溶除，而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图形相反。负性光刻胶具有很高的感光速度，极好的粘附性和抗蚀性能，适用于工业化大生产，目前刻蚀5um左右线条主要使用负性光刻胶。主要缺点是分辨率较低，不适于细线条光刻。正性光刻胶：感光部分能被适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。正性光刻胶有较高的固有分辨率（1um,甚至更小）、较强的抗干法腐蚀能力和抗热处理能力。但是与负性光刻胶相比，正性光刻胶粘附性差、抗湿法腐蚀能力差，而且成本高。第18页，共48页。光刻胶技术要求粘度、固含、折射率、水

12、分、杂质含量对工艺的影响光刻胶的主要性能指标有感光度、分辨率、粘附性、抗蚀性、针孔密度、留膜率、稳定性等工艺工程师应根据待加工材料的性质、加工图形的线宽及精度要求、曝光方式、腐蚀方法等正确选择光刻胶合格供方北京化学试剂研究所试用供方苏州瑞红电子化学品材料厂第19页，共48页。衬底材料硅器时代人类在公元前200万年进入石器时代，公元前4000年进入了铜器时代，公元前1200年进入了铁器时代，20世纪60年代，人类进入了硅器时代。有线通讯、无线网络、卫星通信、计算机微处理的应用，使蓝色星球在短短四十年间变小了，时空不在遥远。只要轻轻一点，世事皆知，这一切要感谢硅基半导体的发展，是它改变着人类的生活

13、，而且正在不断地重新定义地球人生活、工作的时空。硅的物理性质晶体硅是银灰色、具有金属光泽和金刚石结构的原子晶体，硬而脆，熔点为1420，沸点为2600，密度为2.33克/CM3硅半导体器件具有稳定性好、体积小、效率高、寿命长、可靠性好等优点，在电子工业领域内占有重要地位。第20页，共48页。硅片的制造分类生长方法：直拉硅单晶、区熔硅单晶掺杂类型：P型、N型硅片的制造拉单晶 滚圆 切片 倒角 磨片热处理背封贴片抛光清洗外延磨片：金刚砂；技术要求：W14，粒径均匀抛光：抛光液；原理：化学机械抛光第21页，共48页。直拉法与区熔法的区别项目直拉法区熔法纯度氧碳含量较高，纯度受坩锅污染的影响O1017

14、2*1018/厘米3C10161017/厘米3纯度较高O10145*1015/厘米3C10152*1016/厘米3少子寿命低低电阻率更低高电阻率适用于生产中低阻单晶，100欧姆厘米以上者难控制,径向、轴向电阻率分布不大均匀。能生产高阻单晶,200300欧姆厘米(N);掺杂工艺复杂.有中子嬗变和气相掺杂等方法.中子嬗变法电阻率分布均匀性好缺点:做低阻单晶成本太高位错密度可生产无位错单晶可生产无位错单晶用途做晶体管、二极管、集成电路做耐高压整流器、可控硅、探测器，也可做晶体管，集成电路第22页，共48页。硅片检验晶体完整性化学择优腐蚀法（ SIRTL腐蚀液）厚度；总厚度变化6033T无接触厚度测试

15、仪电阻率；径向电阻率变化率6035无接触电阻率测试仪四探针电阻率测试仪直径卡尺外观目检第23页，共48页。硅单晶中的微缺陷漩涡缺陷硅单晶中的微缺陷，通常是指无位错单晶在生长方向的横断面经西特尔（SIRTL）腐蚀后，所观察到的呈漩涡状分布的宏观缺陷花纹，故俗称漩涡缺陷。微观上这些漩涡花纹是由浅底腐蚀坑所组成。微缺陷对器件性能的影响微缺陷的存在使材料的载流子寿命下降，从而导致器件HFE减小，在器件制做过程中漩涡缺陷有可能转化成位错、层错及形成局部沉淀，进而造成微等离子击穿或使PN结反向电流增大；使大功率高反压器件的性能劣化。第24页，共48页。硅片送检项目晶向1偏离度大会对扩散速度和划片质量产生影

16、响氧含量直拉硅单晶中氧含量较高,对单晶电导特性、微缺陷形成和力学性性质都有显著影响。氧多易形成漩涡缺陷，氧少易碎片，控氧硅单晶（1E18）碳含量晶体内部形成缺陷，在表面集中时会破坏光刻，会引起Si晶格畸变，V-I曲线软化；漏电增加硅单晶中同时存在C-O时，会形成C-O复合物，起热施主作用，降低器件的峰值电压第25页，共48页。硅片送检项目少子寿命对晶体管放大有影响，少子寿命长，放大大；否则，放大小。翘曲度对磨抛、扩散、光刻质量都有影响新技术磁场拉晶拉晶时用磁场控制能够改善电阻率均匀性,提高少子寿命；需要做实验来验证对合格率的影响.第26页，共48页。掩模材料掩模材料的分类在玻璃基板上表面涂布卤

17、化银乳剂的高分辩率干板；在玻璃基上附着金属或金属氧化物膜的硬面板*对玻璃衬底的要求平面度好，机械强度高，表面质量好热膨胀系数小透明率高化学稳定性好第27页，共48页。掩模材料对铬膜的要求膜厚及均匀性光密度反射率针孔密度平面度腐蚀特性对光刻胶层的要求胶厚和均匀性附着力与抗蚀性感光特性合格供方：骊山微电子所（771所）试用供方：沈阳金利源公司（俄罗斯）第28页，共48页。封装材料引线框架焊料键合引线材料表面保护材料塑封料其中引线框架、焊料、塑封料的配合对产品可靠性影响很大第29页，共48页。第30页，共48页。引线框架检验项目结构、尺寸易焊性镀层耐热性键合强度与塑封料的粘附性对工艺、产品的影响热阻

18、包封外形可靠性：间歇工作寿命、抗跌落性能、密封性合格供方厦门永红电子公司宁波康强电子有限公司试用供方：吉林铭阳电子有限公司第31页，共48页。焊料丝焊料的选择粘片后焊点劳固热阻低（空洞少）间歇工作寿命长晶粒细抗氧化环境保护技术要求直径：0.76mm;0.5mm合金纯度:99.999%成份:PbSn5Ag2.5;SnSb2Ag10;SnSb7Ag20;SnSbNiP第32页，共48页。焊料丝熔点PbSn5Ag2.5：280度300度SnSb2Ag10：245度260度SnSb7Ag20：260度280度对工艺、产品的影响热阻间歇工作寿命（热疲劳）抗跌落合格供方无锡雪浪电子焊料厂试用供方上海信益科

19、技实业公司第33页，共48页。键合引线材料技术要求与芯片上电极引线和底座外引线的接触电阻小，结合力好化学稳定性好，不会形成有害的金属化合物导电性好可塑性好，容易焊接键合过程中能保持一定的形状金丝、铝丝（镁铝丝、硅铝丝）检验项目延伸率破断力直径第34页，共48页。聚酰亚胺（POLYIMIDE）聚酰亚胺性能（6H和6L）高耐热稳定性能高玻璃化转变温度高力学机械性能高电绝缘性高频稳定性高纯度低介电常数和介电损耗低吸潮性低成型工艺温度低内应力低杂质含量第35页，共48页。聚酰亚胺的应用芯片的钝化层可有效防止电子迁移和化学物理腐蚀可有效降低漏电流与SiO2钝化层相比，具有更好的防机械损伤、防盐雾、防盐酸

20、浸袭性能即可以单独作为钝化层，也可以与无机钝化材料如PSG，Si3N4，配合作为二级钝化层，可以有效吸收塑封过程中产生的内应力，保护无机钝化层。感光型聚酰亚胺优点：节省一次光刻缺点：成本高第36页，共48页。塑封料的选择第37页，共48页。塑封料的性能成型性流动长度胶化时间高耐湿性塑封料本体在PCT後仍具有相當高的体积电阻率塑封料本体与框架间有高密著性，不易因湿气侵入后产生分层吸湿后之塑封料本体仍具有高强度，不易产生爆米花現象低应力塑封料本体之熱膨脹系数在17-20ppm/ ，有效降低熱应力對封裝物的影响高純度选用高純度之原料，有效控制塑封料的离子含量，降低漏電流发生的頻率第38页，共48页。

21、塑封料可靠性评估第39页，共48页。塑封料的贮存与使用贮存5下保质期为1年。使用前从冷库中取出，在温度235,相对湿度50以下的环境下放置24小时后方可打开使用：在上述环境下闭口放置超过72小时，敞口放置超过5小时报废。回温说明室温16小时以上（25 左右）维持塑料袋于密封状态回温后请在24小时内使用完成型条件高频波予热：80110 模具温度：170200转进压力：30100kgf/cm2转进时间：1025秒硬化时间：20180秒后硬化（175）：48小时第40页，共48页。辅助材料石英制品高温涂层管（HSQ400）的使用方法为了提高管的高温稳定性，此管的外面经过了热处理，清洗如下一定不要把外

22、管表面的涂层除去不要把管浸在5%氢氟酸中超过5分钟管的内表面可以在任何时候用浓度大的溶液清洗为了形成稳固层，管子应该迅速加热到1280，然后恒温12小时，如果在管子的高温区，明显看到切面变成椭圆，应该把管旋转90度，然后就可以使用了。这样做，会增加使用寿命。第41页，共48页。辅助材料纯水一级水：25时电阻率大于18兆欧厘米二级水：25时电阻率大于5兆欧厘米纯水在化学清洗中的作用纯水是一种很好的溶剂，用于溶除硅片表面的杂质热水溶解度大，但水温高，容器和管道（加热器管道）会放出较多杂质，又会使水质下降，沾污硅片在使用纯度很高的化学试剂时，可用冷水冲洗，或辅之超声波，效果更好。次数越多，清洗效果越

23、好。纯水的检验动力车间出水口有计量表；第42页，共48页。蒸发金属正面金属：铝有良好的导电性容易与P型和N型硅形成低阻欧姆接触与硅和二氧化硅有良好的粘附性，并且不发生有害的反应易于淀积成薄膜；易于刻蚀便于键合背面金属：多层金属化（钒、镍、金或钛、镍、银）有良好的导电性便于焊接装片；可靠性（间歇寿命）根据产品要求适当掺杂质量检验：纯度；外观；重量第43页，共48页。原材料采购控制程序目的对采购过程及供方进行控制；确保所采购的产品符合规定要求。职责：物资采购部负责制定采购计划，执行采购作业；负责收集供方提供的文件和资料，建立供方档案。技术工程部负责按公司的要求组织对供方进行评价、编制合格供方名录，并对供方的供货业绩定期进行评价；负责编制采购物资技术标准，签署技术协议。质量管理部负责与供方质量沟通，反馈原材料的质量问题，负责签署质量保证协议，处理质量索赔质计部负责采购物资的进货验证第44页，共48页。原材料试用程序本规程适用于原材料试用管理规范、程序。原材料试用范围：拓宽采购渠道（增加分供方、降低成本）的原材料试用;工艺技术改进（改变型号、规格）的原材料试用。原材料试用管理程序：原材料试用必须具有提前性、预见性，（即：不能把试用当成使用）。由物资采购部负责收集试用原材料厂家的企业简介、产品标准、详细规范或图纸资料、生产许可证、该厂家产品在其它用户处使用情况等