半导体工艺技术课件

半導體工藝技術

概述

微電子從40年代末的第一只電晶體（Ge合金管）問世，50年代中期出現了矽平面工藝，此工藝不僅成為矽電晶體的基本製造工藝，也使得將多個分立電晶體製造在同在一矽片上的積體電路成為可能，隨著製造工藝水準的不斷成熟，使微電子從單只電晶體發展到今天的ULSI。回顧發展歷史，微電子技術的發展不外乎包括兩個方面：製造工藝和電路設計，而這兩個又是相互相成，互相促進，共同發展。

1.1半導體工業的誕生電信號處理工業始於上個世紀初的真空管，真空管使得收音機、電視機和其他電子產品成為可能。它也是世界上第一臺電腦的大腦。真空管的缺點是體積大、功耗大，壽命短。當時這些問題成為許多科學家尋找真空管替代品的動力，這個努力在1947年12月23日得以實現。也就是第一只Ge合金管的誕生。如圖所示。1.2固態器件固態器件不僅是指電晶體，還包括電阻器和電容器。Ge合金管的缺點是工作溫度低，電性能差。50年代隨著矽平面製造工藝的出現，很快就出現了用矽材料製造的電晶體。由於矽材料的製造溫度(熔點溫度1415℃)和矽電晶體的工作溫度都優於鍺(熔點溫度937℃)，加之SiO2的天然生成使得矽電晶體很快取代了Ge電晶體。1.3積體電路最早的積體電路僅是幾個電晶體、二極體、電容器、電阻器組成，而且是在鍺材料上實現的，是由德州儀器公司的傑克·基爾比發明的。如圖所示。右圖是用平面技術製造的電晶體1.4工藝和產品趨勢從以開始，半導體工業就呈現出在新工藝和器件結構設計上的持續發展。工藝的改進是指以更小尺寸來製造器件和電路，並使之具有更高的密度，更多的數量和更高的可靠性。尺寸和數量是IC發展的兩個共同目標。晶片上的物理尺寸特徵稱為特徵尺寸，將此定義為製造複雜性水準的標準。通常用微米來表示。一微米為1/10000釐米。GordonMoore在1964年預言IC的密度每隔18～24個月將翻一番，------摩爾定律。一個尺寸相同的晶片上，所容納的電晶體數量，因制程技術的提升，每18個月到兩年電晶體數量會加倍，IC性能也提升1倍。現以1961年至2006年期間半導體技術的發展為例加以說明，IC電路線寬由25微米減至65納米，晶圓直徑由1英寸增為12英寸，每一晶片上由6個電晶體增為80億個電晶體，DRAM密度增加為4G位，電晶體年銷售量由1000萬個增加到10的18次方至19次方個，但電晶體平均售價卻大幅下降10的9次方倍。

特徵尺寸的減小和電路密度的提高產生的結果是：信號傳輸距離的縮短和電路速度的提高，晶片或電路功耗更小。1.5半導體工業的構成半導體工業包括材料供應、電路設計、晶片製造和半導體工業設備及化學品供應五大塊。目前有三類企業：一種是集設計、製造、封裝和市場銷售為一體的公司；另一類是做設計和銷售的公司，他們是從晶片生產廠家購買晶片；還有一種是晶片生產工廠，他們可以為顧客生產多種類型的晶片。第二章器件的製造步驟半導體器件製造分4個不同階段：1.材料準備

2.晶體生長與晶圓準備

3.晶片製造

4.封裝材料準備晶體生長與晶圓準備晶圓製造封裝第一步材料準備第二步晶體生長與晶圓準備第三步晶片製造第四步封裝3晶圓製備3.1概述在這一章裏，主要介紹沙子轉變成晶體，以及晶圓和用於晶片製造級的拋光片的生產步驟。高密度和大尺寸晶片的發展需要大直徑的晶圓，最早使用的是1英寸(25mm)，而現在300mm直徑的晶圓已經投入生產線了。因為晶圓直徑越大，單個晶片的生產成本就越低。然而，直徑越大，晶體結構上和電學性能的一致性就越難以保證，這正是對晶圓生產的一個挑戰。矽晶圓尺寸是在半導體生產過程中矽晶圓使用的直徑值。矽晶圓尺寸越大越好，因為這樣每塊晶圓能生產更多的晶片。比如，同樣使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產大約179個處理器核心，而使用300mm的晶圓可以製造大約427個處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍，出產的處理器個數卻是後者的2.385倍，並且300mm晶圓實際的成本並不會比200mm晶圓來得高多少，因此這種成倍的生產率提高顯然是所有晶片生產商所喜歡的。

然而，矽晶圓具有的一個特性卻限制了生產商隨意增加矽晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產過程中，離晶圓中心越遠就越容易出現壞點。因此從矽晶圓中心向外擴展，壞點數呈上升趨勢，這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。

隨著半導體材料技術的發展，對矽片的規格和品質也提出更高的要求，適合微細加工的大直徑矽片在市場中的需求比例將日益加大。目前，矽片主流產品是200mm，逐漸向300mm過渡，研製水準達到400mm～450mm。據統計，200mm矽片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其餘占20%左右。根據最新的《國際半導體技術指南（ITRS）》，300mm矽片之後下一代產品的直徑為450mm；450mm矽片是未來22納米線寬64G積體電路的襯底材料，將直接影響電腦的速度、成本，並決定電腦中央處理單元的集成度。

Si的製備過程一般為:SiC（固體）+SiO2（固體）→Si（固體）+SiO（氣體）+CO（氣體）

Si（固體）+3HCl（氣體）→SiHCl3（氣體）+H2（氣體）SiHCl3（氣體）+H2（氣體）→Si（固體）+3HCl（氣體）3.2晶體生長

半導體材料都是由構成其成分的原子規律排列而成，通常把這種原子規律排列而成的材料稱為單晶。而它是由大塊的具有多晶結構和未摻雜的本征材料生長得來的。把多晶塊轉變成一個大單晶，並給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。有三種不同的生長方法：直拉法區熔法液體掩蓋直拉法

3.2.1直拉法

大部分的單晶都是通過直拉法生長的。生產過程如圖所示。特點：工藝成熟，能較好地拉制低位錯、大直徑的矽單晶。缺點是難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜質污染。3.2.2液體掩蓋直拉法此方法主要用來生長砷化鎵晶體，和標準的直拉法一樣，只是做了一些改進。由於熔融物裏砷的揮發性通常採用一層氧化硼漂浮在熔融物上來抑制砷的揮發。故得其名，如圖所示。3.2.3區熔法主要用來生長低氧含量的晶體，但不能生長大直徑的單晶，並且晶體有較高的位錯密度。這種工藝生長的單晶主要使用在高功率的晶閘管和整流器上，生長系統如圖所示。 3.3晶體外延生長技術外延是一種採取化學反應法進行晶體生長的另一種技術。在一定條件下，以襯底晶片作為晶體籽晶，讓原子（如矽原子）有規則地排列在單晶襯底上，形成一層具有一定導電類型、電阻率、厚度及完整晶格結構的單晶層，由於這個新的單晶層是在原來襯底晶面向外延伸的結果，所以稱其為外延生長，這個新生長的單晶層叫外延層。最常見的外延生長技術為化學氣相澱積（CVD）和分子束外延生長（MBE）。外延生長的基本原理氫還原四氯化矽外延生長原理示意圖矽的CVD外延 化學氣相澱積是指通過氣態物質的化學反應在襯底上澱積一層薄膜材料的過程。CVD反應器的結構示意圖分子束外延 分子束外延（MBE）是在超高真空條件下一個或多個熱原子或熱分子束蒸發到襯底表面上形成外延層的方法。砷化鎵相關的Ⅲ-Ⅴ族化合物的MBE系統示意圖分子束外延是一種新的晶體生長技術，簡記為MBE。其方法是將半導體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長的單晶物質按元素的不同分別放在噴射爐中（也在腔體內）。由分別加熱到相應溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的（可薄至單原子層水準）單晶體和幾種物質交替的超晶格結構。分子束外延主要研究的是不同結構或不同材料的晶體和超晶格的生長。該法生長溫度低，能嚴格控制外延層的層厚組分和摻雜濃度，但系統複雜，生長速度慢，生長面積也受到一定限制。

3.4晶體缺陷及對器件品質的影響缺陷主要有：點缺陷位錯(原生的和誘生的)點缺陷主要來源於晶體內雜質原子的擠壓晶體結構引起的應力所產生的缺陷，還有就是空位(晶格點陣缺少原子所制)。如圖所示位錯位錯是單晶內部一組晶胞排錯位置所制(如圖所示)..原生位錯是晶體中固有的位錯，而誘生位錯是指在晶片加工過程中引入的位錯，其數量遠遠大於原生位錯。產生的原因大致可分為三個方面高溫工藝過程引入的位錯摻雜過程中引入的位錯薄膜製備過程中引入的位錯無論是天生的還是誘生的缺陷對器件特性都是不利的，因此在晶片製造過程中都應該儘量避免。3.5晶片加工

晶片加工是指將單晶棒經過切片、磨片、拋光等一系列的工序加工成用來做晶片的薄片。切片在切片前還要滾磨整形、晶體定向、確定定位面、等一系列的加工處理。切片就是用有金剛石塗層的內園刀片把晶片從晶體上切下來。磨片因為用機械的方法加工的晶片是非常粗造的，如圖所示，它不可能直接使用，所以必須去處切片工藝殘留的表面損傷。磨片----是一個傳統的磨料研磨工藝拋光普通的磨片完成過後矽片表面還有一個薄層的表面缺陷。現在的拋光是機械加化學，經過拋光工藝後使矽片表面真正達到高度平整、光潔如鏡的理想表面。第四章晶片製造概述本章將介紹基本晶片生產工藝的概況，主要闡述4種最基本的平面製造工藝，分別是：薄膜製備工藝摻雜工藝光刻工藝熱處理工藝4.1薄膜製備

是在晶體表面形成薄膜的加工工藝。圖4.4是MOS電晶體的剖面圖，可以看出上面有鈍化層(Si3N4、Al2O3)、金屬膜(Al)、氧化層(SiO2)製備這些薄膜的材料有：半導體材料（Si、GaAs等），金屬材料（Au、Al等），無機絕緣材料（SiO2、Si3N4

、Al2O3

等），半絕緣材料（多晶矽、非晶矽等）。

生長工藝如圖所示。其中蒸發工藝、濺射等可看成是直接生長法------以源直接轉移到襯底上形成薄膜；其他則可看成是間接生長法-----製備薄膜所需的原子或分子，由含其組元的化合物，通過氧化、還原、熱分解等反應而得到。

薄膜分類/工藝與材料的對照表

4.2

光刻與刻蝕技術

光刻所需要的三要素為：光刻膠、掩膜版和光刻機。常規的光刻過程主要包括：塗膠、前烘、曝光、顯影、後烘、腐蝕和去膠。首先將光刻膠利用高速旋轉的方法塗敷在矽片上，然後前烘使其牢固地附著在矽片上成為一層固態薄膜。利用光刻機曝光之後，再採用特定的溶劑進行顯影，使其部分區域的光刻膠被溶解掉，這樣便將掩膜版上的圖形轉移到光刻膠上，然後再經過後烘以及刻蝕、離子注入等工序，將光刻膠的圖形轉移到矽片上，最後再去膠就完成了整個光刻過程。光刻工藝流程示意圖新一代圖形曝光技術甚遠紫外線曝光甚遠紫外線曝光系統裝置簡圖X射線曝光（XRL）

X射線曝光原理簡圖電子束曝光 電子束曝光是利用聚焦後的電子束在感光膜上準確地掃描出圖案的方法。離子束曝光

刻蝕技術在完成顯影檢驗後，掩膜版的圖形就被固定在光刻膠膜上並準備刻蝕。經過刻蝕圖形就永久留在晶圓的表層。刻蝕工藝分為兩大類：濕法和幹法刻蝕。無論那一種方法，其目的都是將光刻掩膜版上的圖形精確地轉移到晶圓表面。同時要求一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔淨度都符合要求。濕法化學腐蝕 濕法腐蝕是指利用液態化學試劑或溶液通過化學反應進行刻蝕的方法。幹法刻蝕 幹法刻蝕是指利用低壓放電產生的等離子體中的離子或游離基（處於激發態的分子、原子及各種原子基團等）與材料發生化學反應或通過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的。4.3半導體中的雜質摻雜雜質摻雜是將可控數量的雜質摻入半導體內，以達到改變半導體電學特性，形成PN結、電阻、歐姆接觸等各種結構之目的。擴散和離子注入是半導體摻雜的兩種主要方式。擴散與離子注入方法摻雜示意圖（a）擴散（b）離子注入雜質擴散機理與方法

1．擴散機理2．兩種表面源的擴散分佈（1）恒定表面源擴散（2）限定源擴散3．恒定表面源擴散方法（1）固態源擴散（2）液態源擴散4．擴散結果的測量（1）薄層電阻的測量（2）結深的估算和測量（3）擴散分佈測量離子注入原理與系統離子注入機系統 離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底的過程，該過程是靠離子注入機來完成，離子注入機主要包括離子源、磁分析器、加速管、聚焦、掃描器和靶室等。離子注入機基本結構及工作原理示意圖退火 由於離子注入所造成的損傷區及畸變團，使遷移率和壽命等參數受到嚴重影響，而且大部分注入的離子並不是以替位的形式位於晶格上，為了啟動注入到襯底中的雜質離子，使不在晶格位置上的離子運動到晶格位置，以便具有電活性，產生自由載流子起到雜質的作用，並消除半導體襯底中的損傷，必須要在適當的溫度與時間下，對離子注入的矽片進行退火。

矽表面SiO2的簡單實現，是矽材料被廣泛應用的一個重要因素。本節中，將介紹SiO2的生長工藝及用途、氧化反應的不同方法，其中包括快速熱氧化工藝。另外，還簡單介紹本工藝中最重要的部分---反應爐，因為它是氧化、擴散、熱處理及化學氣相澱積反應的基本設備。4.4.1二氧化矽的性質、用途在半導體材料矽的所有優點當中，SiO2的極易生成是最大的有點之一。當矽表面暴露在氧氣當中時，就會形成SiO2。4.4氧化

結構、性質

SiO2膜的原子結構如圖所示。它是由一個矽原子被4個氧樣原子包圍著的四面體單元組成的。是一種無定型的玻璃狀結構，具體地說是一種近程有序的網狀結構，沒有長程有序的晶格週期。

儘管矽是一種半導體，但SiO2是一種絕緣材料。是矽器件製造中得到廣泛應用的一種膜層，因為SiO2既可以用來處理矽表面，又可以作為摻雜的阻擋層、表面絕緣層及作為器件中的絕緣部分。4.4.2表面鈍化無論採取什麼樣的措施，器件受污染的影響總是不可避免的。SiO2層在防止矽器件被污染方面起到了一個非常重要的作用。原因是SiO2密度非常高、非常硬，因此矽表面的SiO2層可以扮演一個污染阻擋層的角色。另一方面，SiO2對器件的保護是原於其化學特性。因為在製造過程中，無論工作室多麼潔淨，總有一些電特性活躍的污染物最終會

進入或落在矽片表面，在氧化過程中，污染物在表面形成新的氧化層，是污染物遠離了電子活性的矽表面。也就是說汙染物被禁錮在二氧化矽膜中，從而減小了污染物對器件的影響。4.4.3摻雜阻擋層

器件製造過程中的摻雜是定域（有選擇的區域）摻雜，那麼不需要摻雜的區域就必須進行保護而不被摻雜。如圖所示。實現掩蔽擴散的條件二氧化矽的早期研究主要是作為實現定域擴散的掩蔽膜作用，如上圖所示，在雜質向Si中擴散的同時，也要向SiO2層中擴散，設在Si中的擴散深度為在SiO2層中的擴散深度為式中：擴散時間，、分別表示雜質在SiO2和Si中的擴散係數，顯然要實現掩蔽擴散的條件是，即當雜質在矽中的擴散深度達到時雜質在SiO2中的擴散深度應

所以，氧化層厚度

由此可見，實現掩蔽擴散要求的SiO2厚度與雜質在SiO2和Si中的擴散係數有關，原則上講，只要能滿足上式不等式，就可起到雜質擴散的掩蔽作用，但實際上只有那些的雜質，用SiO2掩蔽才有實用價值，否則所需的SiO2厚度就很厚，既難於製備，又不利於光刻。但是，只要按照的條件選擇雜質種類，就可實現掩蔽擴散的作用。研究發現，B、P在SiO2中的擴散係數比在Si中的擴散係數小，所以。常常選擇B、P 作為擴散的雜質種類。而對於Ga、Al等雜質，情況則相反。值得注意的是，Au雖然在SiO2中的擴散係數很小，但由於在Si中的擴散係數太大，這樣以來橫向擴散作用也大，所以也不能選用。二氧化矽另外一個優點是在所有介質膜中它的熱膨脹係數與矽最接近。4.4.4表面絕緣層

SiO2作為絕緣層也是器件工藝的一個重要組成部分。作為絕緣層要求必須是連續的，膜中間不能有空洞或孔存在。另外要求必須有一定的厚度，絕大多數晶圓表面被覆蓋了一層足夠厚的氧化層來防止從金屬層產生的感應，這時的SiO2稱為場氧化物。如圖所示。4.4.5器件絕緣體從另一個角度講，感應現象就是MOS技術，在一個MOS三極管中，柵極區會長一層薄的二氧化矽（見圖）。這時的SiO2起的是介電質的作用，不僅厚度而且品質都要求非常嚴格。除此之外，SiO2也可用來做矽表面和導電表面之間形成的電容所需的介電質（見圖）。4.4.6器件氧化物的厚度應用在矽材料器件中的二氧化矽隨著作用的不同其厚度差別是很大的，薄的氧化層主要是MOS器件裏的柵極，厚的氧化層主要用於場氧化層，下麵的表列出了不同厚度範圍及其相對應的主要用途。4.4.6熱氧化機理半導體工藝中的二氧化矽大多數是通過熱生長氧化法得到的，也就是讓矽片（晶圓）在高溫下，與氧化劑發生反應而生長一層SiO2膜的方法，其化學反應式如下：

Si(固態)+O2(氣態)SiO2(固態)

化學反應非常簡單，但氧化幾理並非如此，因為一旦在矽表面有二氧化矽生成，它將阻擋O2原子與Si原子直接接觸，所以其後的繼續氧化是O2原子通過擴散穿過已生成的二氧化矽層，向Si一側運動到達介面進行反應而增厚的。通過一定的理論分析可知，在初始階段，氧化層厚度(X)與時間(t)是線性關係，而後變成拋物線關係。隨著每一個新的生長層出現，O2原子的擴散時間更長，這就意味著生長速率變慢，這一階段被稱為剖物線階段。因此，氧化層的生長會通過兩個階段：線性階段和剖物線階段，之間的變化依賴氧化溫度和其他因素。通常來說，小於1000埃的氧化受控於線性機理。這是大多數MOS柵極氧化的範圍。以上介紹的是幹氧氧化，氧化速率較慢。如果用水蒸氣代替氧氣做氧化劑，可以提高氧化速率，用水蒸氣氧化的工藝通常稱為濕氧氧化。其化學反應式如下：

Si(固態)+H2O(氣態)SiO2(固態)+2H2(氣態）氧化生長模式無論是幹氧或者濕氧工藝，二氧化矽的生長都要消耗矽，如圖所示。矽消耗的厚度占氧化總厚度的0.46，這就意味著每生長1µm的氧化物，就有0.46µm的矽消耗（幹、濕氧化略有差別）。4.5製備半導體器件工藝流程4.5.1

製備pn結二極體的主要工藝

4.5.2矽平面電晶體工藝流程

矽外延平面電晶體的基本工藝流程圖矽外延平面電晶體工藝流程剖面圖4.5.3MOS電晶體與MOS積體電路工藝流程MOS電晶體與MOS積體電路工藝流程第五章污染控制5.1概述在這一章中，將解釋污染對器件工藝、器件性能和器件可靠性的影響，以及晶片生產區域存在的污染類型和主要的污染源。同時也簡要介紹潔淨室規劃、主要的污染控制方法和晶片表面的清洗工藝等。5.2污染類型

微粒金屬離子化學物質細菌

微粒器件對污染物的敏感度取決於特徵圖形的尺寸和晶體表面沉積層的厚度。由於特徵圖形尺寸越來越小，膜層厚度越來越薄，所允許存在的微粒尺寸也必須控制在更小的尺度上。經驗告訴我們，微粒的大小要小於器件上最小特徵圖形尺寸的1/10。（就是說直徑為0.03微米的微粒將會損壞0.3微米線寬大小的特徵圖形。）否則會造成器件功能的致命傷害。金屬離子無論是單晶製造還是工藝過程中人為摻雜，在引入有用雜質的同時也不可避免地引入一些其他有害的雜質，特別是金屬雜質。並且是以離子形式出現的而且是移動的。當這些移動的離子超過一定數量時，同樣會引起器件的失效。因此，這些可移動的離子必須控制在一定範圍內。除此之外，鈉也是最常見的可移動離子污染物，而且移動性最強，因此，對鈉的控制也成為晶片生產的首要目標。可移動污染物問題特別是對MOS器件影響更為明顯，因為MOS器件是表面電荷控制器件。化學品器件生產過程中化學品的應用是不可避免的，有些化學品將導致晶片表面受到不必要的刻蝕，或者生成無法除去的化合物等，氯就是其中之一的污染物，所以，工藝過程中用到的化學品氯的含量必須受到嚴格控制。細菌主要來源於水中，是一種生成物。細菌一旦形成，會成為顆粒狀污染物或給器件表面引入不希望的金屬離子。污染的影響器件工藝的良品率器件性能器件的可靠性5.3污染源

下麵將討論對器件生產中產生影響的各類污染的來源、性質及其控制。從LSI出現以來，污染控制就突現出來它的重要性。如今污染控制本身已成為一門科學，是製造半導體器件必須掌握的關鍵技術之一。5.3.1普通污染源實際上晶片生產過程中任何與產品相接觸的物質都是潛在的污染源。主要有：

空氣廠房設備工作人員使用的水化學溶劑化學氣體靜電5.3.2空氣普通空氣中含有許多污染物，主要是可在空氣中傳播的顆粒（一般是微粒或浮塵），顆粒的相對尺寸如下圖所示（單位是：微米）。這些微小顆粒的主要問題是在空氣中長時間漂浮。而潔淨工作室的潔淨度就是由空氣中的微粒大小和微粒含量決定的。美國聯邦標準209E規定空氣品質由區域空氣級別數來決定的。標準按兩種方法設定，一是顆粒的大小，二是顆粒的密度。而級別數是指在一立方英尺中含有直徑為0.5微米或更大的顆粒總數。一般城市空氣中通常包含煙、霧、氣，每立方英尺多達500萬個顆粒，所以是500萬級。圖5.6顯示了標準209E規定的顆粒直徑與顆粒密度的關係。不同環境下潔淨級別數與對應的顆粒大小5.3.3淨化空氣的方法

潔淨室的設計是要使生產免污染晶片的能力更完整化。設計時的主要思路是保持加工車間中空氣的潔淨。另外提高生產自動化水準也是降低污染的一種有效方法。共有4種不同的潔淨室設計方法：潔淨工作臺隧道型設計完全潔淨室微局部環境具體就不作詳細的介紹，下麵通過幾組圖片的流覽使大家有個初步的印象。5.4.3人員產生的污染工作區人員也是最大的污染源之一。即使一個經過風淋的潔淨室操作員，當他坐著時，每分鐘也可釋放10萬到100萬個顆粒，當人員移動時，這個數字還會大幅增加。這些顆粒都是來自脫落的頭髮和壞死的皮膚。其他的顆粒源還有象化妝品、染發劑和暴露的衣服等。圖5.18列出了從不同操作人員的動作中產生的污染物的水準。5.4.4工藝用水