半导体制造工艺课件

半導體製造工藝

1.1引言圖1-1積體電路組成的抽象結構圖1.1引言圖1-2典型的半導體晶片的製造流程1.2基本半導體元器件結構圖1-3由二極體、MOS場效應電晶體和電阻組成的SRAM電路圖1.2基本半導體元器件結構1.2.1無源元件結構1.積體電路電阻的結構圖1-4積體電路中電阻的結構1.2基本半導體元器件結構圖1-5利用基區、發射區擴散形成電阻的結構1.2基本半導體元器件結構圖1-6外延層電阻結構1.2基本半導體元器件結構圖1-7MOS積體電路中的多晶矽電阻1.2基本半導體元器件結構圖1-8積體電路中電容的結構2.積體電路電容結構1.2基本半導體元器件結構圖1-9PN結電容結構1.2基本半導體元器件結構圖1-10MOS場效應電晶體電容結構1.2基本半導體元器件結構1.2.2有源器件結構有源器件，如二極體和電晶體與無源元件在電子控制方式上有很大差別，可以用於控制電流方向，放大小的信號，構成複雜的電路。這些器件與電源相連時需要確定電極（+或-）。工作時利用了電子和空穴的流動。

1.二極體的結構圖1-11積體電路中二極體的基本結構1.2基本半導體元器件結構圖1-12積體電路中二極體的結構1.2基本半導體元器件結構圖1-13電晶體的基本結構2.電晶體的結構1.2基本半導體元器件結構圖1-14MOS管的結構圖和示意圖3.場效應電晶體的結構1.2基本半導體元器件結構圖1-15CMOS反相器電路的電路圖、頂視圖和剖面圖4.CMOS結構1.3半導體器件工藝的發展歷史圖1-16生長型電晶體生長示意圖1.3半導體器件工藝的發展歷史圖1-17合金結結型電晶體示意圖1.3半導體器件工藝的發展歷史圖1-18臺面型結型電晶體示意圖1.3半導體器件工藝的發展歷史圖1-19矽平面結型電晶體示意圖1.4積體電路製造階段1.4.1積體電路製造的階段劃分

半導體積體電路製造一般包括以下幾大部分：矽片（晶圓）的製備、掩膜版的製作、矽片的製造及元器件封裝，如圖1⁃20所示。值得一提的是半導體製造的各個部分並不是由一個工廠來完成的，而是由不同的工廠分別來完成，也就是說矽片製備有專門的製造企業，製備矽片的企業並不進行矽片的製造，它只為矽片製造廠提供矽片，而矽片製造廠從矽片製備廠買來所需要的矽片，進行矽片製造，而製造中所用到的掩膜版也由專門的生產企業來提供，矽片製造完成的晶片的封裝也不由矽片製造企業完成，而是由封裝企業來完成，這樣做可以減少設備的維護費用。1.4積體電路製造階段圖1-20半導體晶片的製造框圖1.4積體電路製造階段矽片製備將矽從沙中提煉並純化，形成半導體級的多晶矽。晶片製造矽片到達矽片製造廠，經過清洗、成膜(氧化、澱積)、光刻、刻蝕和摻雜(擴散、離子注入)等主要工藝之後，加工完成的矽片具有永久刻蝕在矽片上的完整的積體電路。圖1-21半導體晶片製造的關鍵工藝1.4積體電路製造階段(3)掩膜版製作掩膜版中包括構成晶片的各層圖形結構，現在最常用的掩膜版技術是石英玻璃塗敷鉻，在石英玻璃掩膜版表面的鉻層上形成晶片各層結構圖形。

(4)裝配與封裝晶片製造完成後，封裝之前晶片要經過測試/揀選進行單個晶片的電學測試，揀選出合格晶片和不合格晶片，並作出標識，合格晶片包裝在保護殼體內。

(5)終測為了確保晶片的功能，要對每個被封裝的積體電路進行測試，以保證晶片的電學和環境特性參數滿足要求，即保證發給用戶的晶片是合格晶片。

1.4積體電路製造階段圖1-22世界上第一塊積體電路1.4.2積體電路時代劃分1.4積體電路製造階段表1-1積體電路時代劃分1.4積體電路製造階段1.4.3積體電路製造的發展趨勢電子器件中不論是電子管還是電晶體，一般都具有這樣的特點：隨著它們結構尺寸的縮小，將會使工作速度增加，使功耗降低，其結果是使速度提高與電晶體的尺寸縮小的同時，積體電路的性能將獲得改善。同時，由於尺寸的減小，有可能容納更多的元器件，從而通過提高集成度，擴大功能。就可靠性來考慮，隨著集成規模的增大，使印製電路板上的焊點數減少，從而使每個元器件的故障率降低。

(1)提高晶片的性能晶片的性能一般包括兩方面的內容，一是晶片的工作速度，二是晶片工作過程中的功耗。1.4積體電路製造階段表1-21μm以下產業的技術節點列表(2)提高晶片的可靠性晶片的可靠性主要指晶片壽命。

(3)降低晶片的成本半導體晶片的價格一直持續下降。1.5半導體製造企業(1)設計/製造企業許多企業都集合了晶片設計和晶片製造，從晶片的前端設計到後端加工都在企業內部完成。

(2)代工企業在晶片製造業中，有一類特殊的企業，專門為其他晶片設計企業製造晶片，這類企業稱為晶圓代工廠。1.6基本的半導體材料1.6.1矽——最常見的半導體材料20世紀50年代初期以前，鍺是半導體工業應用得最普遍的材料之一，但因為其禁帶寬度較小（僅為0．66eV），使得鍺半導體的工作溫度僅能達到90℃（因為在高溫時，漏電流相當高）。鍺的另一個嚴重缺點是無法在其表面形成一穩定的且對摻雜雜質呈鈍化性的氧化層，如二氧化鍺（GeO2）為水溶性，且會在800℃左右的溫度自然分解。相比而言，矽的禁帶寬度較大（1．12eV），矽半導體的工作溫度可以高達200℃。矽片表面可以氧化出穩定且對摻雜雜質有極好阻擋作用的氧化層（SiO2），這個特性使得矽在半導體的應用上遠優於鍺，因為氧化層可以被用在基本的積體電路結構中。1.6基本的半導體材料1980年以後半導體界曾對GaAs的應用產生極高的期待，這是因為GaAs具有更高的電子遷移率，而且具有直接禁帶寬度，但因為高品質及大尺寸的GaAs不易獲得，所以終究無法取代矽單晶材料在半導體業的地位。

(1)矽的豐裕度矽是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%，經合理加工，矽能夠提純到半導體製造所需的足夠高的純度，而消耗的成本比較低。

(2)更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限矽的熔點是1412℃，遠高於鍺937℃的熔點，更高的熔點使得矽可以承受高溫工藝。

(3)更寬的工作溫度範圍用矽製造的半導體器件可以工作在比鍺製造的半導體器件更寬的溫度範圍，增加了半導體器件的應用範圍和可靠性。1.6基本的半導體材料(4)氧化矽的自然生成矽表面有能夠自然生長氧化矽(SiO2)的能力，SiO2是一種高質量、穩定的電絕緣材料，而且能充當優質的化學阻擋層以保護矽不受外部沾汙。圖1-23純矽的Si原子共價鍵示意圖1.6基本的半導體材料圖1-24矽的電阻率隨摻雜濃度的變化1.6基本的半導體材料1.6.2半導體級矽對用來做晶片的矽片要求有很高的純度，還要求其原子級的微缺陷減小到最小，這些缺陷對半導體性能是非常有害的，還要求矽片具有想要的晶向、適量的摻雜濃度。用來做晶片的純矽被稱為半導體級矽，是從天然矽中提煉出的多晶矽。多晶矽經過拉單晶製成單晶矽，晶片就是製作在這種很高純度並具有一定的摻雜濃度和一定的晶向的單晶矽矽片上。

1.6基本的半導體材料1.6.3單晶矽生長半導體級矽是多晶矽，半導體晶片加工需要純淨的單晶矽結構，這是因為單晶矽具有重複的晶胞結構，能夠提供製作工藝和器件性能所要求的電學和機械性能。晶體缺陷就是在重複排列的晶胞結構中出現的任何中斷。晶體缺陷會影響半導體的電學性能，包括二氧化矽介質擊穿和產生漏電流等。隨著器件尺寸的縮小，更多的電晶體集成在一塊晶片上，缺陷出現在晶片敏感區域的可能性就會增加，這樣就會使IC器件的成品率受到影響。要將多晶矽轉換成單晶矽有兩種技術，它們是直拉法即Czochralski(CZ)法和區熔法。

(1)直拉法直拉法生長單晶矽是將熔化了的半導體級多晶矽變成有正確晶向並被摻雜成N型或P型的固體矽錠。1.6基本的半導體材料圖1-25CZ法拉單晶爐示意圖1.6基本的半導體材料圖1-26用CZ法生長的矽錠1.6基本的半導體材料(2)區熔法區熔法是另一種單晶生長方法，它所生產的單晶矽中含氧量非常少，能生產目前為止最純的單晶矽。圖1-27區熔法單晶生長設備示意圖1.6基本的半導體材料圖1-28矽片加工製備的基本流程1.6基本的半導體材料1.6.4其他半導體材料積體電路的關鍵性能指標是速度。無線和高速數字通信、空間應用和汽車工業的消費市場，正孕育著特殊的半導體市場。市場對積體電路性能的要求超越了矽半導體產品的承受能力，這就推動了其他半導體材料的發展。1.7半導體製造中使用的化學品1.液態化學品的主要特徵及其輸送表1-3半導體製造過程中常用的酸1.7半導體製造中使用的化學品表1-4半導體製造過程中常用的堿表1-5半導體製造過程中常用的溶劑1.7半導體製造中使用的化學品2.氣態化學品的主要特徵及其輸送圖1-29特種氣體鋼瓶1.7半導體製造中使用的化學品表1-6半導體製造中常用的通用氣體1.7半導體製造中使用的化學品表1-6半導體製造中常用的通用氣體1.7半導體製造中使用的化學品表1-7半導體製造中常用的特種氣體1.7半導體製造中使用的化學品3.等離子體等離子體，又叫做電漿，是被電離後的氣體，即以離子態形式存在的氣體(正離子和電子組成的混合物)。它廣泛存在於宇宙中，常被視為是除去固、液、氣之外，物質存在的第四態。在自然界裏，火焰、閃電、太陽等都是等離子體。等離子體有以下兩個特點：①等離子體呈現出高度不穩定態，有很強的化學活性。等離子體輔助CVD就是利用了這個特點。②等離子體是一種很好的導電體，利用經過設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。這兩個特點在後面的工藝中得到很好的利用。等離子體的產生方法有輝光放電、射頻放電和電暈放電等。1.8晶片製造的生產環境1.8.1淨化間沾汙類型

淨化間沾汙類型可以分為5大類：顆粒、金屬雜質、有機物沾汙、自然氧化層和靜電釋放。

1.顆粒圖1-30顆粒引起的缺陷1.8晶片製造的生產環境2.金屬雜質

3.有機物沾汙

4.自然氧化層

5.靜電釋放

1.8.2污染源與控制

應嚴格控制矽片加工生產廠房裏的各種沾汙，