1、芯片制造半导体工艺实用教程第一章 半导体产业介绍 概述概述 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
2、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 故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
3、示。右图是用平面技术制造的晶体管坪区输出-V+V1.4 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更小尺寸尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度高的密度，更多的数量更多的数量和更高的可靠性更高的可靠性。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，特征尺寸，将此定义将此定义为制造复杂性水平的标准。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。Gordon Moore在1964年预言IC的密度每隔1824个月将翻一番，-摩尔定律。摩尔定律。年（元件芯片）/水平缩写单位芯片内的器件数小规模
4、集成电路中规模集成电路大规模集成电路特大规模集成电路超大规模集成电路SSIMSILSIVLSIULSI2 5050 50005000 100 000100 000 1 000 000 1 000 000 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
5、片。1.6 1.6 器件制造器件制造 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 3.3.芯片制造芯片制造 4.封装材料准备晶体生长与晶圆准备晶圆制造封装第一步 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 封装每个电路进行电测试制造在晶圆上制造单个电路电性测试（芯片分捡）封装良品芯片被封装并测试良品第二章第二章 半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料 目前用于制造半导体器件的材料有：元素半导体（Si Ge）化合物半导体（GaAs InSb）本征半导体：本征半导体：不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（810个9）。掺杂半导体：掺杂半
6、导体：半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷(P)或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍。硅的电阻率与掺杂（载流子）浓度的关系电子和空传导穴电子和空传导穴用砷来做N型掺杂的硅 用硼来做P型掺杂的硅多出的电子空穴N型半导体中的电子传导 P半导体中的空穴传导 电子方向空穴方向tttt掺杂半导体的特性N 型P 型1.电导电子空穴2.性极负正3.杂术语掺4.硅中掺杂在授主受主砷、磷、锑硼 化合物半导体化合物半导体 化合物半导体由元素周期表中的第族、第族、第族、第族形成。其中用的最多的是砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）等。主要用来制作发光二极管发光二极管和微波器件微波器
7、件。化合物半导体的特点：化合物半导体的特点：1、载流子的迁移率比硅高，这种特性使得在通信系统中比Si器件更快的响应高频微波并有效地把它们转变为电流。2、抗辐射能力强。3、制造成本较Si大，而且没有天然的氧化物。对材料的要求：对材料的要求：由于诸如材料的结构、获得的方法及各自的作用，加上杂质、缺陷对器件性能的影响，对他们的要求也不尽相同，对常用的Si、Ge、GaAs其选用的指标主要有：1、导电类型（P型或N型）2、电阻率 3、少子寿命 4、晶格的完整性（晶体缺陷要求少于一定数 量）5、纯度高（对要求以外的其它杂质越少越好）6、晶向（因为晶体的各向异性，所以不同的器 件要求的晶向不同）第三章第三章
8、 晶园制备晶园制备3.1 概述概述 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，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。3.2 晶体生长晶体生长 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。把多晶块转变把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定向和适量的成一个大单晶，并
9、给予正确的定向和适量的N N型或型或P P型掺杂，叫做晶体生长型掺杂，叫做晶体生长。有三种不同的生长方法：直拉法直拉法 区熔法区熔法 液体掩盖直拉法液体掩盖直拉法 3.2.1 直拉法直拉法 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：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。旋转卡盘籽晶生长晶体射频加热线圈熔融硅3.2.2 液体掩盖直拉法液体掩盖直拉法 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。籽晶晶体砷化镓
10、熔化物氧化硼层3.2.3 区熔法区熔法 主要用来生长低氧含量的晶体低氧含量的晶体，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。通入惰性气体惰性气体（氩气）上卡盘多晶硅棒下卡盘熔融区籽晶滑动射频线圈行进方向 几种工艺的比较几种工艺的比较3.3 晶体缺陷及对器件质量的影响晶体缺陷及对器件质量的影响 缺陷主要有：点缺陷点缺陷 位错位错(原生的和诱生的)点缺陷点缺陷 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 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制(如图所
11、示).原生位错原生位错是晶体中固有的位错，而诱生位错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。穴位3.4 晶片加工晶片加工 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。磨片磨片-是一个传统的磨料研磨工艺之前之后磨片抛光化学机械抛光 抛光抛光 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。
