芯片制造-半导体工艺与设备教学课件完整版

1.5 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片。
第四章 芯片制造
概述： 芯片生产工艺主要有4种最基本的平面制造工艺，分别
是：薄膜制备工艺、光刻与刻蚀工艺、掺杂工艺、热处理 工艺
4.1薄膜制备
淀积
钝化层
是在晶体表面形成薄膜的
加工工艺。右图是MOS晶体管的
淀积 金属膜
剖面图，可以看出上面有钝化
层(Si3N4、Al2O3)、金属膜(Al)、氧生化长层
下卡盘
3.3 晶体外延生长技术
外延是一种采取化学反应法进行晶体生长的另一种技术。 在一定条件下，以衬底晶片作为晶体籽晶，让原子（如硅原 子）有规则地排列在单晶衬底上，形成一层具有一定导电类 型、电阻率、厚度及完整晶格结构的单晶层，由于这个新的 单晶层是在原来衬底晶面向外延伸的结果，所以称其为外延 生长，这个新生长的单晶层叫外延层。最常见的外延生长技 术为化学气相淀积（CVD）和分子束外延生长（MBE）。
封装 良品芯片
被封装 并测试
良品
3 晶圆制备
概述： 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆，
最早使用的是1英寸(25mm)，而现在12英寸（300mm） 直径的晶圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大， 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 晶圆生产的一个挑战。
• 外延生长的基本原理
氢还原四氯化硅外延生长原理示意图
• 硅的CVD外延 化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上 淀积一层薄膜材料的过程。
CVD反应器的结构示意图
• 分子束外延 分子束外延（MBE）是在超高真空条件下一个或多个热 原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方法 。
砷化镓相关的Ⅲ-Ⅴ族化合物的MBE系统示意图
3.4 晶体缺陷及对器件质量的影响
缺陷主要有： 点缺陷 位错(原生的和诱生的)
点缺陷
穴位
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 位错是单晶内部一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ晶胞排错
位置所制(如图所示)..
原生位错是晶体中固有的位错，而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
随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质 量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在 市场中的需求比例将日益加大。目前，硅片主流产品 是 200mm，逐渐向300mm过渡，研制水平达到400mm～ 450mm。据统计，200mm硅片的全球用量占60%左右， 150mm占20%左右，其余 占20%左右。
好处：
常 温 下 SiHCl3 与 SiCl4 都 是 气 态 ， SiHCl3 的 沸 点 仅 为 31℃
精馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4
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④还原
多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：
SiCl4 + 2H2
→
Si + 4HCl
SiHCl3 + H2 →
Si + 3HCl
4.2.2 光刻工艺流程
曝光、显影、刻蚀(或淀积)是光刻过程中的三个最主要步骤。
4.2.3 涂胶
把硅片放在一个平整的金属托盘上，有小孔与真空管相连，硅片就被吸 在托盘上，硅片与托盘一起旋转。
涂胶工艺步骤： ①将光刻胶溶液喷洒到硅片表面上； ②加速旋转托盘(硅片)，直至达到需 要的旋转速度； ③达到所需的旋转速度后，保持一定 时间的旋转。
薄膜；其它则可看成是
生长 法
淀积 法
间接生长法-----
氧化工艺
化学气相淀积工艺
制备薄膜所需的原子或分子，
氮化硅 工艺
蒸发工艺
由含其组元的化合物，通过氧化、
溅射
还原、热分解等反应而得到。
薄膜分类/工艺与材料的对照表
层别 绝缘 层
半导体层
导体 层
热氧 化 工艺
二氧化硅
化学气相 淀积工艺
二氧化硅 氮化 硅
• 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，将此定义为制造复 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18～24个月将翻 一番，这就是这著名的摩尔定律。
• 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。
氧化层(SiO2)
N
N
P
制备这些薄膜的材料有：半导体材料（ Si、GaAs
等），金属材料（Au、Al等），无机绝缘材料（SiO2 、 Si3N4 、Al2O3等），半绝缘材料（多晶硅、非晶硅等）。
生长工艺如图所示。 其中蒸发工艺、溅射等
增层的 制程
可看成是直接生长法------
以源直接转移到衬底上形成
真空管
1.2 固态器件
• 固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。
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。
第二章 器件的制造步骤
• 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.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
制造
电性测试 （芯片分捡）
在晶圆 上制造 单个 电路
每个电路 进行电 测试
第四步 封装
• 分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其方 法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长 的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体 内）。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能 在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶 体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的 是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长 温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系 统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
随着集成电路的集成度不断提高，器件的特征尺寸不断 减小，期望进一步缩小光刻图形的尺寸。
目前先进的加工线宽4~8nm的加工技术。
4.2.1 ULSI中对光刻的基本要求
① 高分辨率。通常把线宽作为光刻水平的标志，线宽越来越细，要求 光刻具有高分辨率。 ② 高灵敏度的光刻胶。光刻胶的灵敏度通常是指光刻胶的感光速度。 光刻胶灵敏度提高，曝光时间短，但往往使光刻胶的其他属性变差。 ③ 低缺陷。在集成电路芯片的加工进程中，如果在器件上产生一个缺 陷，即使缺陷的尺寸小于图形的线宽，也可能会使整个芯片失效。 ④ 精密的套刻对准。集成电路芯片的制造需要经过多次光刻，在各次 曝光图形之间要相互套准。通常要采用自动套刻对准技术。 ⑤ 对大尺寸硅片的加工。为了提高经济效益和硅片利用率，一般在一 个大尺寸硅片上同时制作很多个完全相同的芯片。对于光刻而言，在大 尺寸硅片上满足前述的要求难度更大。
外延单 晶硅 多晶 硅
蒸发工艺
铝 铝 / 硅合金 铝铜合金 镍铬铁合金 黄金
溅射工艺 二氧化硅 一氧化硅
钨 钛 钼 铝 / 硅合金 铝铜合金
4.2 光刻
光刻是集成电路工艺中的关键性技术。在硅片表面涂上 光刻胶薄层，经过光照、显影，在光刻胶上留下掩模版的图 形。
在集成电路制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选 定区域进行刻蚀，或进行离子注入，形成器件和电路结构。
籽晶
晶体 砷化 镓 熔化 物
氧化硼层
3.2.3 区熔法
主要用来生长低氧含 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。
惰性气体 （氩气）
滑动射 频线圈
籽晶
行进 方向
通入惰性气体
上卡盘 多晶硅棒
熔融区
• 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。
3.5 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 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。
3.2.1 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：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
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。
切片就是用有金刚石涂层的内圆刀片把晶片从晶体上 切下来。
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----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 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。
3.1 制备过程
（1）获取多晶
①冶炼 SiO2 + C → Si + CO↑ 得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进 一步提纯。 ②酸洗 硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水， HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。
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③精馏提纯
将酸洗过的硅转化为SiHCl3或 SiCl4， Si + 3HCl （g） → SiHCl3 ↑ + H2 ↑ Si + 2Cl2 → SiCl4 ↑
原因：
氢气易于净化，且在Si中溶解度极低
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（2）单晶生长
定义: 把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N 型或P型掺杂，叫做晶体生长。
按制备时有无使用坩埚分为两类： 有坩埚的：直拉法、磁控直拉法液 体掩盖直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 。
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3.2 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 多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定向和适量的N 型或P型掺杂，叫做晶体生长。有三种不同的生长方法： 直拉法 区熔法 液体掩盖直拉法
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。如图所示。右图是用平面技 术制造的晶体管
坪区 -V
输出
+V
1.4 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尺寸来制造器件和 电路，并使之具有更高的密度，更多的数量和更高的可靠 性。
芯片制造-
半导体工艺与设备
目录
• 第一章：半导体产业介绍 • 第二章：器件的制造步骤 • 第三章：晶圆制备 • 第四章：芯片制造 • 第五章：污染控制 • 第六章：工艺良品率
第一章 半导体产业介绍
• 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。