半导体工艺简介及市场概况

Ge GaAs
半导体材料特性：
掺杂性 在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质， 其导电能力将会成百万倍地增加，如半导体二极管、三极 管等。 热敏性 在一些情况下温度变化20倍，电阻率变化可 达百万倍以上。 光敏性 在光的照射下，电路中产生电流或电流变化。 半导体光电效应分为两类，一种光照改变电阻值，称为内 光电效应，一种光照下产生一定的电动势，称为阻挡层光 电效应。 另外，半导体还具有负电阻率温度特性：半导体材料 在受热后电阻率随温度升高而迅速减小；压阻效应：半导 体在受到压力后能带结构发生相应变化，从而电阻发生变 化；磁敏感特性：半导体在磁场中会产生霍尔效应、磁阻 效应等，热电效应：是指把热能转变为电能的过程，其中 最重要的是温差电现象等其他特性。
第2部分 芯片制作
2.1 氧化层生长
• Oxidation Layering
– 氧化层生长就是在晶园表面生长出一层二氧化 硅。这个反应需要在1000°C左右的高纯氧气 环境中进行。
2.2 关于光刻 Photo
Photo的机器成本
– 在半导制程中，Photo是非常重要的一个环节， 从整个半导体芯片制造工厂的机器成本来看， 有近一半都来自Photo。
三 半导体发展简史
1947年 1950年 1954年 1958年至1959年 贝尔实验室发明第一支晶体管 制成具有PN结的锗晶体管 贝尔实验室的Chapin等人发表PN结硅太阳能电池 德州仪器公司的Kilby和仙童半导体公司的Noyce分别单 独发明了在锗和硅衬底上集成数个晶体管和电阻、电容 的集成电路 Hall等人研制成功第一个半导体激光二极管。 贝尔实验室发明互补式金属氧化物半导体场效应晶体管 （CMOS）器件 摩尔定律问世 IBM公司发明动态随机存储器DRAM
1.4 晶园抛光
• Lapping & Polishing
– 切片结束之后，真正成型的晶园诞生。 – 此时需要对晶园的表面进行一些处理——抛光。 – 主要的步骤有以下几步：
• • • • 机械研磨(使用氧化铝颗粒) 蚀刻清洗(使用硝酸、醋酸、氢氧化钠) Wafer抛光(化学机械研磨，使用硅土粉) 表面清洗(氨水、过氧化氢、去离子水)
• 光阻涂布的是否均 匀直接影响到将来 线宽的稳定性。 • 光阻分为两种：正 光阻和负光阻。 • 一般而言通常使用 正光阻。只有少数 层次采用负光阻。
• 曝光
– Exposure
• 曝光动作的目的是将光罩上的图形传送到晶园上。 • 0.13um，0.18um就是这样做出来的。 • 曝光所采用的机台有两种：Stepper和Scanner。
半导体材料的分类
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特 殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。 可分为：元素半导体 无机化合物半导体、 有机化合物半导体 非晶态与液态半导体 固溶体半导体 超晶格半导体等 按半导体制造技术可分为：集成电路器件，分立器件、 光电半导ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类
1962年 1963年 1965年 1966年
1970年
1998年 2004年
英特尔发明第一个微处理器4004
IBM公司与日本NEC公司合研制成功碳纳米管晶体管 （CNT） 杨福良等人研制成功栅长仅为5nm的纳米线FinFET器件
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四 半导体材料的基本制程
• 晶园制作 – Wafer Creation • 芯片制作 – Chip Creation • 后封装 – Chip Packaging
• 左图是当今 市场占有率 最高的ASML 曝光机。
• Stepper和Scanner的区别
– 步进式和扫描式
• 按照所使用光源来区分曝光机
– g-Line 436nm – h-Line 405nm – i-Line 365nm – KrF 248nm – ArF 193nm – X-Ray (Maybe Not Use)
• Metal Deposition
– 一般来说，采用Physical Vapor Deposition (PVD；物理气相沉积)的方法制作金属薄膜。 – 这里面的金属薄膜包括：Aluminum(铝), Gold (金) and Tungsten(钨)。
– 金属层用于在半导 体元器件中制造通 路，当然，离不开 Photo的配合。
二 半导体材料的几种制备技术
分子束外延技术（MBE） 在超高真空条件下，由分子束源产生的分子束不受碰撞 地直接喷射到受热的洁净衬底表面，在表面上迁徙，吸附 或通过反射或脱附过程离开表面，生长出高质量的材料。 金属有机化学汽相淀积技术（MOCVD） 使用氢气将金属有机化合物蒸汽和气态非金属氢化物送 入反应式加热的衬底上，通过热分解反应而最终在其上生 长出外延层。 半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制备技术 利用MBE 或MOCVD等技术首先生长半导体微结构材料如 AlGaAs/GaAs2DEG等，进而结合高空间分辨电子束曝光直 写，湿法或干法刻蚀和聚焦离子束注入隔离制备纳米量子 线和量子点，即常说的所谓自上而下的制备技术。 应变自组装纳米量子点线结构生长技术 主要用于描述具有较大晶格失调而界面能较小的一支结 构材料生长行为。
2.3 Photo的具体步骤
• 光刻胶涂布
– Photo Resist Coating
• 曝光
– Stepper/Scanner Exposure
• 显影和烘烤
– Develop & Bake
• （光刻胶）光阻涂布
– Photo Resist Coating
• 在Photo，晶园的第一部操作就是涂光阻。 • 光阻是台湾的翻译方法，大陆这边通常翻译成光刻胶。 • 光阻涂布的机台叫做Track，由TEL公司提供。
• Crystal Pulling 2
1.3 晶园切片
6’ Wafer • Wafer Slicing
–
即6’的晶园通常采用所谓“平边” 的方法来标识晶向。 单晶硅具有统一的晶向， 8’ Wafer 在把单晶硅切割成单个晶 即8’的晶园采用Notch 园 的时候，首先 12(Wafer) ’, 16’,…… Wafer 采用Notch 要在单晶硅锭上做个记号
• 酸蚀刻要使用到多种酸剂，例如：腐蚀 SiO2需要用氢氟酸；去除光刻胶需要用到 硫酸。
2.5 清洗甩干
• Spin Rinse Dry 晶园本身很脆而且易碎。 所以在半导体厂使用真空吸 盘来抓取晶园。 几乎在每一步的操作后， 都需要对晶园进行清洗。清
洗晶园采用的物质通常 是：
• DI Water (去离子水) 用于 清洗。 • 高纯度的氮气，用于吹干 晶园。
• Poly Silicon Creation 2 多晶硅制造工艺
采用一种叫做Trichlorosilane的物质 (SiHCl3)作为溶剂，氢气作为反应环境，在钽 (tantalum)电热探针指引下，经过初步提炼使硅 形成晶体。 这种过程需要多次，硅的纯度也随着这个过 程而进一步被提高。最后生成多晶硅的硅锭。
• Metal Etch
– 金属蚀刻用于制作芯片中的金属导线。 – 导线的形状由Photo制作出来。 – 这部分工作也使用等离子体完成。
2.8 薄膜生长
• 金属沉积
– Metal Deposition
• 铜制程沉积
– Copper Deposition
• 化学气相沉积
– Chemical Vapor Deposition
1.5 晶园外延生长
• Wafer Epitaxial Processing
– 经过抛光，晶园表面变得非常平整，但是这个 现在大都以MOCVD来生产：（对于GaAs衬底） 其过程首先是将GaAs衬底放入昂贵的有机化学汽相沉积炉 时候还不能交付使用。 （简MOCVD，又称外延炉），再通入III、II族金属元素的烷基 – 半导体工业使用的晶园并不是纯粹的硅晶园， 化合物（甲基或乙基化物）蒸气与非金属 (V或VI族元素）的氢 化物（或烷基物）气体，在高温下，发生热解反应，生成 而是经过掺杂了的N型或者P型硅晶园。III-V或 II-VI族化合物沉积在衬底上，生长出一层厚度仅几微米（1毫米 – ＝做完这一步，晶园才可以交付到半导体芯片制 1000微米）的化合物半导体外延层。长有外延层的GaAs片也 就是常称的外延片。 作工厂。
• Photo是半导体制程最主要的瓶颈
– Photo制约了半导体器件——线宽。
• 光罩制作
– Mask Creation
• Photo的工作和照相类似，它所使用的“底片”就是 光罩，即Mask，通常也被称为Reticle。 • 光罩就是一块玻璃板，上面由铬(Cr)组成图形，例 如线条、孔等等。 • 光罩上的图形信息由CAD直接给出，这些CAD的信 息(即半导体芯片的设计)由Design House提供。
第1部分 晶园制作
1.1 多晶生成
• Poly Silicon Creation 1
1 目前半导体制程所使用的主要原料就是晶园 (Wafer)，它的主要成分为硅(Si)，而富含硅的 物质非常普遍，如沙子(Sand)，它的主要成分 为二氧化硅(SiO2)。 2 将沙子经过初步的提炼，获得具有一定纯度的 硅，再经过一些步骤提高硅的纯度，即可得到 半导体制程所使用的非常高纯度的硅。 3 之后便是生成多晶硅(Poly Silicon)。
• Copper Deposition
– 通常，半导体器件中的导线采用的是铝。 – 铜导线比铝导线具有更多的优越性。
• 铜导线电阻比铝导线小40%，这样采用铜导线的器 件要快15%。 • 铜导线不易因为ESD而导致器件破坏。它能够承受 更强的电流。
– 采用铜导线的困难：
• 当铜和硅接触的时候，会在硅中发生非常快速的扩 散。 • 这种扩散还将改变制作在硅上面半导体三极管的电 学特性，导致三极管失效。