芯片制造-半导体工艺制程实用教程-学习笔记

           2 / 41  第一章半导体工业1、电子数字集成器和计算器（ENIAC）18000个真空三极管，70000个电阻，10000个电容，6000个开关，耗电150000W，成本约400000美元重30吨，占地140平方米宾夕法尼亚的摩尔工程学院于1947年进行公开演示；2、晶体管（transistor）－传输电阻器。JohnBardeen,WalterBrattin,WilliamShockley共同荣获1956年诺贝尔物理奖；3、每个芯片中只含有一个器件的器件称为分立器件（晶体管、二极管、电容器、电阻器）4、集成电路（integratedcircuit）平面技术（planartechnology）Kilby&Noyce共同享有集成电路的专利；5、集成电路中器件的尺寸（特征图形尺寸－微米）和数量时IC发展的两个共同标志。集成度水平（integrationlevel）的范围：小规模集成电路SSI2－50（单位芯片内的器件数）芯片边长约为100mils中规模集成电路MSI50－5000（单位芯片内的器件数）大规模集成电路LSI5000－100000（单位芯片内的器件数）特大规模集成电路VLSI100000－1000000（单位芯片内的器件数）超大规模集成电路ULSI1000000（单位芯片内的器件数）芯片每边长约为500mils储存器电路由其存储比特的数量来衡量；逻辑电路的规模经常用栅极的数量来评价；6、1960年1英寸直径晶圆；8英寸（约200毫米）12英寸（约300毫米）1英寸=           3 / 41  25.3mm7、特征尺寸的减小和电路密度的增大带来了很多益处。在电路的性能方面时电路速度的提高、传输距离的缩短，以及单个器件所占空间的减小使得信息通过芯片时所用的时间缩短；电路密度的提高还使芯片或电路耗电量更小；8、成本降低和性能提高这两个因素推动了固态电子在产品中的实用；据估计到2008年全世界工业生产的晶体管将达到每个人10亿个；9、电子工业可分为两个主要部分：半导体和系统（产品），涵盖印刷电路板制造商；半导体产业由两个主要部分组成：一部分是制造半导体固态器件和电路的企业，生产过程称为晶圆制造（waferfabrication）,在整个行业有三种类型的芯片供应商，一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一种是做设计和晶圆市场的公司，他们从晶圆工厂购买芯片；还有一种是晶圆代工厂，它们可以为顾客生产多种芯片10、固态器件的制造阶段：材料准备－晶体生长与晶圆准备－晶圆制造（前线工艺FEOL和后线工艺BEOL）－封装二氧化硅（沙子）－含硅气体－硅反应炉－多晶硅11、场效应管（FET）；金属氧化物（MOS）；氧化掩膜；平面技术；外延；12、1963年塑封在硅器件上的使用加速了价格下滑，绝缘场效应管（IFET），互补型MOS（CMOS）电路；13、接触光刻机（contactaligner）、投射光刻机、离子注入机、电子束（E-beam）机、膜版步进式光刻机（Stepper）14、工业控制的技术竞争：自动化、成本控制、工艺特性化与控制、人员效率15、国家技术发展路线图（NationalTechnologyRoadmapforSemiconductor，NTRS）           4 / 41  第二章半导体材料和工艺化学品1、原子结构：电子质子中子空穴（未填充电子的位置）任何原子中都有数量相等的质子和电子；任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子；有相同昀外层电子数的元素有着相似的性质；昀外层被填满或者拥有8个电子的元素是稳定的；原子会试图与其他原子结合而形成稳定的条件。2、导电率C＝1/ρρ为电阻率，单位为欧姆·厘米Ω·cm3、电容：把一层绝缘材料夹在两个导体之间就形成的一种电子元件，电容的实际效应就是储存电荷C＝kEA/tC-电容k-材料的绝缘常数E-自由空间的介电常数（自由空间有昀高的电容）A-电容的面积t-绝缘材料的厚度。4、电阻R＝ρL/WDρ为材料电阻率L为长度W为宽度D为高度5、导体半导体相关特性：材料的电分类和掺杂半导体的性质空穴流（holeflow）分类电子例子导电率导体自由移动金、银、铜10的4~6次方绝缘体无法移动玻璃、塑料10的-22~-10次方半导体－本征的有些可以移动锗、硅、Ⅲ~Ⅴ族元素10的-9~3次方半导体－掺杂的受控的部分可以移动N型P型半导体N型半导体P型半导体导电电子空穴极性负正掺杂术语授主（donor）受主（acceptor）在硅中掺杂砷、磷、锑硼           5 / 41  6、载流子迁移率：在电路中，我们对载流子（空穴和电子）移动所需能量和其移动的速度都感兴趣。移动的速度叫做载流子迁移率，空穴比电子迁移率低，在为电路选择特定半导体材料时，这是个非常值得考虑的重要因素。7、半导体产品材料：锗（熔点937度）－表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电；硅（熔点1415度）半导体化合物：砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）、磷化铟（InP）、砷铝化镓（GaAlAs）、磷镓化铟（InGaP）。其中砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）可用于发光二极管LED制造。8、砷化镓（GaAs）有诸多优势：载流子的高迁移率、对辐射造成的漏电具有抵抗性、其半绝缘性使邻近器件的漏电昀小化，允许更高的封装密度。即便如此砷化镓也不可能替代硅成为主流的半导体材料，因为其性能和制造难度之间的权衡。另外砷对人类使很危险的。9、锗化硅：器件和集成电路的结构特色是用超高真空/化学气相沉积法（UHV/CVD）来淀积锗层。异质结构（hetrostructure）、异质结（heterojunciton）10、铁电材料：PZT＆SBT，并入SiCOMS存储电路，叫做铁电随机存储器（FeRAM）11、工艺化学品：当把芯片的制造成本加在一起时，其中化学品占总制造成本的40％分子、化合物、混合物、离子（ion）、离子的（ionic）；固体、液体、气体、等离子体12、物质的性质：（摄氏温标中改变一度比华氏温标中需要更多的能量）温度：华氏温标（-491.4、32、212）、摄氏温标（-273、0、100）、开氏温标（0、273、373）华氏温标时德国物理学家GabrielFahrenheit用盐和水溶液开发的，盐溶液的冰点温度定为华氏零度。但由于纯水的冰点温度更有用，所以在华氏温标中水的冰点温度为32F，沸点温度为212F，两者相差180F。密度（dense）、比重（specificgravity）蒸气密度（vapordensity）气压表示为英镑每平方英寸（psia），大气压或托（torr）；真空（vacuum）；毫米汞柱（manometer）酸、碱、溶剂：酸中含有氢离子（hydrogenion），碱中含有氢氧离子（hydroxideion）材料安全数据表（MSDS）－美国联邦职业、安全和健康法案（OSHA）的规定           6 / 41  第三章晶圆制备1、晶圆制备阶段：矿石到高纯气体（四氯化硅或者三氯硅烷）的转变－气体到多晶的转变－多晶（polysilicon）到单晶、掺杂晶棒的转变－晶棒到晶圆的制备；2、原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体（crystal）；原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶体或者无定形（amorphous）；3、晶体里的原子排列为晶胞（unitcell）结构－晶体结构的第一个级别；晶格（lattice）；硅晶胞具有16个原子排列成金刚石结构，砷化镓晶体具有18个原子的晶胞结构称为闪锌矿结构；4、当晶胞间整洁而有规则地排列时，第二个级别地结构发生了，这样排列的材料具有单晶结构。单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测的特性，单晶结构允许在半导体里一致和可预测的电子流动；5、晶向（crystalorientation），晶面通过一系列称为密勒指数的三个数字组合来表示，100晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路，而111晶向的晶圆用来制造双极型器件和电路。6、把多晶块转变成一个大单晶，給予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。直拉法CZ：籽晶放肩形成一薄层头部－等径生长－收尾，可形成几英寸长和直径大到12英寸或更多的晶体，200毫米晶圆晶体重约204kg，三天时间生长。高氧含量晶体；液体掩盖直拉法LEC：用来生长砷化镓晶体，由于砷有有挥发性，一是通过给单晶炉加压来抑制砷的挥发，另一个是用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发；区熔法：不能像直拉法那样生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，但不需要石英坩埚便会生长出低氧含量的高纯晶体。低氧晶体可用在高功率的晶闸管和整流器上；7、晶体缺陷：点缺陷（空位）、位错、原生缺陷（滑移、孪晶）8、晶体准备：截断：用锯子截掉头尾；直径滚磨：在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作；晶体定向、电导率和电阻率检查；滚磨定向指示：主参考面、第二个参考面；切片；晶圆划号：使用激光点；磨片：主要目的是去除切片工艺残留的表面损伤；化学机械抛光CMP：制造大直径晶圆的技术之一，化学机械平面化（planarization）；背处理：背损伤、吸杂、背面喷沙、背面多晶层或氮化硅的淀积；双面抛光；边缘倒角和抛光：边缘倒角是使晶圆边缘圆滑的机械工艺；晶圆评估：直径及公差、厚度、晶体定向、电阻率、Res梯度、氧含量、氧化度、碳含量；氧化；包装；晶圆外延。           7 / 41  第四章芯片制造概述1、芯片制造的四个阶段：原料制作－单晶生长－晶圆制造、集成电路晶圆的生产(waferfabrication)－集成电路的封装；2、晶圆术语：器件或叫芯片－Chip、die、device、circuit、microchip、bar街区或锯切线－Scribelines、sawlines、streets、avenues工程试验芯片－Engineeringdie、testdie边缘芯片－Edgedie晶圆的晶面－WaferCrystalPlane晶圆切面/凹槽－Waferflats/notche3、晶圆生产的基础工艺：增层－光刻－掺杂－热处理基本工艺制程方法具体分类增层氧化常压氧化法高压氧化法快速热养护（RTO）化学气相淀积常压化学气相淀积低压化学气相淀积等离子增强化学气相淀积气相外延法金属有机物（CVD）分子束外延物理气相淀积真空蒸发法溅射法光刻PhotomaskingMaskingPhotolithographyMicrolithography光刻胶正胶工艺负胶工艺曝光系统接触式曝光接近式曝光投影式曝光步进曝光机           8 / 41  曝光源高压汞X射线电子束曝光成像工艺单层光刻胶多层光刻胶防反射层偏轴照明环状照明平坦化对比度提高刻蚀湿化学刻蚀干法刻蚀剥脱离子磨反应离子蚀刻法掺杂热扩散Thermaldiffusion开放式炉管－水平/竖置封闭炉管快速热处理离子注入implantation中/高电流离子注入低能量/高能量离子注入热处理加热加热盘热对流快速加热热辐射红外线加热4、电路设计：功能电路图（逻辑功能图）－示意图－电路版面设计（复合图composite）5、光刻母版（reticle）和掩膜版：光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的复制图。6、晶圆测试：又称芯片测试（diesort）或晶圆电测（electricalsort） 9 / 41  第五章污染控制1、半导体器件极易受到多种污染物的损害：微粒、金属离子、化学物质、细菌；微粒：1cm=10000um,人的头发直径约为100um，微粒的大小要小于器件上昀小特征图形尺寸的1/10倍；（1994年SIA将0.18um设计的光刻操作的缺陷密度定为0.06um下的135个）金属离子：可移动离子污染物（MIC），Na是昀常见之一；化学品：以氯为代表；2、污染引起的问题：器件工艺良品率、器件性能、器件可靠性；3、污染源：空气、厂务设备、洁净室工作人员、工艺使用水、工艺化学溶液、工艺化学气体、