半导体制造工艺

半导体制造工艺流程半导体相关知识•本征材料：纯硅9-10个9250000Ω.cm•N型硅：掺入V族元素--磷P、砷As、锑Sb•P型硅：掺入III族元素—镓Ga、硼B•PN结：NP------+++++半导体元件制造过程可分为•前段（FrontEnd）制程晶圆处理制程（WaferFabrication；简称WaferFab）、晶圆针测制程（WaferProbe）；•後段（BackEnd）构装（Packaging）、测试制程（InitialTestandFinalTest）一、晶圆处理制程•晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件（如电晶体、电容体、逻辑闸等），为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程，以微处理器（Microprocessor）为例，其所需处理步骤可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿度与含尘（Particle）均需控制的无尘室（Clean-Room），虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗（Cleaning）之後，接著进行氧化（Oxidation）及沈积，最後进行微影、蚀刻及离子植入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的加工与制作。二、晶圆针测制程•经过WaferFab之制程後，晶圆上即形成一格格的小格，我们称之为晶方或是晶粒（Die），在一般情形下，同一片晶圆上皆制作相同的晶片，但是也有可能在同一片晶圆上制作不同规格的产品；这些晶圆必须通过晶片允收测试，晶粒将会一一经过针测（Probe）仪器以测试其电气特性，而不合格的的晶粒将会被标上记号（InkDot），此程序即称之为晶圆针测制程（WaferProbe）。然後晶圆将依晶粒为单位分割成一粒粒独立的晶粒三、IC构装制程•IC構裝製程（Packaging）：利用塑膠或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路•目的：是為了製造出所生產的電路的保護層，避免電路受到機械性刮傷或是高溫破壞。半导体制造工艺分类PMOS型双极型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS饱和型非饱和型TTLI2LECL/CML半导体制造工艺分类•一双极型IC的基本制造工艺：•A在元器件间要做电隔离区（PN结隔离、全介质隔离及PN结介质混合隔离）ECL（不掺金）（非饱和型）、TTL/DTL（饱和型）、STTL（饱和型）B在元器件间自然隔离I2L（饱和型）半导体制造工艺分类•二MOSIC的基本制造工艺：根据栅工艺分类•A铝栅工艺•B硅栅工艺•其他分类1、（根据沟道）PMOS、NMOS、CMOS2、（根据负载元件）E/R、E/E、E/D半导体制造工艺分类•三Bi-CMOS工艺：A以CMOS工艺为基础P阱N阱B以双极型工艺为基础双极型集成电路和MOS集成电路优缺点双极型集成电路中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大CMOS集成电路低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈值损失），具有高速度、高密度潜力；可与TTL电路兼容。电流驱动能力低半导体制造环境要求•主要污染源：微尘颗粒、中金属离子、有机物残留物和钠离子等轻金属例子。•超净间：洁净等级主要由微尘颗粒数/m30.1um0.2um0.3um0.5um5.0umI级357.531NA10级350753010NA100级NA750300100NA1000级NANANA10007半导体元件制造过程前段（FrontEnd）制程---前工序晶圆处理制程（WaferFabrication；简称WaferFab）典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程一次氧化衬底制备隐埋层扩散外延淀积热氧化隔离光刻隔离扩散再氧化基区扩散再分布及氧化发射区光刻背面掺金发射区扩散反刻铝接触孔光刻铝淀积隐埋层光刻基区光刻再分布及氧化铝合金淀积钝化层中测压焊块光刻横向晶体管刨面图CBENPPNPP+P+PP纵向晶体管刨面图CBENPCBENPN+p+NPNPNPNPN晶体管刨面图ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+1.衬底选择P型Siρ10Ω.cm111晶向,偏离2O~5O晶圆（晶片）晶圆（晶片）的生产由砂即（二氧化硅）开始，经由电弧炉的提炼还原成冶炼级的硅，再经由盐酸氯化，产生三氯化硅，经蒸馏纯化后，透过慢速分解过程，制成棒状或粒状的「多晶硅」。一般晶圆制造厂，将多晶硅融解后，再利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒。一支85公分长，重76.6公斤的8寸硅晶棒，约需2天半时间长成。经研磨、抛光、切片后，即成半导体之原料晶圆片第一次光刻—N+埋层扩散孔•1。减小集电极串联电阻•2。减小寄生PNP管的影响SiO2P-SUBN+-BL要求：1。杂质固浓度大2。高温时在Si中的扩散系数小，以减小上推3。与衬底晶格匹配好，以减小应力涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗—去膜--清洗—N+扩散(P)外延层淀积1。VPE（Vaporousphaseepitaxy)气相外延生长硅SiCl4+H2→Si+HCl2。氧化TepiXjc+Xmc+TBL-up+tepi-oxSiO2N+-BLP-SUBN-epiN+-BL第二次光刻—P+隔离扩散孔•在衬底上形成孤立的外延层岛,实现元件的隔离.SiO2N+-BLP-SUBN-epiN+-BLN-epiP+P+P+涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗—去膜--清洗—P+扩散(B)第三次光刻—P型基区扩散孔决定NPN管的基区扩散位置范围SiO2N+-BLP-SUBN-epiN+-BLP+P+P+PP去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗—去膜—清洗—基区扩散(B)第四次光刻—N+发射区扩散孔•集电极和N型电阻的接触孔,以及外延层的反偏孔。•Al—N-Si欧姆接触：ND≥1019cm-3，SiO2N+-BLP-SUBN-epiN+-BLP+P+P+PPN+去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗—去膜—清洗—扩散第五次光刻—引线接触孔•SiO2N+N+-BLP-SUBN-epiN+-BLP+P+P+PPN-epi去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗—去膜—清洗第六次光刻—金属化内连线：反刻铝•SiO2ALN+N+-BLP-SUBN-epiN+-BLP+P+P+PPN-epi去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗—去膜—清洗—蒸铝CMOS工艺集成电路CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•1。光刻I---阱区光刻，刻出阱区注入孔N-SiN-SiSiO2CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•2。阱区注入及推进，形成阱区N-SiP-CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•3。去除SiO2，长薄氧，长Si3N4N-SiP-Si3N4CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•4。光II---有源区光刻N-SiP-Si3N4CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•5。光III---N管场区光刻，N管场区注入，以提高场开启，减少闩锁效应及改善阱的接触。光刻胶N-SiP-B+CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•6。光III---N管场区光刻，刻出N管场区注入孔；N管场区注入。N-SiP-CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•7。光Ⅳ---p管场区光刻，p管场区注入，调节PMOS管的开启电压，生长多晶硅。N-SiP-B+CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•8。光Ⅴ---多晶硅光刻，形成多晶硅栅及多晶硅电阻多晶硅N-SiP-CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•9。光ⅤI---P+区光刻，P+区注入。形成PMOS管的源、漏区及P+保护环。N-SiP-B+CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•10。光Ⅶ---N管场区光刻，N管场区注入，形成NMOS的源、漏区及N+保护环。光刻胶N-SiP-AsCMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•11。长PSG（磷硅玻璃）。PSGN-SiP+P-P+N+N+CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•12。光刻Ⅷ---引线孔光刻。PSGN-SiP+P-P+N+N+CMOS集成电路工艺--以P阱硅栅CMOS为例•13。光刻Ⅸ---引线孔光刻（反刻AL）。PSGN-SiP+P-P+N+N+VDDINOUTPNSDDS集成电路中电阻1ALSiO2R+PP+P-SUBN+R-VCCN+-BLN-epiP+基区扩散电阻集成电路中电阻2SiO2RN+P+P-SUBRN+-BLN-epiP+发射区扩散电阻集成电路中电阻3基区沟道电阻SiO2RN+P+P-SUBRN+-BLN-epiP+P集成电路中电阻4外延层电阻SiO2RP+P-SUBRN-epiP+PN+集成电路中电阻5MOS中多晶硅电阻SiO2Si多晶硅氧化层其它：MOS管电阻集成电路中电容1SiO2A-P+P-SUBB+N+-BLN+EP+NP+-IA-B+Cjs发射区扩散层—隔离层—隐埋层扩散层PN电容集成电路中电容2MOS电容AlSiO2ALP+P-SUBN-epiP+N+N+主要制程介绍矽晶圓材料（Wafer）圓晶是制作矽半導體IC所用之矽晶片，狀似圓形，故稱晶圓。材料是「矽」，IC（IntegratedCircuit）厂用的矽晶片即為矽晶體，因為整片的矽晶片是單一完整的晶體，故又稱為單晶體。但在整體固態晶體內，眾多小晶體的方向不相，則為复晶體（或多晶體）。生成單晶體或多晶體与晶體生長時的溫度，速率与雜質都有關系。一般清洗技术工艺清洁源容器清洁效果剥离光刻胶氧等离子体平板反应器刻蚀胶去聚合物H2SO4:H2O=6:1溶液槽除去有机物去自然氧化层HF:H2O1:50溶液槽产生无氧表面旋转甩干氮气甩干机无任何残留物RCA1#(碱性)NH4OH:H2O2:H2O=1:1:1.5溶液槽除去表面颗粒RCA2#(酸性)HCl:H2O2:H2O=1:1:5溶液槽除去重金属粒子DI清洗去离子水溶液槽除去清洗溶剂光学显影光学显影是在感光胶上经过曝光和显影的程序，把光罩上的图形转换到感光胶下面的薄膜层或硅晶上。光学显影主要包含了感光胶涂布、烘烤、光罩对准、曝光和显影等程序。关键技术参数:最小可分辨图形尺寸Lmin(nm)聚焦深度DOF曝光方式:紫外线、X射线、电子束、极紫外蝕刻技術（EtchingTechnology）蝕刻技術（EtchingTechnology）是將材料使用化學反應物理撞擊作用而移除的技術。可以分為:濕蝕刻（wetetching）:濕蝕刻所使用的是化學溶液，在經過化學反應之後達到蝕刻的目的.乾蝕刻（dryetching）:乾蝕刻則是利用一种電漿蝕刻（plasmaetching）。電漿蝕刻中蝕刻的作用，可能是電漿中离子撞擊晶片表面所產生的物理作用，或者是電漿中活性自由基（Radical）与晶片表面原子間的化學反應，甚至也可能是以上兩者的复合作用。现在主要应用技术:等离子体刻蚀常见湿法蚀刻技术腐蚀液被腐蚀物H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O:NH4F(40%）=76：3：15：5：0.01AlNH4(40%):HF(40%)=7:1SiO2,PSGH3PO4(85%)Si3N4HF(49%):HNO3(65%):CH3COOH(100%)=2:15:5SiKOH(3%~50%)各向异向SiNH4OH:H2O2(30%):H2O=1:1:5HF(49%):H2O=1:100Ti,CoHF(49%):NH4F(40%)=1:10TiSi2CVD化學气相沉積是利用热能、电浆放电或紫外光照射等化学反应的方式，在反应器内将反应物（通常为气体）生成固态的生成物，并在晶片表面沉积形成稳定固态薄膜（film）的一种沉积技术。CVD技术是半导体IC制程中运用极为广泛的薄膜形成方法，如介电材料（dielectri