微电子制造概论-第4章-半导体设计和制造- 半导体制造工艺

微电子制造概论第二章半导体设计和制造4、半导体制造工艺内容1.沾污处理：ContaminationControl2.测试和检测技术：MetrologyAndDefectInspection3.硅和硅圆片制造工艺：SiliconAndWaferPreparation4.氧化工艺：Oxidation5.沉积工艺：Deposition6.金属化和多层布线：MetallizationandMultilayerwiring7.光刻工艺：Photolithography8.刻蚀工艺：Etch9.掺杂工艺：Doping10.平坦化（抛光打磨）：Polishing1、沾污处理ContaminationControl1.1五种沾污源及其危害•Particles颗粒•MetallicImpurities金属杂质•OrganicContamination有机沾污•NativeOxides自然氧化物•ElectrostaticDischarge静电放电1.1.1、Particles颗粒•可接受的颗粒尺寸必须小于关键尺寸（CD）的一半；•颗粒会导致的危害：•引起电路开路或短路；•是其他污染源的源头1.1.2、MetallicImpurities金属杂质•最主要的金属污染物是碱金属，它们的来源主要是化学溶液和各道制造工序，其中离子注入是最主要的污染来源；•金属污染物的主要引入方式是发生了氧化还原反应，金属和半导体反应使之留在半导体中，金属与氧化物反应使之留在氧化物中；•金属在半导体中可以随着电场移动（以离子形式存在，称为可动离子沾污，MIC），最主要的金属是Na，主要来源是人体（NaCl）金属杂质的危害：•可能引起短路；•MIC1.1.3、OrganicContamination有机沾污1.1.4、NativeOxides自然氧化物•主要危害：•阻止其他层薄膜的生成；•存在金属沾污；•会在金属电极和有源区（active，指源极source和漏极drain）之间形成氧化物，使得电阻增大，发热增大•去除方法：用HF酸1.1.5、ElectrostaticDischarge静电放电•静电来源于不同电势材料的接触或摩擦，在半导体制造的低湿度环境（40%~10%RH）下特别容易；•静电释放的电荷数虽然小，但是在很小的面积下却可以达到很大的放电电流（1A），可以轻易的蒸发金属导线和穿透氧化层，此外静电荷同时也会导致微尘颗粒被吸引到表面，增加沾污。1.2、沾污的来源•SevenSourcesofContaminationinaWaferFab:•空气Air•人Humans•厂房Facility•水Water•化学品ProcessChemicals•工艺气体ProcessGases•设备ProductionEquipment1.3、沾污控制的方法1.洁净室2.空气处理3.水处理4.操作人员的处理5.厂房布置6.化学品的过滤7.工艺气体的过滤8.生产设备的处理9.清洗1.3.1、洁净室cleanroom•标准：美国联邦标准209E1.3.2、空气处理•1、空气的过滤1.3.3、水处理•水中有各种颗粒，都需要去除干净，主要去除的有：•颗粒，硅土，细菌，有机材料，溶解离子，溶解氧去除硅土和大的颗粒去除离子、胶体、超小颗粒•去离子水，简称DI•去除超小颗粒和金属离子一般采用反渗透膜（RO）•RO能隔离0.005微米的颗粒；•在一定的压力下，H2O分子可以通过RO膜，而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法透过RO膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。去除氧气和其他气体膜萃取器可用来去除水中溶解的各种气体，其特色就是疏水空心纤维去除细菌和病毒工厂里的水处理流程1.3.4、操作人员的处理1.3.5、厂房的布置1.3.6、化学品的过滤1.3.7、工艺气体的过滤和处理温度自量流量计MFC残气分析器RGA1.3.8、生产设备的处理1.3.9、清洗•RCA，是美国RCA公司发明的清洗方法，现作为“工业标准湿法清洗工艺”；•RCA的清洗过程，是先用SC-1（标准1号清洗液）清洗颗粒和有机物，再用SC-2清洗金属，最后用HF去除氧化层MetrologyAndDefectInspection2、测试和检测技术2.1、质量测量QualityMeasures膜厚测试FilmThickness导电膜膜厚测试FilmThickness不导电的透明、半透明膜掺杂浓度测量DopantConcentration•4探针法•二次离子质谱仪SIMS•电容电压特性C-V曲线表面缺陷检测-无图形的表面缺陷检测-有图形的CD检测表面形貌-台阶覆盖检测SiliconAndWaferPreparation3、硅和硅圆片制造工艺Semiconductor-GradeSiliconStepstoObtainingSemiconductorGradeSilicon(SGS,半导体级硅99.9999999%)StepDescriptionofProcessReaction1Producemetallurgicalgradesilicon(MGS，冶金级硅98%)byheatingsilica（硅石SiC）withcarbon（碳）SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)2PurifyMGSthroughachemicalreactiontoproduceasilicon-bearinggasoftrichlorosilane(SiHCl3,三氯硅烷)Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)+heat3SiHCl3andhydrogen（氢气，H2）reactinaprocesscalledSiemenstoobtainpuresemiconductor-gradesilicon(SGS)2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)Table4.1SiHCl3Polycrystallinesiliconrod多晶硅棒SiemensReactor（西门子反应室）forSGSiliconFigure4.1生长的温度是1100℃；反应时间达几天（3天以上）；生长的SGS为多晶硅，无法用于直接的芯片生产。PolycrystallineandMonocrystallineStructuresPolycrystallinestructureMonocrystallinestructureFigure4.7AxesofOrientationforUnitCellsZXY1110Figure4.8MillerIndices(米勒指数)ofCrystalPlanesZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)Figure4.9MonocrystalSiliconGrowth•CZMethod(CZ拉伸法）•CZCrystalPuller•Doping•ImpurityControl•Float-ZoneMethod（悬浮区熔法）•ReasonsforLargerIngot（硅锭）DiametersCrystalseed籽晶Moltenpolysilicon熔融多晶硅Heatshield热屏蔽Waterjacket水套Singlecrystalsilicon，ingot单晶硅锭Quartzcrucible石英坩埚Carbonheatingelement碳加热部件晶棒CrystalpullerandrotationmechanismCZCrystalPullerFigure4.10SiliconIngot（硅锭）GrownbyCZMethodPhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSiingotPhoto4.1CZCrystalPullerPhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSicrystalpullerPhoto4.2DopantConcentrationNomenclatureConcentration(Atoms/cm3)DopantMaterialType1014(VeryLightlyDoped)1014to1016(LightlyDoped)1016to1019(Doped)1019(HeavilyDoped)Pentavalentnn--n-nn+Trivalentpp--p-pp+Table4.2FloatZoneCrystalGrowth悬浮区熔法RFGasinlet(inert)输入惰性气体Moltenzone熔融区TravelingRFcoil可移动的射频线圈多晶硅棒Polycrystallinerod(silicon)籽晶SeedcrystalInertgasoutChuckChuck卡盘Figure4.11300mm200mm150mm125mm100mm75mm3456812WaferDiameterTrendsFigure4.12WaferDimensions&AttributesTable4.3Diameter(mm)Thickness(m)Area(cm2)Weight(grams/lbs)Weight/25Wafers(lbs)15067520176.7128/0.061.520072520314.1653.08/0.12330077520706.86127.64/0.287400825201256.64241.56/0.53132020/2/1588die200-mmwafer232die300-mmwaferIncreaseinNumberofChipsonLargerWaferDiameterFigure4.13CrystalGrowth硅锭生长Shaping整形WaferSlicing硅片（晶圆）切片WaferLappingandEdgeGrind磨片和倒角Etching刻蚀Polishing抛光Cleaning清洗Inspection检查Packaging包装BasicProcessStepsforWaferPreparationFigure4.19FlatgrindDiametergrindPreparingcrystalingotforgrindingIngotDiameterGrind径向研磨Figure4.20WaferIdentifyingFlatsP-type(111)P-type(100)N-type(111)N-type(100)Figure4.21WaferNotch（定位缺口）andLaserScribe（激光刻印）NotchScribedidentificationnumberFigure4.22InternalDiameterSawInternaldiameterwafersawFigure4.23PolishedWaferEdgeFigure4.24ChemicalEtchofWaferSurfacetoRemoveDamageFigure4.25Double-SidedWaferPolishUpperpolishingpadLowerpolishingpadWaferSlurryFigure4.26Oxidation氧化工艺氧化工艺（扩散工艺）在车间中的布局位置Test/SortThinFilmsImplantDiffusionEtchPolishPhotoCompletedwaferWaferfabrication(front-end)UnpatternedwaferWaferstart热预算thermalbudgetthermalbudget=temperature*timereducethethermalbudget:•why:•tominimizetheunacceptablediffutionofdopantsofshallowjunctionregion;•toreducetheohmiccontactresistanceofmetal-lay