IC制程及工艺

IC制程及工艺第1页共12页目录第一章半导体工业………………………………………………………………………………3一、工艺和产品趋势……………………………………………………………………….3二、特征图形尺寸的减小………………………………………………………………….32.1、芯片和晶圆尺寸的增大…………………………………………………………….32.2、缺陷密度的减小…………………………………………………………………….32.3、内部连线水平的提高……………………………………………………………….32.4、芯片成本的降低…………………………………………………………………….3第二章晶圆制备…………………………………………………………………………………3一、晶圆制备—1……………………………………………………………………………31.1、半导体硅制备……………………………………………………………………….41.1.1、晶体材料………………………………………………………………………..41.1.2、晶胞……………………………………………………………………………..41.1.3、多晶和单晶……………………………………………………………………..41.1.4、晶体定向………………………………………………………………………..41.1.5、晶体生长………………………………………………………………………..51.2、晶圆制备阶段……………………………………………………………………….51.2.1、直拉法（CZ）………………………………………………………………….51.2.2、液体掩盖直拉法（LEC）……………………………………………………...51.2.3、区熔法…………………………………………………………………………..5二、晶圆制备—2……………………………………………………………………………52.1、晶体和晶圆质量…………………………………………………………………….52.1.1、点缺陷…………………………………………………………………………..62.1.2、位错……………………………………………………………………………..62.1.3、原生缺陷………………………………………………………………………..62.2、晶体准备…………………………………………………………………………….62.2.1、截断……………………………………………………………………………..62.2.2、直径滚磨………………………………………………………………………..62.2.3、晶体定向，电导率和电阻率检查……………………………………………..62.2.4、晶圆从晶体正确的晶向切割…………………………………………………..62.2.5、滚磨定向指示…………………………………………………………………..62.2.6、切片……………………………………………………………………………..7三、晶圆制备—3……………………………………………………………………………73.1、晶圆刻号…………………………………………………………………………….73.2、磨片………………………………………………………………………………….73.3、化学机械抛光（CMP）…………………………………………………………….73.4、背处理……………………………………………………………………………….73.5、双面抛光…………………………………………………………………………….73.6、边缘倒角和抛光…………………………………………………………………….73.7、晶圆评估…………………………………………………………………………….73.8、氧化………………………………………………………………………………….83.9、包装………………………………………………………………………………….83.10、晶圆外延…………………………………………………………………………...8IC制程及工艺第2页共12页第三章芯片制造概述……………………………………………………………………………8一、芯片制造概述—1………………………………………………………………………81.1、晶圆生产的目标…………………………………………………………………….81.2、晶圆术语…………………………………………………………………………….8二、芯片制造概述—2………………………………………………………………………92.1、增层………………………………………………………………………………….92.2、光刻………………………………………………………………………………….92.3、掺杂………………………………………………………………………………….92.4、热处理……………………………………………………………………………….9三、芯片制造概述—3……………………………………………………………………...103.1、光刻母版和掩膜版…………………………………………………………………103.2、晶圆制造实例………………………………………………………………………10IC制程及工艺第3页共12页第一章半导体工业一、工艺和产品趋势从1947年开始，半导体工业就已经呈现出在新工艺和工艺提高上的持续发展。工艺的提高导致了具有更高集成度和可靠性的集成电路的产生，从而推动了电子工业的革命。这些工艺的改进归为两大类：工艺和结构。工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路，并使之具有有更高的密度，更多数量和更高的可靠性。结构的改进是指新器件设计上的发明使电路的性能更好，实现更佳的能耗控制和更高的可靠性。集成电路中器件的尺寸和数量是IC发展的两个共同标志。器件的尺寸是以设计中最小尺寸来表示的，叫做特征图形尺寸,通常用微米来表示。一微米为1/10,000厘米或约为人头发的1/100。英特尔公司的创始人之一GordonMoore在1964年预言集成电路的密度会每十八个月翻一番，这个预言后来成为著名的摩尔定律并被证明十分准确。集成度水平表示电路的密度，也就是电路中器件的数量。集成度水平（integrationlevel）的范围从小规模集成（SSI）到超大规模（ULSI）集成电路，ULSI集成电路有时称为甚大规模集成电路(VVLSI).大众刊物上称最新的产品为百万芯片（megachips）。二、特征图形尺寸的减小2.1、芯片和晶圆尺寸的增大芯片密度从SSI发展到ULSI的进步推动了更大尺寸芯片的开发。分立器件和SSI芯片边长平均约为100mils（0.1英寸），而ULSI芯片每边长为500mils（0.5英寸）或更大。IC是在称为晶圆（wafer）的薄硅片（或其它半导体材料薄片）上制造成的。在圆形的晶圆上制造方形或长方形的芯片导致在晶圆的边缘处剩余下一些不可使用的区域，当芯片的尺寸增大时这些不可使用的区域也随之增大。为了弥补这种损失，半导体业界采用了更大尺寸的晶圆。随着芯片的尺寸增大,1960年时的1英寸直径的晶圆已经被200毫米和300毫米（8英寸和12英寸）的晶圆所取代。2.2、缺陷密度的减小随着特征图形尺寸的减小，在制造工艺中减小缺陷密度和缺陷尺寸的需要就变得十分关键。在尺寸为100微米的晶体管上有一个1微米的灰尘可能不是问题，但对于一个1微米的晶体管来说会是一个导致元件失效的致命缺陷。正因为如此，污染控制的需要使得建造一个IC制造厂的花费升至十亿美元。2.3、内部连线水平的提高元件密度的增加带来了连线问题。在住宅区的比喻中,用来增加密度的策略之一是减小街道的宽度，但是到一定的程度时街道对于汽车的通行来说就会太窄。同样的事情也会发生在IC设计中，元件密度的增加和紧密封装减小了连线所需的空间。解决方案是在元件形成的表面上使用多层绝缘层和导电层相互叠加的多层连线。2.4、芯片成本的降低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使用。到90年代时,一个汽车所有的计算能力已经超过了第一架月球太空探测器，个人计算机更是令人鼓舞。今天，中等价位的台式机便有IBM在1970年制造的大型机的计算能力。估计到2008年时,全世界工业生产的晶体管将达到每个人十亿。第二章晶圆制备概述：在这一章里，讲述了沙子转变成晶体及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。一、晶圆制备—1高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆。在上世纪60年代开始使用的是1²直径的晶圆，而现在业界根据90年代的工艺要求生产200毫米直径的晶圆。300毫米直径的晶圆也已经投入生产线了，IC制程及工艺第4页共12页而根据SIA的技术路线图，到2007年，300毫米将成为标准尺寸。以后预期会是400毫米或450毫米直径的晶圆。大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。然而，这对晶圆制备的挑战是巨大的。大直径意味着高重量，这就需要更多坚固的工艺设备。在晶体生长中，晶体结构上和电学性能一致性及污染的问题是一个挑战，这些挑战和几乎每一个参数更紧的工艺规格要求共存。与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：a）矿石到高纯气体的转变b)气体到多晶的转变c）多晶到单晶，掺杂晶棒的转变d）晶棒到晶圆的制备1.1、半导体硅制备半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。提纯从化学反应开始。对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。硅化物再和氢反应生成半导体级的硅。这样的硅的纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。它有一种称为多晶或多晶硅（polysilicon）的晶体结构。1.1.1、晶体材料材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式。有些材料，例如硅和锗，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（crystals）。原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶或无定形（amorphous）。塑料是无定形材料的例子。1.1.2、晶胞对于晶体材料实际上可能有两个级别的原子组织结构。第一个是单个原子的组织结构。晶体里的原子排列在称为晶胞（unitcell）的结构的特定点。晶胞是晶体结构的第一个级别。晶胞结构在晶体里到处重复。另一个涉及晶胞结构的术语是晶格（lattice）。晶体材料具有特定的晶格结构，并且原子位于晶格结构的特定点。在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间的结合能会引发材料的许多特性。每个晶体材料具有独一无二的晶胞。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。1.1.3、多晶和单晶晶体结构的第二个级别和晶胞的构成有关。在本征半导体中，晶胞间不是规则的排列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似，每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具有多晶结构。当晶胞间整洁而有规则的排列时第二个级别的结构使那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。在晶圆制造工艺的结尾，晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的晶元是至关重要的。1.1.4、晶体定向对于一个晶圆，除了要有单晶结构之外，还需要有特定的晶向（crystalorientation）。通过切割的单晶块可以想象这个概念。在垂直平面上切割将会暴露一组平面，而角对角切割将会暴露一个不同的平面。每个平面是独一无二的，不同在于原子数和原子间的结合能。每个平面具有不同的化学、电学和物理特性，这些特性将赋予晶圆。晶圆要求特定的晶体定向。1.1.5、晶体生长IC制程及工艺第5页共12页半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。那些半导体材料，或叫做晶棒，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个大单晶，