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半导体（半导体材料）及半导体元件制程和市场概况Loe.Zhang目录半导体（半导体材料）简介半导体材料的几种制备技术半导体发展简史半导体材料的基本制程半导体市场23451一半导体（半导体材料）简介半导体（semiconductor）：指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内以硅、锗、砷化镓、氮化镓等为代表的材料。GeGaAs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。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、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类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。三半导体发展简史1947年贝尔实验室发明第一支晶体管1950年制成具有PN结的锗晶体管1954年贝尔实验室的Chapin等人发表PN结硅太阳能电池1958年至1959年德州仪器公司的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1962年Hall等人研制成功第一个半导体激光二极管。1963年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1965年摩尔定律问世1966年IBM公司发明动态随机存储器DRAM1970年英特尔发明第一个微处理器40041998年IBM公司与日本NEC公司合研制成功碳纳米管晶体管（CNT）2004年杨福良等人研制成功栅长仅为5nm的纳米线FinFET器件......四半导体材料的基本制程•晶园制作–WaferCreation•芯片制作–ChipCreation•后封装–ChipPackaging第1部分晶园制作1.1多晶生成•PolySiliconCreation11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(PolySilicon)。•PolySiliconCreation2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。•PolySiliconCreation3原始多晶硅棒多晶硅锭1.2单晶制作•CrystalPulling1多晶硅硅锭中晶体的晶向是杂乱无章的，如果使用它来制作半导体器件，其电学特性将非常糟糕，所以必须把多晶硅制作成单晶硅，这个过程可以形象地称作拉单晶(CrystalPulling)。manufacturingprocess：将高纯度的多晶硅碾碎，放入石英坩埚，加高温到1400°C，反应环境为高纯度的惰性气体氩(Ar)。精确的控制温度，单晶硅就随着晶种被拉出来了。•CrystalPulling21.3晶园切片•WaferSlicing–单晶硅具有统一的晶向，在把单晶硅切割成单个晶园(Wafer)的时候，首先要在单晶硅锭上做个记号来标识这个晶向。–通常标识该晶向的记号就是所谓Flat或者Notch(平边、凹槽)。6’Wafer即6’的晶园通常采用所谓“平边”的方法来标识晶向。8’Wafer即8’的晶园采用Notch12’,16’,……Wafer采用Notch•CrystalPulling3–制作完毕的单晶硅按照半径的大小来区分，目前正在使用的有：•150mm(6’)•200mm(8’)•300mm(12’)–正在发展的有：•400mm(16’)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)1.5晶园外延生长•WaferEpitaxialProcessing–经过抛光，晶园表面变得非常平整，但是这个时候还不能交付使用。–半导体工业使用的晶园并不是纯粹的硅晶园，而是经过掺杂了的N型或者P型硅晶园。–做完这一步，晶园才可以交付到半导体芯片制作工厂。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（简MOCVD，又称外延炉），再通入III、II族金属元素的烷基化合物（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＝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。第2部分芯片制作2.1氧化层生长•OxidationLayering–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PhotoPhoto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。•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–MaskCreation•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DesignHouse提供。2.3Photo的具体步骤•光刻胶涂布–PhotoResistCoating•曝光–Stepper/ScannerExposure•显影和烘烤–Develop&Bake•（光刻胶）光阻涂布–PhotoResistCoating•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。•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。•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-Line436nm–h-Line405nm–i-Line365nm–KrF248nm–ArF193nm–X-Ray(MaybeNotUse)•显影和烘烤–Develop&Bake•曝光完毕之后，晶园送回Track进行显影，洗掉被曝过光的光刻胶。•然后再进行烘烤，使没有被洗掉的光刻胶变得比较坚硬而不至于在下一步蚀刻的时候被破坏掉。2.4酸蚀刻•AcidEtch–将没有被光刻胶覆盖的薄膜腐蚀掉，是酸蚀刻的主要任务。–蚀刻完毕之后，再将光刻胶洗去。•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•SpinRinseDry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：•DIWater(去离子水)用于清洗。•高纯度的氮气，用于吹干晶园。2.6去胶——等离子体浴•Ashing–等离子体浴通常在蚀刻之后去除残留在晶园表面的光刻胶。–对于不同层次的光阻移除，采用的等离子体是不一样的。–例如：硅、硅化物、金属导线等等。–另外，在去除光阻止后，通常还需要有一步清洗，以保证晶园表面的洁净度。2.7金属蚀刻•MetalEtch–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–MetalDeposition•铜制程沉积–CopperDeposition•化学气相沉积–ChemicalVaporDeposition•MetalDeposition–一般来说，采用PhysicalVaporDeposition(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)andTungsten(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。•CopperDeposition–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。–IBM最终克服了这些困难(Damascene)：•采用先做绝缘层，再做铜导线层的方法解决扩散问题。•在制作铜导线层的时候，IBM采用一种铜的多晶体，进一步限制铜在硅中的扩散。•ChemicalVaporDeposition–化学气相沉积(CVD)，和PVD相比较，主要是在沉寂薄膜的时候还伴随着化学反应的发生。–针对不同的薄膜，要采用不同的化学物质来做化学气相沉积。2.9离子注入•IonImplant–和前述的制程不一样，离子注入不制作出新的层次，它仅仅改变晶园上某个区域的电学特性。——变为P型或者N型半导体。•离子注入制造–PN结，半导体中最基本的单位。–改善三极管集电极和发射极之间的导通性。第3部分后封装3.1电性测试•ProbeTest–电性测试•半导体芯片制作工厂交付使用的产品是晶园本身。在出货之前，需要对晶园上的每一个芯片做电性测试。–良率•通常晶园上的芯片不会每一个都是可以工作的，测量所得的“可用芯片数/总芯片数”之值就是所谓“良率”(Yield)。通常只有良率达到一定