半导体制程概论ch15
半导体制程及原理概述
製程及原理概述半導體工業的製造方法是在矽半導體上製造電子元件(產品包括:動態記憶體、靜態記億體、微虛理器…等)，而電子元件之完成則由精密複雜的積體電路(Integrated Circuit，簡稱IC)所組成；IC之製作過程是應用晶片氧化層成長、微影技術、蝕刻、清洗、雜質擴散、離子植入及薄膜沉積等技術，所須製程多達二百至三百個步驟。
隨著電子資訊產品朝輕薄短小化的方向發展，半導體製造方法亦朝著高密度及自動化生產的方向前進;而IC製造技術的發展趨勢，大致仍朝向克服晶圓直徑變大，元件線幅縮小，製造步驟增加，製程步驟特殊化以提供更好的產品特性等課題下所造成的良率控制因難方向上前進。
半導體業主要區分為材料(矽品棒)製造、積體電路晶圓製造及積體電路構裝等三大類，範圍甚廣。
目前國內半導體業則包括了後二項，至於矽晶棒材料仍仰賴外國進口。
國內積體電路晶圓製造業共有11家，其中聯華、台積及華邦各有2個工廠，總共14個工廠，目前仍有業者繼紙擴廠中，主要分佈在新竹科學園區，年產量逾400萬片。
而積體電路構裝業共有20家工廠，遍佈於台北縣、新竹縣、台中縣及高雄市，尤以加工出口區為早期半導體於台灣設廠開發時之主要據點。
年產量逾20億個。
原理簡介一般固體材料依導電情形可分為導體、半導體及絕緣體。
材料元件內自由電子濃度(n值)與其傳導率成正比。
良好導體之自由電子濃度相當大(約1028個e-/m3)，絕緣體n值則非常小(107個e-/m3左右)，至於半導體n值則介乎此二值之間。
半導體通常採用矽當導體，乃因矽晶體內每個原子貢獻四個價電子，而矽原子內部原子核帶有四個正電荷。
相鄰原子間的電子對，構成了原子間的束縛力，因此電子被緊緊地束縛在原子核附近，而傳導率相對降低。
當溫度升高時，晶體的熱能使某些共價鍵斯鍵，而造成傳導。
這種不完全的共價鍵稱為電洞，它亦成為電荷的載子。
如圖1.l(a),(b)於純半導體中，電洞數目等於自由電子數，當將少量的三價或五價原子加入純矽中，乃形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)半導體。
半导体 制程
半导体制程
半导体制程是指将芯片从设计到生产的完整流程，包括晶圆加工、芯片制造、封装测试等诸多环节。
目前，半导体制程已经成为现代科
技产业中不可或缺的重要组成部分。
半导体制程一般分为前端工艺和后端工艺。
前端工艺指晶圆加工
和芯片制造的整个过程，是半导体制程中投入物料最多、工艺最复杂
的一个环节。
后端工艺一般指芯片封装和测试等环节，目的是将芯片
封装好之后，测试其性能是否符合要求。
半导体制程是非常复杂的，需要高度的技术水平和严格的质量控制。
在制程中，任何一个环节的失误都可能会导致整个产品的质量下降，甚至完全报废。
因此，半导体制程需要高度自动化的生产线进行
生产，以保证质量的一致性和产品的稳定性。
总的来说，半导体制程是一个高难度的制造过程，需要科技人员
通过不断的技术创新和工艺改进，始终保持着制程的高精度和高质量。
随着科技不断发展，半导体制程也在不断地演化和升级，为未来科技
领域的发展提供了坚实的基础。
半导体制造流程
半导体制造流程半导体制造是一项复杂而精密的工艺，它涉及到许多工艺步骤和技术环节。
在半导体制造的整个流程中，从原料的准备到最终产品的成型，每一个环节都至关重要，任何一个环节的差错都可能导致整个产品的失败。
下面我们将详细介绍半导体制造的整个流程。
首先，半导体制造的第一步是原料的准备。
半导体材料通常采用硅材料，而硅材料的制备需要经过多道工序，包括提炼、精炼和晶体生长等步骤。
这些步骤的完成将为后续的工艺提供基础材料。
接下来是晶圆的制备。
晶圆是半导体制造的基础材料，它需要经过多道工序的加工和处理，包括切割、抛光和清洗等步骤。
只有经过精密加工的晶圆才能保证后续工艺的顺利进行。
然后是光刻工艺。
光刻工艺是半导体制造中至关重要的一环，它需要利用光刻胶和光刻机对晶圆表面进行精密的图案转移，以便后续的加工和制备。
紧接着是离子注入工艺。
离子注入工艺是将特定的杂质离子注入晶圆表面，以改变其导电性能和电子特性。
这一步骤对半导体器件的性能有着直接的影响。
然后是薄膜沉积工艺。
薄膜沉积是将特定材料的薄膜沉积在晶圆表面，以实现特定功能和性能。
这一步骤需要利用化学气相沉积或物理气相沉积等技术手段。
接下来是刻蚀工艺。
刻蚀工艺是利用化学溶液或等离子体对晶圆表面进行局部的刻蚀，以形成特定的结构和图案。
刻蚀工艺对半导体器件的性能和功能有着直接的影响。
最后是器件封装和测试。
器件封装是将制备好的半导体器件封装在特定的封装材料中，以保护器件并方便其应用和使用。
而器件测试则是对封装好的器件进行性能和功能的测试，以确保其质量和稳定性。
总的来说，半导体制造流程是一个复杂而精密的工艺，它需要经过多道工序和技术手段的加工和处理。
只有严格控制每一个环节，才能保证半导体产品的质量和稳定性。
希望通过本文的介绍，能够让读者对半导体制造流程有一个更加深入和全面的了解。
半导体中段制程-概述说明以及解释
半导体中段制程-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述半导体中段制程是半导体制造过程中的一个重要阶段。
在半导体制造过程中，通常将整个过程分为前段制程、中段制程和后段制程三个阶段。
中段制程是在前段制程完成后，将晶圆表面的介电层、金属层等进行加工和处理的阶段。
在中段制程中，主要涉及到的工艺包括光刻、沉积、刻蚀、清洗等步骤。
光刻是中段制程中的重要步骤之一。
它通过使用光刻胶和掩模光罩，将光刻胶涂覆在晶圆表面上，并通过紫外光照射，将掩模上的图形转移到光刻胶上。
然后，通过化学处理，将光刻胶上未曝光部分或曝光后进行过浸蚀、清洗等处理，最终形成所需的图案。
沉积是中段制程中另一个重要的步骤。
它主要是将金属、介电材料等沉积在晶圆表面，形成所需的层。
常用的沉积方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等，根据不同的材料和需求，选择适合的沉积方法。
刻蚀是中段制程的一项关键步骤，它通过使用化学气相或物理方法，将不需要的材料层进行去除或定义。
刻蚀方法包括湿法刻蚀、干法刻蚀等，根据材料的不同选择不同的刻蚀方式。
清洗是中段制程中不可或缺的一步。
它的主要目的是去除杂质、残留物以及刻蚀产物，保证晶圆表面的纯净度和平整度。
清洗过程主要包括超声清洗、化学清洗等方法。
总之，半导体中段制程是半导体制造过程中至关重要的一步。
通过精确的加工和处理，可以实现对晶圆表面的图案形成和层之间的连接，为后续的工艺步骤打下坚实的基础。
在不断发展的半导体技术中，中段制程的优化和改进对于提高半导体器件的性能和可靠性具有重要意义。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：在本篇长文中，我们将对半导体中段制程进行详细的探讨和分析。
文章分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分首先对半导体中段制程进行概述，包括其定义、作用以及在半导体工业中的重要性。
接着，介绍文章的结构和目的，以及本文所要探讨的主要内容。
正文部分将分为两个要点来详细讨论半导体中段制程。
半导体制程概论
分解
e-
A
B
分子
自由基
B A
e-
電漿蝕刻
• 氧化物蝕刻製程，在電漿中使用CF4 產生氟(F)的自由基e + CF4 CF3 + F + e 4F + SiO2 SiF4 + 2O
半导体制程概论
目標
• 列出至少三種使用電漿的IC製程 • 列出電漿中重要的三種碰撞 • 描述平均自由徑 • 解釋電漿在蝕刻和化學氣相沉積製程的好處 • 說出至少兩種高密度電漿系統
討論的主題
• 什麼是電漿? • 為什麼使用電漿? • 離子轟擊 • 電漿製程的應用
電漿製程的應用
• 化學氣相沉積 • 蝕刻 • 物理氣相沉積 • 離子佈植 • 光阻剝除 • 製程反應室的的乾式清洗
• 電子和中性原子或分子碰撞 • 把軌道電子「敲離」核的束縛
離子化
• 游離碰撞產生電子和離子 • 維持電漿的穩定
e- + A
A+ + 2 e-
離子化的說明
原子核
原子核
自由電子入射 撞擊軌道電子
軌道電子
兩個自由電子
激發－鬆弛
e- + A
A* + e-
A* A + hn (光)
• 不同的原子/分子有不同的頻率,也就是為什麼不同的氣體會發出不同的顏色.
氮化鈦分子從鈦靶表面濺射出來而使之沉積在晶圓表面
表7.1 矽烷的分解
碰撞
副產品
形成所需的能量
e- + SiH4
SiH2 + H2 + eSiH3 + H + eSi + 2 H2 + eSiH + H2 + H + eSiH2* + 2H + eSi* + 2H2 + eSiH2+ + H2 + 2 eSiH3+ + H + 2 eSi+ + 2H2 + 2 eSiH+ + H2 + H + 2 e-
半导体制程简介
半导体制程简介半导体制程是一种用于制造半导体器件的工艺过程，是现代电子工业不可或缺的关键部分。
半导体制程可以将硅等材料转化为半导体晶片，进而制造出各种集成电路、微处理器、存储芯片和其他电子器件。
在半导体制程中，首先需要选择合适的半导体材料，最常用的是硅。
硅具有优异的半导体特性和良好的物理特性，成为了制造半导体器件的首选材料。
其他半导体材料如化合物半导体和有机半导体也应用于特定的器件。
接下来是晶片的制备过程，主要包括晶体生长、切割和抛光。
晶体生长是通过高温熔炼和快速冷却，使单晶硅生长为大块晶体。
然后，晶体经过切割成薄片，再通过抛光和平整的过程使其表面光洁平整。
接着是半导体器件的制备过程。
这包括了沉积层、光刻、蚀刻、离子注入和金属化等步骤。
沉积层是通过物理气相沉积（PECVD）或热熔腐蚀（CVD）将薄膜材料沉积在晶片上。
光刻是将光敏胶覆盖在晶片上，然后用紫外线照射到其中的图案模板上，最后通过蚀刻去除未被曝光的区域。
离子注入是将离子通过加速器注入晶片中，改变材料的导电性和电阻率。
金属化是在晶片上涂覆金属，形成电线和电极，用于电子器件的连接。
最后是芯片封装和测试。
封装是将半导体器件连接到外部引脚和包装中，以保护器件并提供适当的电连接。
测试是对芯片进行电性能和可靠性的检查，以确保其正常工作并符合规格要求。
半导体制程是一项复杂而精细的工艺过程，需要严格的控制和高度的精确度。
不断的技术创新和工艺改进使得半导体器件的制造变得越来越高效和可靠。
半导体制程的进步不仅推动了电子技术的发展，还广泛应用于通信、计算机、汽车、医疗和工业等各个领域，为现代社会的科技进步和生活便利做出了巨大贡献。
在半导体制程中，制造芯片的关键技术之一是微影技术。
微影技术是一种将光刻或电子束曝光技术应用于半导体制程中的方法，用于将非常小的结构图案精确地转移到半导体表面，从而实现微小而密集的电子元件。
微影技术的进步极大地促进了半导体技术的发展，使得芯片的功能更加强大、体积更小。
半导体制造流程详解
半导体制造流程详解1.前期制备阶段：该阶段包括晶圆生产和晶圆测试两个主要部分。
晶圆生产：晶圆是半导体芯片的载体，通常由硅(Si)材料制成。
晶圆的生产过程分为四个主要步骤：晶体生长、晶圆切割、磨平和清洗。
晶体生长：通过化学反应或熔融法，在高温高压的条件下制备单晶硅块。
晶圆切割：将单晶硅块切割成薄的圆片，即晶圆。
磨平：将切割得到的晶圆经过机械研磨和化学机械抛光，使其表面平整。
清洗：使用化学溶液将晶圆清洗干净，去除表面污染物和残留的研磨液。
晶圆测试：晶圆测试是为了检测晶圆的质量和性能，以确保后续加工过程的可行性。
常见的晶圆测试包括电学测试和光学测试。
电学测试可以通过测量器件的电流和电压来评估器件的性能，而光学测试则用于检测晶圆的表面缺陷和光学特性。
2.特征形成阶段：特征形成是将设计好的电路图案转移到晶圆表面的过程。
该过程主要包括光刻、蚀刻和沉积。
光刻：在晶圆表面上涂覆光刻胶，然后使用光刻机将光刻胶曝光到来自网版的紫外光。
光刻胶的暴露部分形成了一个电路图案。
蚀刻：将暴露在外的光刻胶部分进行化学或物理腐蚀，以去除暴露的区域。
沉积：根据电路设计的需要，在晶圆上沉积薄膜层。
常见的沉积方法包括物理蒸发和化学气相沉积。
3.金属化阶段：金属化是将电路中的铜(或其他金属)引线与晶圆的电路连接起来的过程。
该过程主要包括金属清洗、金属刻蚀和金属填充。
金属清洗：在晶圆表面上涂覆一层金属清洗剂，用于去除表面的氧化物和杂质。
金属刻蚀：使用化学方法将金属层腐蚀，形成所需的连接线路。
金属填充：使用电铸或化学方法将金属填充到金属蚀刻后的凹槽中，以形成导线。
4.封装和测试阶段：封装是将半导体芯片放置在封装器件中，并连接外部引脚。
测试是确保芯片质量和性能的关键步骤。
封装：将半导体芯片放置在封装器件中，使用焊接或黏合方法连接芯片和引线。
测试：通过应用信号和测量反馈，对芯片进行功能测试、可靠性测试和焊接测试。
5.最终检验和封装：该阶段主要包括外观检查、性能测试和包装。
半导体制程简介
阐述图形化工艺的基本原理和方法，包括光刻、刻蚀、镀膜等步骤，以及这些步骤对半导体性能 的影响。
掺杂与退火
讲解掺杂剂的种类和作用，以及掺杂工艺的基本步骤和退火工艺对半导体性能的影响。
制程环境与设备
制程环境
介绍半导体制造所需的环境条件 ，如洁净度、温度、湿度等，以 及这些环境因素对半导体性能的 影响。
03
常见的半导体材料有硅、锗、砷化03
半导体材料具有高纯度、低缺陷等 特性。
硅是最常用的半导体材料，具有资 源丰富、制备工艺成熟等优势。
锗是一种具有高迁移率的半导体材 料，适用于高速电子器件。
半导体产业概述
01
半导体产业包括半导体制造、半导体设备、半 导体材料等领域。
案例三：纳米半导体器件制程
总结词
纳米半导体器件制程是一种制造纳米级尺寸 的半导体器件的制程，具有高频率、低功耗 、小尺寸等特点。
详细描述
纳米半导体器件制程采用先进的纳米制造技 术，如纳米压印、电子束光刻等，将半导体 材料加工成纳米级别的器件。该制程在微电 子、光电子、生物医学等领域具有广泛的应 用前景。
5G和物联网的驱动
5G和物联网技术的发展将推动半导体产业持续增长，对低功耗、 高性能半导体的需求不断增加。
中国市场的崛起
中国半导体市场已成为全球最大的市场之一，政府支持力度大，产 业发展迅速，国际合作与竞争日益激烈。
国际合作与竞争
国际合作
随着半导体产业的发展，国际合作成 为提高技术水平和竞争力的重要手段 ，各国纷纷建立合作机制，加强技术 交流和联合研发。
详细描述
半导体技术可以用于开发太阳能、风能等新能源发电设备中的半导体器件，提高能源利用效率；同时 也可以用于环保领域的半导体传感器、气体检测器等设备的开发，实现环境污染的监测与治理。
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新材料: 銅
• 金屬連接導線: 銅代替鋁和鎢
– – – – 低電阻係數 改善元件的速度 電遷移抵抗能力較高 更高的電流密度
• 減少金屬層數目可減少製程步驟
– 較低的生產成本 – 改善整體良率
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 12
– EUV 微影技術 – 投射電子束微影技術
• 仍在研發中，預計2010年後開始取代長期所 使用的光學微影技術
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發展中的工業
• 半導體工業已經發展超過50年了，但是仍 然是正在發展中的工業，而不是像汽車工 業是一像成熟的工業 • 每天都有新的技術都會被引進 • 技術不到10年就會面臨淘汰
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
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300 mm 以上的晶圓
• • • • • 晶圓尺寸越大，可以容納更多的晶片 現在 300 mm (12 吋)屬於過渡階段 未來將變成主流 建造製造工廠成本需要超過二十億 2010年以後第一個400 mm的晶圓工廠可 能出現
Hong Xiao, Ph. D.
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世界晶片的需求
• 較低的晶片價格，較便宜的消費性電子商 品
– 電視、卡式錄放影機、電話和個人電腦
• 發展中的國家的經濟穩定發展，特別是中 國和印度 • 戲劇性地增加需求 • 需要更多的晶片!
• 仍然需要大量的人才，就像汽車工業一 樣
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Chapter 15 總結與未來趨勢
Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@
/HongXiao/Book.htm
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 1
USG 沉積/蝕刻/沉積 鋁·銅·矽 BPSG LOCOS SiO2 p+
n+
p+ N型井區
p+
1990年代
• MOSFET 為主 • CMOS • 多層連接導線
–鎢 – 金屬矽化合物 – CMP
• 主要驅動力: 個人電腦, 網路, 網際網路
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 8
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新材料: 高-κ
• MOS匣極電容器的電容必須大到足以維持足 夠的電荷 • 圖形尺寸的縮減，匣極電容也縮小 • 高-κ, 將匣極介電質維持足夠的厚度以防止漏 電流和崩潰 • 候選材料: TiO2 (κ ~ 60), Ta2O5 (κ ~ 25), 以及 HfO2也有可能
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 14
/HongXiao/Boo k.htm
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生醫—晶片
• 微型化的測試探針以及分析電路 • 醫學IC晶片用在 DNA 測試 • 對於DNA相關的疾病提供快速正確的診 療 • 晶片檢測系統(Lab-on-chip，LOC)
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
1970年代的NMOS
鋁·矽
氮化矽
PSG
多晶矽
n+
Hong Xiao, Ph. D.
P型矽
n+
5
/HongXiao/Boo k.htm
1980年代
• • • • MOSFET 超越雙載子電晶體 CMOS 多層連接導線 主要驅動力: 個人電腦
Hong Xiao, Ph. D.
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 19
汽車—晶片
• 全球衛星定位系統和聲控的網際網路上網 將會變成未來汽車的標準配備 • 在不久的將來，通用汽車 (GM)每年所消 耗的積體電路晶片將會比IBM還多
Hong Xiao, Ph. D.
新材料: 低-κ
• 低-κ 介電質取代矽玻璃作為連接導線的 應用 • CVD: 碳矽玻璃(CSG) 和 α-FC • SOD: HSQ 和 多孔性的二氧化矽. • 銅和低-κ的組合來改善 IC晶片的速度
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/HongXiao/Boo k.htm
Ti/TiN
TiSi2 側壁空間層, USG p+ PMD 阻擋層 , 氮化矽
多晶矽 STI n+ USG P型井區 P型磊晶層
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo P型晶圓 k.htm
2000年代
• • • • • MOSFET 為主 CMOS SOI 基片 銅和低 -κ 連接導線 主要驅動力: 電信通信、網路、網際網路 、個人電腦
氮化矽 密封層
碳化矽蝕 刻停止層
Ta/TaN 阻 擋層
碳化矽密封層 PE-TEOS覆蓋 層 碳化矽密封層 氮化矽阻 11 擋層
鈷矽 化物 多晶矽匣極 HonUSG /HongXiao/Boo p+ 型井區 STI P-型井區 Nk.htm 2層 深埋 SiO P-型晶圓
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/HongXiao/Boo k.htm
10
2000年 代的 CMOS
鉻, 銅,及金 襯裡
鉛-錫合金 氮化矽 PSG 銅5 SOD SOD SOD 銅4 SOD 銅3 SOD 銅3 SOD 銅2 SOD SOD 銅1 Cu 1 銅 1 SOD Cu 1 SOD 鎢 鎢 p+ PSG USG 銅1 Cu 1 銅1 Cu 1
21
電信通訊, 網際網路
• 全世界的電信通訊發展以及網際網路仍 然將是積體電路工業持續快速發展的主 要驅動力量
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/HongXiao/Boo k.htm
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未來是明亮的
• IC工業的景氣—不景氣循環 • IC晶片的需求將穩定的成長 • 對於技術和知識創新具有開創性的人才 需求也是如此
1990年 代的 CMOS
Ti/TiN
鈍化層 2
氮化矽 鈍化層 1
鋁•銅 合金 IMD IMD 33 USG
鋁•銅 金屬 4
USG
TiN ARC 金屬3 IMD 2 M2 IMD 1 M1 PMD W n+ USG USG W 鋁•銅 W 鋁•銅 合金 BPSG p+ N型井區
9
鋁•銅 合金 Ti
1960年代
• • • • • 第一個積體電路產品 雙載子電晶體主導 PMOS 利用擴散進行摻雜 金屬匣極
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
2
1960年代的PMOS
匣極氧化層 CVD 覆蓋氧化層
p+
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Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
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在最後極限之後的生活
• 物理上的極限可能在2030年達到 • 圖形尺寸大小 10 到 5 nm • IC 圖形尺寸無法再縮小
– IC 工業的發展將到達終點變成成熟的技術 – 較低的變化頻率
N-型矽 型矽
p+
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1970年代
• 雙載子電晶體為主 • NMOS • 在1970年代中期之後以離子佈植技術進 行摻雜 • 自我對準 源極 / 汲極 • 多晶矽匣極 • 主要的驅動力: 電子手錶和計算機
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 4
新材料: 高-κ
• BST (Ba½Sr½TiO3, κ 值可高達 600) • 將會被用來作為DRAM 電容的介電質材 料
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
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下一代的微影技術
• 微影技術受限的瓶頸: ~ 圖形尺寸小於50 - 35 nm • 下一代的微影技術
/HongXiao/Boo k.htm
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1980年代的CMOS
氮化矽 PD2 氧化物 PD1 金屬 2, Al·Cu·Si IMD PMD p+ n+ 多晶矽匣極 P型基片
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