半导体工艺原理-集成电路制造工艺介绍
半导体工艺第一章
1-1什么是集成电路？解：集成电路是通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互联关系，“集成”在一块半导体单晶片上，冰封装在一个保护外壳内，能执行特定功能的复杂电子系统。
1-2集成电路制造的主要工艺有哪些？解：重复清洗、氧化、化学气相淀积、金属化、光刻、刻蚀、掺杂和平坦化。
1-3画出集成电路中电阻、电容、二极管、晶体管、场效应晶体管和CMOS反相器的结构图。
1-4半导体工艺经历了哪几种工艺发展过程？现在采用的是哪种工艺技术？解：（1）1952年肖克莱发明了生产型晶体管，其特点是在晶体管生长过程中形成NPN型晶体管。
（2）同年萨拜提出了合金结型晶体管，其原理是将铟球放置在锗片的两边，在高温下溶解锗而形成两个PN结。
（3）1954年贝尔实验室提出了采用气相扩散方法形成台面型结型晶体管。
（4）1960年，硅平面结型晶体管的发明；（5）1954年库尔特提出了用PN结来隔离集成电路中的各个晶体管和其他元件。
（6）1959年仙童公司的罗伯特提出了用平面工艺来制作硅集成电路。
现在采用的是硅平面工艺技术；1-5芯片制造包括哪几个阶段？简要描述各个阶段。
解：（1）硅片制备；将硅从沙中提炼并纯化，形成半导体级硅的多晶硅。
（2）芯片制造；硅片到达硅片制造厂，经过清洗、成膜、光刻、刻蚀、和掺杂（扩散、离子注入）等主要工艺之后，加工成的硅片具有永久刻蚀在硅片上的完整的集成电流。
（3）掩膜板制作；掩膜版中包括构成芯片的各层图形结构，现在最常用的掩膜版技术是石英玻璃涂敷，在石英玻璃掩膜版表面的洛层上形成芯片各层结构图形。
（4）装配与封装；芯片制造完成后，封装之前芯片要经过测试/挑选进行单个芯片的电学测试，拣选出合格芯片和不合格芯片，并作出标识，合格芯片包装在保护壳内。
（5）终测；为了确保芯片的功能，要对每个被封装的集成电路进行测试，以保障芯片的电学和环境特性参数满足要求。
集成电路制造中的半导体器件工艺
集成电路制造中的半导体器件工艺绪论随着信息技术的飞速发展，集成电路制造技术已成为现代电子工业的核心领域。
集成电路是现代电子产品的基础，在计算机、通讯、军事和工业等领域都有着广泛的应用。
而半导体器件工艺是集成电路制造技术的基石，其质量和效率直接决定了集成电路的性能和成本。
本文将从半导体制造的基本流程、光刻工艺、薄膜工艺、化学机械抛光、多晶硅工艺和后台工艺六个方面详细介绍集成电路制造中的半导体器件工艺。
一、半导体制造的基本流程半导体芯片制造的基本流程包括晶圆制备、芯片制造和包装封装。
具体流程如下：晶圆制备：晶圆是半导体器件制造的基础，它是由高纯度单晶硅材料制成的圆片。
晶圆制备的主要过程包括矽晶体生长、切片、抛光和清洗等。
芯片制造：芯片制造主要包括传输电子装置和逻辑控制逻辑电路结构的摆放和电路组成等操作。
包装封装：芯片制造完成后，晶体管芯片需要被封装起来的保护电路，使其不会受到外界环境的影响。
光刻工艺是半导体工艺中的核心部分之一。
光刻工艺的主要作用是将图形预设于硅晶圆表面，并通过光刻胶定位的方式将图形转移到晶圆表面中，从而得到所需的电子器件结构。
光刻工艺的主要流程包括图形生成、光刻胶涂布、曝光、显影和清洗等步骤。
三、薄膜工艺薄膜工艺是半导体制造中的另一个重要工艺。
它主要通过化学气相沉积、物理气相沉积和溅射等方式将不同性质的材料覆盖在晶圆表面，形成多层结构，从而获得所需的电子器件。
四、化学机械抛光化学机械抛光是半导体工艺中的核心工艺之一。
其主要作用是尽可能平坦和光滑化硅晶圆表面，并去除由前工艺所形成的残余物和不均匀的层。
化学机械抛光的基本原理是使用旋转的硅晶圆，在氧化硅或氮化硅磨料的帮助下，进行机械和化学反应，从而达到平坦化的效果。
五、多晶硅工艺多晶硅工艺是半导体工艺中的一个重要工艺，主要是通过化学气相沉积厚度约8至12个纳米的多晶硅层。
该工艺可以用于形成电极、连接线、栅极和像素等不同的应用。
多晶硅工艺的优点是不需要特殊的工艺装备，因此较为简单。
半导体集成电路集成电路的基本制造工艺
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材料挑战与解决方案
材料挑战
半导体集成电路制造过程中需要使用各种高纯度、高性能的材料，如高纯度硅片、特种气体性有着至关重要的影响。
材料解决方案
为了解决材料挑战，可以采用先进的材料制备技术和质量控制手段，确保材料的纯度和质量。同时，加强材料研 发和优化也是提高材料性能和可靠性的重要手段。
半导体集成电路的应用领域
01
02
03
04
通信
手机、基站、路由器等通信设 备中大量使用集成电路。
计算机
CPU、GPU、内存等计算机 核心部件都是集成电路的典型
应用。
消费电子
电视、音响、游戏机等消费电 子产品中广泛应用集成电路。
工业控制
自动化设备、仪器仪表等工业 控制领域离不开集成电路的支
持。
半导体集成电路的发展历程
05
06
1990年代至今
集成电路技术不断进步，进入纳米工艺时代， 智能手机、平板电脑等便携式智能设备成为主 流应用领域。
02
制造工艺流程
晶圆制备
01
02
03
04
晶圆是制造集成电路的基础材 料，其制备过程包括多晶硅的 提纯、单晶生长、晶片切割等
步骤。
多晶硅的提纯是将硅元素中的 杂质去除，获得高纯度的多晶
性能。
光刻胶需要具备优良的感光性能、分辨 率和附着力，同时要与刻蚀液兼容，易
于去除。
光刻胶的选用和加工工艺对集成电路的 制造成本和可靠性有着重要影响。
其他材料
01
其他材料在集成电路中用于辅助 制造和封装，如化学试剂、气体 、陶瓷等。
02
其他材料的选用和加工工艺对集 成电路的性能和可靠性有着重要 影响，需要与制造工艺相匹配。
半导体 生产工艺
半导体生产工艺一、引言半导体生产工艺是制造半导体器件和集成电路的关键过程。
这些工艺涉及到多个复杂的技术和操作，以确保最终产品的性能和可靠性。
本文将详细介绍半导体生产工艺的各个环节，包括晶圆制备、薄膜沉积、刻蚀与去胶、离子注入、退火与回流、金属化与互连、测试与封装以及可靠性验证等方面。
二、晶圆制备晶圆是半导体制造的基础，其质量直接影响到后续工艺的进行和最终产品的性能。
晶圆制备通常包括以下几个步骤：1.原材料准备：选用高纯度的硅、锗等材料作为晶圆的原材料。
2.切割：将大块材料切割成适当大小的小片，即晶圆。
3.研磨和抛光：对晶圆表面进行研磨和抛光，以去除表面缺陷和杂质。
4.清洗：用化学试剂清洗晶圆表面，去除残留杂质和污染物。
三、薄膜沉积薄膜沉积是半导体制造中的重要环节，用于在晶圆表面形成各种功能薄膜。
常见的薄膜沉积方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）等。
这些方法根据需要形成不同类型的薄膜，如金属薄膜、介质薄膜和半导体薄膜等。
四、刻蚀与去胶刻蚀是通过化学或物理方法将不需要的材料去除，以形成电路图案和结构。
去胶则是去除在制造过程中形成的有机残留物和其他不需要的材料。
刻蚀和去胶的精度和一致性对最终产品的性能至关重要。
五、离子注入离子注入是将特定元素离子注入到半导体材料中，以改变材料的导电性质和结构。
这一过程对于制造具有特定性能的半导体器件至关重要。
六、退火与回流退火是将材料加热到一定温度并保持一段时间，以消除内应力、稳定结构和优化性能的过程。
回流则是将熔融的焊料回流到连接处，以实现金属间的连接。
退火和回流对于提高器件可靠性和稳定性具有重要作用。
七、金属化与互连金属化是形成导电电路的过程，通常采用各种金属材料（如铜、铝等）在半导体表面形成导线、焊点和连接等。
互连则是通过金属化实现的各个组件之间的连接。
金属化与互连对于确保半导体器件的功能和性能至关重要。
八、测试与封装测试是对制造过程中的各个阶段进行检测和评估，以确保产品质量和可靠性。
半导体工艺与集成电路制造技术
目录分析
随着科技的快速发展，半导体工艺与集成电路制造技术已经成为当今信息社会 的核心技术之一。在这篇文章中，我们将对《半导体工艺与集成电路制造技术》 这本书的目录进行深入分析，以便更好地理解这本书的内容和结构。
这本书的目录是按照半导体工艺与集成电路制造技术的不同方面进行组织的， 旨在为读者提供一本全面、系统的教材，以帮助读者了解和掌握半导体工艺与 集成电路制造技术的各个方面。
半导体工艺与集成电路制造技术
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
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《半导体工艺与集成电路制造技术》是一本全面介绍半导体工艺和集成电路制造技术的书籍。本 书涵盖了从半导体材料的基本性质，到集成电路的设计、制造和封装测试的全过程。对于从事半 导体工艺和集成电路制造的科研人员和技术人员来说，本书是一本宝贵的参考书。 本书首先介绍了半导体的基本性质和制造工艺，包括半导体材料的物理和化学性质、半导体器件 的工作原理，以及半导体制造工艺流程等。这部分内容为读者提供了半导体工艺和集成电路制造 技术的基本概念和理论基础。 接下来，本书深入探讨了集成电路的设计和制造技术。这部分内容涵盖了集成电路的设计方法、 制造工艺流程、制造材料以及制造过程中的质量控制等方面。读者可以了解到集成电路制造过程 中的关键技术和细节，以及如何通过优化设计和制造工艺来提高集成电路的性能和可靠性。 本书还详细介绍了封装和测试技术在集成电路制造中的应用。
半导体工艺制造技术的原理与
半导体工艺制造技术的原理与应用半导体工艺制造技术的原理与应用半导体工艺制造技术是指将半导体材料加工成各种器件的技术过程。
随着科技的快速发展，半导体工艺制造技术在电子产业中发挥着重要的作用。
本文将介绍半导体工艺制造技术的原理和应用。
一、半导体工艺制造技术的原理半导体工艺制造技术的原理主要涉及到半导体材料的特性和制造工艺的基本原理。
1. 半导体材料的特性半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导率。
这是由于半导体材料的能带结构决定的。
在半导体材料中，价带是最高的完全占据能级，而导带是最低的未占据能级。
两者之间的能量间隙称为禁带宽度。
半导体材料的导电性取决于禁带宽度的大小。
2. 制造工艺的基本原理半导体器件的制造过程主要包括沉积、光刻、蚀刻、扩散和离子注入等步骤。
（1）沉积：沉积是将材料沉积在基片上形成薄膜的过程。
常用的沉积方法有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。
（2）光刻：光刻是通过光刻胶和光刻机将图案转移到基片上的过程。
光刻胶会在紫外线曝光后发生化学反应，形成图案。
（3）蚀刻：蚀刻是通过化学反应将不需要的材料从基片上去除的过程。
常用的蚀刻方法有湿蚀刻和干蚀刻等。
（4）扩散：扩散是将杂质掺入半导体材料中，改变材料的电性质的过程。
常用的扩散方法有固相扩散和液相扩散等。
（5）离子注入：离子注入是将离子注入到半导体材料中，形成特定的杂质区域的过程。
离子注入可以改变材料的电性能。
二、半导体工艺制造技术的应用半导体工艺制造技术在电子产业中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 集成电路制造集成电路是半导体工艺制造技术的重要应用领域之一。
通过将不同的电子器件集成在一个芯片上，实现了电子元件的微型化和高集成度。
集成电路制造技术的不断发展，使得计算机、手机、平板电脑等电子产品的性能和功能不断提升。
2. 太阳能电池制造太阳能电池是利用半导体材料的光电转换效应将太阳能转化为电能的装置。
半导体工艺制造技术在太阳能电池的制造过程中起到了至关重要的作用。
集成电路制造工艺及常用设备培训
集成电路制造工艺及常用设备培训导言集成电路（Integrated Circuit, IC）是由多个电子器件（如晶体管、电容等）制作在一块半导体材料上，并通过导线连接而形成的一种电路结构。
它的出现极大地推动了电子技术的发展和应用。
集成电路制造工艺及常用设备是制造集成电路过程中必不可少的环节，本文将对集成电路制造工艺及常用设备进行全面的介绍。
一、集成电路制造工艺集成电路制造工艺是指在半导体材料上制造并互相连接电子器件的过程。
它包括了多个工序，涵盖了材料准备、光刻、薄膜沉积、离子注入、腐蚀、激光退火、热处理等。
以下是集成电路制造工艺的主要步骤：1.材料准备：选择合适的半导体材料，并进行材料清洗和择优切片。
通常使用的半导体材料有硅、镓化合物等。
2.光刻：在半导体表面施加光刻胶，并通过光刻机将光刻胶曝光、显影，形成光刻胶图案。
3.薄膜沉积：将薄膜材料沉积在半导体表面，通常使用的方法有物理气相沉积（PECVD）和化学气相沉积（CVD）。
4.离子注入：通过加速离子束轰击半导体材料，将外部杂质注入半导体内部，以改变半导体的电学特性。
5.腐蚀：使用化学溶液或离子束对半导体表面进行腐蚀处理，以去除不需要的材料或形成所需的结构。
6.激光退火：使用激光对半导体材料进行局部退火，以改善电学特性或修复损坏的晶体结构。
7.热处理：通过加热和冷却的方式，对半导体材料进行热处理，以提高晶体质量和电学性能。
以上只是集成电路制造工艺的部分步骤，实际的制造过程非常复杂，需要严格的工艺控制和精确的设备操作。
二、常用设备介绍在集成电路制造过程中，需要使用多种设备来完成各个工艺步骤。
下面是常用的集成电路制造设备及其功能介绍：1.光刻机：光刻机是进行光刻工艺的核心设备。
它用于将光刻胶图案转移到半导体表面，形成所需的结构。
光刻机主要由光源、掩膜对准系统、光刻胶显影系统等组成。
2.刻蚀机：刻蚀机用于对半导体表面进行腐蚀处理，通过化学反应或物理加工去除不需要的材料。
半导体制程及原理介绍
半导体制程及原理介绍半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有优良的电气特性。
在现代电子技术中，半导体材料被广泛应用于电子器件和集成电路中。
半导体器件的制造过程被称为半导体制程，本文将介绍半导体制程的工艺流程，以及制作半导体器件时涉及到的原理和技术。
半导体工艺流程半导体制程包含多个工序，一般分为六个步骤：1.前工艺：前工艺包含晶圆清洗、分切、抛光和衬底烘烤。
在这一阶段，旨在确保晶圆表面光滑无瑕疵，为后续的工艺提供良好的基础。
2.沉积工艺：沉积工艺主要包括化学气相沉积和物理气相沉积。
这个步骤的主要目的是对晶圆表面进行原子层沉积，形成薄膜，如硅酸盐。
3.光刻工艺：光刻工艺是在晶圆上印刷图案的过程，主要利用紫外光照射。
这个步骤的目的是在晶圆表面添加一层遮光剂，以保护晶圆的某些区域，防止化学腐蚀。
4.蚀刻工艺：蚀刻工艺是“刻蚀”晶圆表面的化学过程，一般利用氢氟酸蚀刻掉不需要的部分。
这个步骤的目的是通过蚀刻去除遮光剂之外的区域，形成所需的结构。
5.离子注入：离子注入工艺是向晶圆表面注入离子，以改变其电学性质。
这个步骤的目的是在特定区域（如接线）注入特定的材料，从而改变半导体的导电性能。
6.后工艺：后工艺包括切割晶圆、清洗、烧结蓝宝石和金属连接。
这个步骤的目的是完成器件的制造过程，并确保器件能够正常工作。
半导体器件的制作原理半导体制程中的制作原理是在半导体材料内部控制杂质浓度，从而控制其导电性能，从而制造高性能的半导体器件。
半导体材料通常分为p型半导体和n型半导体。
p型半导体中掺杂的杂质主要是硼、铝和镓，n型半导体中掺杂的杂质主要是砷、锑和磷。
在p型半导体和n型半导体中，杂质浓度的差异导致了不同的载流子浓度和导电性能。
当p型半导体和n型半导体结合时，形成了PN结构。
在PN结构中存在一个空间电荷区，该区域是导体和绝缘体之间的过渡区域，称为“耗尽层”。
PN结构中的电子可以从n型半导体流向p型半导体，形成电流。
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GND
Vi
T
Vo
R VDD
23
二）、MOS集成电路芯片制 造工艺
（N阱硅栅CMOS工艺）
24
1、CMOS工艺中的元器件结构
电阻
NSD和PSD电阻结构剖面图
25
多晶硅电阻结构剖面图
26
N阱电阻结构剖面图
27
电容
CMOS工艺中PMOS晶体管电容剖面图
28
CMOS工艺中N阱电容剖面图
29
多晶硅-多晶硅电容器剖面图
双极工艺主要分类
3
CMOS
●标准CMOS工艺（数字电路的主流工艺 技术）特点：互补的NMOS、PMOS，工 艺流程简单，集成度高
●模拟CMOS工艺（应用最广泛的模拟IC 工艺）特点：在标准CMOS的基础上集成 高品质的无源器件，此外对阈值电压精度 和耐压的要求更高
●RF CMOS（RF IC） 特点：依靠缩小光刻尺寸提高MOS晶体管 的速度，集成模拟IC所必需的高品质无源 器件
30
二极管
PSD/N阱齐纳二极管剖面图
31
PSD保护环肖特基二极管剖面图
32
MOS晶体管
N阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图
33
P阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图
34
双阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图
35
2、主要工艺流程图
36
衬底准备
P型单晶片
P+/P外延片
37
工艺流程：
氧化、光刻N-阱(nwell)
NBL
NSINK
P阱
PBL
57
●BCD（智能功率集成芯片） 特点：在BiCMOS优势的基础上再集成 DMOS等功率器件，是智能功率芯片的理 想工艺平台
BiCMOS工艺主要分类
5
一）双极型工艺
1、元器件结构
电阻：
外延层电阻剖面图
基区电阻剖面图
6
发射区电阻剖面图
基区沟道电阻剖面图
7
电容
PN结电容剖面图
MOS电容剖面图
8
二极管
Chapter 2 Introduction of IC Fabrication 集成电路制造工艺介绍
1
一、模拟集成电路主要工艺类型：
模拟IC工艺
双极 CMOS
RF、高精度、高 压等应用领域
低功耗模拟IC、低 电流运放等
BiCMOS
A/D、D/A、RF混 合信号芯片等
模拟集成电路工艺分类
2
双极 工艺
P型<100>衬底材料准备 NBL光刻,高剂量砷离子注入
砷离子注入
P型衬底材料
光刻胶
51
大面积PBL中剂量硼离子注入 高温退火推结
NBL
PBL
52
外延层生长，在硅片上生长一层N-外延层
N-外延层
NBL
PBL
53
PWELL光刻，硼离子注入 高温退火推阱，形成P阱
N-外延层 NBL
P阱 PBL
54
P-Sub
46
绝缘介质淀积，平整化，光刻通孔(via)
P-Sub
47
蒸镀金属2，反刻金属2（metal2)
P-Sub
48
钝化层淀积，平整化，光刻钝化窗孔(pad)
P-Sub
49Байду номын сангаас
光刻掩膜版简图汇总：
N阱 有源区 多晶
Pplus
Nplus
引线孔 金属1 通孔 金属2 钝化
50
三）、SiGe BiCMOS工艺流程简介
P-Sub
38
N-阱注入，N-阱推进,退火，清洁表面
N阱
P-Sub
39
长薄氧、长氮化硅、光刻场区(active反版)
N阱
P-Sub
40
场区氧化（LOCOS）, 清洁表面
(场区氧化前可做N管场区注入和P管场区注入）
P-Sub
41
栅氧化,淀积多晶硅，多晶硅N+掺杂，反刻多晶 （polysilicon—poly)
CMOS工艺主要分类
4
BiCMOS
●BiCMOS工艺（数模混合信号芯片的理想 工艺平台）特点：将双极晶体管的高速高驱 动与CMOS的低功耗高集成度优势结合
●SiGe BiCMOS工艺（RF混合信号芯片 优选的解决方案）特点：在BiCMOS优势 的基础上再引入SiGe HBT的超高速、低 噪声，是模拟IC工艺的重要发展方向之一
P-Sub
42
P+ active注入（Pplus）（ 硅栅自对准） （polysilicon—poly)
P-Sub
43
N+ active注入（Nplus —Pplus反版） （ 硅栅自对准）
P-Sub
44
淀积BPSG，光刻接触孔(contact)，回流
P-Sub
45
蒸镀金属1，反刻金属1（metal1)
CB结二极管剖面图
EB结二极管剖面图
9
表面齐纳二极管剖面
次表面齐纳二极管剖面图
10
肖特基二极管剖面图
带基极保护环的 肖特基二极管剖面图
11
三极管
衬底PNP晶体管剖面图
横向PNP晶体管剖面图
12
2、典型的PN结隔离的双极型电路工艺流程
13
衬底准备
P型单晶片
P+/N-外延片
14
工艺流程：
衬底准备（P型） 氧化 光刻n+埋层区 n+埋层区注入 清洁表面
淀积一层SiO2/Si3N4（场氧保护层） ISO光刻、刻蚀，开出场氧区域
氮化硅
二氧化硅
N-外延层 NBL
场区
P阱 PBL
55
隔离场氧化 氧化后去掉氮化硅
场氧 N-外延层
NBL
P阱 PBL
56
NSINK光刻，高能量高剂量磷注入 高温退火，形成与NBL相连的N+穿透层
N+穿透（HBT集电极）
场氧 N-外延层
P-Sub
15
生长n-外延 隔离氧化 光刻p+隔离区 p+隔离注入 p+隔离推进
N+ NP-Sub
N+ N-
16
光刻硼扩散区 硼扩散 氧化
P+ N+ N- P+
N+ N- P+
P-Sub
17
光刻磷扩散区 磷扩散 氧化
P+
P N+
N- P+
P N+ N- P+
P-Sub
18
●标准双极工艺（很少用于新产品开发） 特点：速度快、精度高、承受耐压高、工 艺流程简单，缺点是缺乏高性能的纵向 PNP管
●互补双极工艺（应用最广泛的模拟IC工艺） 特点：高性能互补的纵向NPN和PNP管， 结合SOI等技术能极大提高模拟IC性能
●SiGe平面双极工艺（RF IC的优选工艺平 台）特点：将SiGe HBT的优异性能引入 到平面双极工艺中，目前ft已超过350GHZ， 可与砷化镓器件相媲美
光刻引线孔 清洁表面
P+
P N+
N- P+
P N+ N- P+
P-Sub
19
蒸镀金属 反刻金属
P P+ N+ N- P+
P N+ N- P+
P-Sub
20
钝 化
P+
P N+
N- P+
P N+ N- P+
P-Sub
21
光刻钝化窗口 后工序
22
光刻掩膜版简图汇总：
埋层区 隔离墙 硼扩区 磷扩区 引线孔 金属连线 钝化窗口