半导体制备技术简介CH02
半导体制造工艺简介.
材料制备
பைடு நூலகம் 制造工艺简介
（a）n型硅晶片原材料（b）氧化后的晶片
1 制造工艺简介
（c）涂敷光刻胶（d）光刻胶通过掩膜版曝
光
1 制造工艺简介
（a）显影后的晶片（b）SiO2去除后的晶片 氧化工艺
1 制造工艺简介
（c）光刻工艺处理后的晶片 （d）扩散或离子注入形成PN结 光刻和刻蚀工艺；扩散和离子注入工艺
化学气相淀积
CVD生长的二氧化硅：用作金属间的绝缘层，
用于离子注入和扩散的掩蔽层，也可用于增 加热氧化生长的场氧化层的厚度 热生长的二氧化硅：具有最佳的电学特性。 可用于金属层之间的绝缘体，又可用作器件 上面的钝化层
主要内容
3.1半导体基础知识
工艺流程 3.3 工艺集成
3.2
氮化硅的制备
主要用作：金属上下层的绝缘层、场氧的屏蔽层、 芯片表面的钝化层。
8 常用工艺之五：薄膜制备
生产SiO2
8 常用工艺之五：薄膜制备
氧化质量
物理气相淀积
（2）物理气相淀积
利用某种物理过程，例如蒸发或溅射，来实
现物质的转移，即把材料的原子由源转移到 衬底表面，从而实现淀积形成薄膜。 金属的淀积通常是物理的。 两种方法：真空蒸发；溅射
电阻值计算，xj为结深
当W=L时，G=g
1/g用R■表示，称为方块电阻，单位为欧姆，
习惯上用Ω/ ■表示。
2 无源器件
2、电容
基本上分为两种：MOS电容和P-N结电容 （1）MOS电容：重掺杂区域作为极板，氧
化物作为介质 单位面积的电容为 （2）P-N结电容：N+P结电容，通常加反向 偏置电压
ch02-电子和空穴的运动与复合
载流子的强场效应：速度的饱和
电子 空穴
室温下，超纯净硅内载流子的漂移速 度与外电场的函数关系
电阻率
电阻率是重要的材料参数，与载流子的漂移密切 相关，其数值可以用四探针法测量
1 qnn qp p
qn n for n type qp p for p type
other
上式中
drift
diff
1 Jn q 1 J p q
drift
diff
n t
thermal R G
n
n
p t
thermal R G
p
p
连续性方程
n 1 n n Jn t q n t
other
p 1 p p Jp t q p t
非平衡载流子的复合过程有两种微观机制：
直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁
间接复合：电子和空穴通过禁带的深能级（复合 中心）进行复合
硅中复合主要借助于一些杂质和缺陷进行（即复合 中心复合），少子寿命由杂质和缺陷决定。 1
Nt
连续性方程 连续性方程 扩散、漂移、产生、复合同时存在时载 流子所遵循的运动方程。 漂移、扩散、复合－产生等载流子的输 运，都会使载流子浓度随时间变化。单 位时间内载流子浓度的总的变化等于各 个过程所引起的变化的总和。
Ge 3900 1900
GaAs 8500 400
InAs 30000 500
载流子的迁移率
载流子迁移率与载流子所受到的散射有关。 q * 两次散射之间的平均自由时间 m
载流子散射的机制
半导体制造工艺流程简介
半导体制造工艺流程简介导言：一、晶圆加工晶圆加工是制造集成电路的第一步。
它包括以下过程：1.晶圆生长：通过化学气相沉积或金属有机化学气相沉积等方法，在硅片基底上生长单晶硅。
这个过程需要非常高的温度和压力。
2.剥离：将生长的单晶硅从基底上剥离下来，并校正其表面的缺陷。
3.磨削和抛光：使用机械研磨和化学力学抛光等方法，使晶圆的表面非常光滑。
二、晶圆清洗晶圆清洗是为了去除晶圆表面的杂质和污染物，以保证后续工艺的顺利进行。
清洗过程包括以下步骤：1.热酸洗：利用强酸（如硝酸和氢氟酸）将晶圆浸泡，以去除表面的金属杂质。
2.高温氧化：在高温下将晶圆暴露在氧气中，通过热氧化去除有机杂质和表面缺陷。
3.金属清洗：使用氢氟酸和硝酸等强酸，去除金属杂质和有机污染物。
4.DI水清洗：用去离子水清洗晶圆，以去除化学清洗剂的残留。
三、晶圆制备晶圆制备是将晶圆上的材料和元件结构形成的过程。
它包括以下过程：1.掩膜制作：将光敏材料涂覆在晶圆表面，通过光刻技术进行曝光和显影，形成图案化的光刻胶掩膜。
2.沉积：通过物理气相沉积或化学气相沉积等方法，在晶圆上沉积材料层，如金属、氧化物、硅等。
3.腐蚀：采用湿法或干法腐蚀等技术，去除晶圆上不需要的材料，形成所需的结构。
4.清洗：再次进行一系列清洗步骤，以去除腐蚀产物和掩膜残留物，保证材料层的质量。
四、材料获取材料获取是指在晶圆上制造晶体管、电阻器、电容器等器件结构的过程。
它包括以下步骤：1.掺杂：通过离子注入或扩散等方法，在晶圆上引入有选择性的杂质，以改变材料的导电性或断电性能。
2.退火：通过高温热处理，消除杂质引入过程中的晶格缺陷，并使掺杂的材料达到稳定状态。
3.金属-绝缘体-金属（MIM）沉积：在晶圆上沉积金属、绝缘体和金属三层结构，用于制造电容器。
4.金属-绝缘体（MIS）沉积：在晶圆上沉积金属和绝缘体两层结构，用于制造晶体管的栅极。
五、封装和测试封装是将晶圆上制造的芯片放在封装底座上，并封装成可插入其他设备的集成电路。
半导体制造工艺流程简介 (2)
半导体NPN高频小功率晶体管制造的工艺流程为：外延片——编批——清洗——水汽氧化——一次光刻——检查——清洗——干氧氧化——硼注入——清洗——UDO淀积——清洗——硼再扩散——二次光刻——检查——单结测试——清洗——干氧氧化——磷注入——清洗——铝下CVD——清洗——发射区再扩散——三次光刻——检查——双结测试——清洗——铝蒸发——四次光刻——检查——氢气合金——正向测试——清洗——铝上CVD——检查——五次光刻——检查——氮气烘焙——检查——中测——中测检查——粘片——减薄——减薄后处理——检查——清洗——背面蒸发——贴膜——划片——检查——裂片——外观检查——综合检查——入中间库。
PNP小功率晶体管制造的工艺流程为：外延片——编批——擦片——前处理——一次氧化——QC检查（tox）——一次光刻—□□—QC检查——单结测试——磷注入——前处理——发射区氧化——前处理——发射区再扩散——前处理——POCl3预淀积（R□）——后处理——前处理——HCl退火、N2退火——三次光刻——QC检查——双结测试——前处理——铝蒸发——QC检查（t Al）——四次光刻——QC检查——前处理——氮氢合金——氮气烘焙——正向测试（ts）——外协作（ts）——前处理——五次光刻——QC检查——大片测试——测试ts——中测编批——中测——中测检查——入中间库。
变容管制造的工艺流程为：外延片——编批——擦片——前处理——一次氧化——QC检查——N+光刻——QC检查——前处理——干氧氧化——QC检查——P+注入——前处理——N+扩散——P+光刻——QC检查——硼注入1——前处理——CVD（LTO）——QC检查——硼注入2——前处理——LPCVD ——QC检查——前处理——P+扩散——特性光刻——电容测试——是否再加扩——电容测试——......（直到达到电容测试要求）——三次光刻——QC检查——前处理——铝蒸发——QC检查（t Al）——铝反刻——QC检查——前处理——氢气合金——氮气烘焙——大片测试——中测——电容测试——粘片——减薄——QC检查——前处理——背面蒸发——综合检查——入中间库。
半导体材料制备技术
半导体材料制备技术半导体材料的制备技术主要包括：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）、溶液法、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）等。
1.物理气相沉积：物理气相沉积是一种通过在材料表面沉积薄膜的方法。
主要有磁控溅射、电子束蒸发、光化学蒸发等。
磁控溅射是一种通过在金属靶表面轰击产生金属离子，再通过惯性或磁场将金属离子聚集到衬底上形成薄膜的方法。
电子束蒸发是利用电子束的热能使固体材料迅速升温蒸发，然后在衬底上冷凝成薄膜的一种方法。
光化学蒸发是利用高能光激发材料分子，使其在激发态下蒸发和沉积成薄膜的方法。
物理气相沉积技术能够制备高纯度、高质量的半导体材料，但由于金属靶材的限制，只能制备单晶薄膜。
2.化学气相沉积：化学气相沉积是利用气体在表面上化学反应沉积薄膜的一种方法。
主要有低压化学气相沉积（LPCVD）、气相开关化学气相沉积（GS-CVD）、原子层沉积（ALD）等。
低压化学气相沉积是一种在低压下，通过将以气体形式存在的反应物送到反应室中与衬底表面反应沉积的方法。
气相开关化学气相沉积是一种在高压下，通过快速切换反应气体进行气相沉积的方法。
原子层沉积是一种通过依次将反应气体在表面上循环反应沉积的方法。
化学气相沉积技术能够制备高质量的半导体材料，并且可以控制薄膜的厚度和成分，但需要控制反应条件和表面的化学反应，操作复杂。
3.溶液法：溶液法是一种通过浸渍、涂覆或电化学方法将溶解了的半导体材料溶液沉积到衬底上的方法。
主要有溶胶-凝胶法、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等。
溶胶-凝胶法是一种通过将溶解了的半导体溶液或胶体经过控制沉积、干燥和烧结等工艺制备薄膜的方法。
等离子体增强化学气相沉积是一种利用等离子体对气相反应物料进行电离和激发，然后再薄膜表面沉积的一种方法。
ch02-电子和空穴的运动与复合
Ge 3900 1900
GaAs 8500 400
InAs 30000 500
载流子的迁移率
载流子迁移率与载流子所受到的散射有关。 q * 两次散射之间的平均自由时间 m
载流子散射的机制
晶格散射：与晶格原子碰撞
ph ph
1 1 3 / 2 T phonon density carrier therm al velocity T T 1/ 2
E fp x
J n n n
E n f x
准费米能级的示意图
EC Ef Ei EV
EC
En f
Ei E fp EV
平衡态
非平衡态
Now assume n p = 1015 cm-3. (b) Find Efn and Efp . n= 1.011017cm-3 = Nce
假定从n型半导体一边（x=0）源源不断注入非 平衡载流子。注入后，这些非平衡载流子将一边 扩散一边复合，稳态时，形成稳定的分布。分布 函数所满足的扩散方程可以从连续性方程得到：
在硅的表面x=0处， 有稳定的注入
d p p Dp 2 dx p
2方程的通解为0 Nhomakorabeax
p( x) Ae
x / Lp
漂移运动
当电场施加到半导体上时，载流子一方面受到电场力 的作用，沿电场力方向定向运动，另一方面，载流子 仍不断遭受到散射，使载流子的运动方向不断改变。 载流子在电场力的作用下的加速运动，也只有在两次 散射之间才存在，经散射后，它们又失去了获得的附 加速度。从而，在外力和散射的双重影响下，使得载 流子以一定的平均速度（称为漂移速度）沿力的方向 漂移，形成电流。 电场产生的漂移 速度叠加在热运 动速度上
半导体的生产工艺流程
半导体的生产工艺流程
《半导体的生产工艺流程》
半导体是一种通过控制电子的传导行为而实现电子设备功能的物质。
其生产工艺流程是一项复杂而精细的工程，下面我们将简要介绍一下半导体的生产工艺流程。
首先，半导体的生产从原材料准备开始。
常见的原材料包括硅、锗、砷、磷等元素，这些元素经过提纯制备成单晶棒或多晶棒。
接着，将原材料通过化学气相沉积等方法制备成单晶圆片。
这个过程需要高度控制温度、压力和材料浓度等参数，以确保制备出高质量的单晶圆片。
然后，在单晶圆片上进行光刻、腐蚀、沉积等工艺步骤，制备出半导体芯片的器件结构。
光刻工艺是关键的一步，它需要使用光刻胶和光影制版等技术，通过紫外光照射和化学腐蚀加工制备出微细器件结构。
接下来是清洗和检测。
清洗工艺用于去除芯片表面的杂质和残余物质，确保器件质量。
检测工艺则用于对芯片进行电学和结构性能的检验，以确保其符合设计要求。
最后是封装和测试。
芯片封装是将芯片连接到引脚、安装封装体、进行焊接等工艺，以确保芯片可以与外部电路连接并正常工作。
而芯片测试则是对封装后的芯片进行电学性能和可靠性测试，以保证产品达到规定的性能指标和质量要求。
总体来说，半导体的生产工艺流程涉及到材料学、化学、物理、光学和电子等多个学科的知识，需要高度精密的设备和工艺控制，是一项极为复杂的工程。
然而，正是这些复杂而精细的工艺步骤，才使得我们能够享受到如今各种半导体产品所带来的便利和快捷。
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。
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Clean Room Class
• Class 10 is defined as less than 10 particles with diameter larger than 0.5 mm per cubic foot. • Class 1 is defined as less than 1 such particles per cubic foot. • 0.18 mm device require higher than Class 1 grade clean room.
Sale:
• 100% yield: 10000 - 2350 = $7650/wafer Profit • 50% yield : 5000 - 1850 = $3150/wafer Margin: • 0% yield : 0 - 1350 = - $1350/wafer
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Wafer Process Flow
Materials IC Fab Metallization Wafers Thermal Processes Masks Photolithography Design
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Ion Beam
Dopant in PR Particle Photoresist Screen Oxide
Partially Implanted Junctions
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Cleanroom Structure
Makeup Air Fans Makeup Air
Cost:
• 100% yield: 150+1200+1000 = $2350/wafer • 50% yield: 150+1200+500 = $1850/wafer • 0% yield: 150+1200 = $1350/wafer • 100% yield: 20050 = $10,000/wafer • 50% yield: 10050 = $5,000/wafer • 0% yield: 050 = $0.00/wafer
CMP
Dielectric deposition
Test
Implant PR strip
Etch PR strip
Packaging
Final Test
Fab Cost
• • • • • • Fab cost is very high, > $1B for 8” fab Clean room Equipment, usually > $1M per tool Materials, high purity, ultra high purity Facilities People, training and pay
*Cost of wafer, chips per wafer, and price of chip varies, numbers here are choosing randomly based on general information.
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
How Does a Fab Make (Loss) Money
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Wafer Yield
YW
Wafers Wafers
good total
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Die Yield
YD
Dies
good
Dies total
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Packaging Yield
Return Air
Raised Floor with Grid Panels
Pump, RF and etc.
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Gowning Area
Shelf of Gloves, Hair and Shoe Covers Entrance Gown Racks Disposal Bins Shelf of Gloves To Cleanroom
• At high yield, high throughput brought
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Defects and Yield
Y
1 (1 DA )
n
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Yield and Die Size
Killer Defects
Particles/ft3 Class M-1 1 10 100 1000 10000
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
0.1 mm 9.8 35 350
0.2 mm 2.12 7.5 75 750
0.3 mm 0.865 3 30 300
0.5 mm 0.28 1 10 100 1000 10000
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Cleanroom Classes
100000 10000
# of particles / ft3
1000
100
10 1 0.1
0.1
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
1.0 10 Particle size in micron
Definition of Airborne Particulate Cleanliness Class per Fed. Std. 209E
• 0.99600 = 0.0024 = 0.24%
• Almost no yield
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Throughput
• Number of wafers able to process
– Fab: wafers/month (typically 10,000) – Tool: wafers/hour (typically 60)
Wash/Clean Stations Storage
Shelf of Gloves Benches
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教rocess Module
Thin film growth, dep. and/or CMP
Photolithography
YC
Chips Chips
good total
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Overall Yield YT = YWYDYC
Overall Yield determines whether a fab is making profit or losing money
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
• Adopted in semiconductor industry in 1950 • Smaller device needs higher grade clean room • Less particle, more expensive to build
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
• Particles kills yield
• IC fabrication must in a clean room
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Clean Room
• First used for surgery room to avoid bacteria contamination
Etching PR Stripping Ion Implantation PR Stripping RTA or Diffusion
How Does Fab Make (Loss) Money
• Cost:
– Wafer (8”): ~$150/wafer* – Processing: ~$1200 ($2/wafer/step, 600 steps) – Packing: ~$5/chip
• Sale:
– ~200 chips/wafer – ~$50/chip (low-end microprocessor in 2000)
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Mini-environment
• Class 1000 cleanroom, lower cost • Boardroom arrangement, no walls between process and equipment • Better than class 1 environment around wafers and the process tools • Automatic wafer transfer between process tools
Test Structures Scribe Lines
Dies
材料科學與工程學系 義守大學 – 助理教授 劉文仁
Clean Room
• Artificial environment with low particle counts • Started in medical application for post-surgery infection prevention
Equipment Area Class 1000 Process Tool
HEPA Filter
Class 1 Process Area
Equipment Area Class 1000 Process Tool
Return Air