• 硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。 硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯 片。比如，同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可 以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以 制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是 200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的 2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶 圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯 片生产商所喜欢的。 然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增 加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心 越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏 点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺 寸。
3.2.1 直拉法 大部分的单晶 都是通过直拉法 生长的。生产过 程如图所示。 特点：工艺成熟， 能较好地拉制低 位错、大直径的 硅单晶。缺点是 难以避免来自石 英坩埚和加热装 置的杂质污染。
旋转卡盘
籽晶 生长晶体 射频加热线圈
熔融 硅
3.2.2 液体掩盖直拉 法 此方法主要用 来生长砷化镓晶体， 和标准的直拉法一 样，只是做了一些 改进。由于熔融物 里砷的挥发性通常 采用一层氧化硼漂 浮在熔融物上来抑 制砷的挥发。故得 其名，如图所示。
第四章 芯片制造
概述 本章将介绍基本芯片生产工艺的概况， 主要阐述 4 种最基本的平面制造工艺，分别是： 薄膜制备工艺 掺杂工艺 光刻工艺 热处理工艺 4.1薄膜制备 是在晶体表面形成薄膜的加工工艺。图4.4 是 MOS 晶体管的剖面图，可以看出上面有钝化层 (Si3N4、Al2O3)、金属膜(Al)、氧化层(SiO2) 制 备 这 些 薄 膜 的 材 料 有 ： 半 导 体 材 料 （ Si、 GaAs等），金属材料（Au、Al等），无机绝缘 材料（ SiO2 、Si3N4 、Al2O3 等），半绝缘材料 （多晶硅、非晶硅等）。
诞生。如图所示。
1.2 固态器件
• 固态器件不仅是指晶体管，还包括电阻器和电容 器。 • Ge合金管的缺点是工作温度低，电性能差。 • 50 年代随着硅平面制造工艺的出现，很快就出现 了用硅材料制造的晶体管。 • 由于硅材料的制造温度 ( 熔点温度 1415℃) 和硅晶 体管的工作温度都优于锗 ( 熔点温度 937℃) ，加 之 SiO2 的天然生成使得硅晶体管很快取代了 Ge 晶 体管。
4.2 光刻与刻蚀技术
光刻所需要的三要素为：光刻胶、掩膜版和光刻机。常 规的光刻过程主要包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、 腐蚀和去胶。首先将光刻胶利用高速旋转的方法涂敷在硅片 上，然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜。 利用光刻机曝光之后，再采用特定的溶剂进行显影，使其部 分区域的光刻胶被溶解掉，这样便将掩膜版上的图形转移到 光刻胶上，然后再经过后烘以及刻蚀、离子注入等工序，将 光刻胶的图形转移到硅片上，最后再去胶就完成了整个光刻 过程。
每个电路 进行电 测试
良品
3 晶圆制备
3.1 概述
在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体， 以及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步 骤。 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径 的晶圆，最早使用的是1英寸(25mm)，而现在 300mm 直径的晶圆已经投入生产线了。因为 晶圆直径越大，单个芯片的生产成本就越低。 然而，直径越大，晶体结构上和电学性能的一 致性就越难以保证，这正是对晶圆生产的一个 挑战。
• 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是： • 信号传输距离的缩短和电路速度的提高，芯片或电 路功耗更小。
1.5 半导体工业的构成
• 半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和 半导体工业设备及化学品供应五大块。 • 目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市 场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公 司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是 芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯 片。
1.1 半导体工业的诞生
• 电信号处理工业始于上个世纪初的真空管，真空 管使得收音机、电视机和其他电子产品成为可能。 它也是世界上第一台计算机的大脑。
• 真空管的缺点是体积大、功耗大，寿命短。当时 这些问题成为许多科学家寻找真空管替代品的动 力，这个努力在1947年 12月23日得以实现。也 就是第一只Ge合金管的
• 高温工艺过程引入的位错 • 掺杂过程中引入的位错 • 薄膜制备过程中引入的位错 无论是天生的还是诱生的缺陷对器件特性 都是不利的，因此在芯片制造过程中都应该尽 量避免。
穴位
3.5 晶片加工
晶片加工是指将单晶棒经过切片、磨片、抛 光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。 切片 在切片前还要滚磨整形、晶体定向、确定 定位面、等一系列的加工处理。 切片就是用有金刚石涂层的内园刀片把晶片 从晶体上切下来。
• 外延生长的基本原理
氢还原四氯化硅外延生长原理示意图
• 硅的CVD外延 化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上 淀积一层薄膜材料的过程。
CVD反应器的结构示意图
• 分子束外延 分子束外延（MBE）是在超高真空条件下一个或多个 热原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方 法。
砷化镓相关的Ⅲ-Ⅴ族化合物的MBE系统示意图
半导体工艺技术
主讲：彭振康
目录
• • • • • • 第一章：半导体产业介绍 第二章：器件的制造步骤 第三章：晶圆制备 第四章：芯片制造 第五章：污染控制 第六章：工艺良品率
第一章 半导体产业介绍
• 概述 微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管） 问世， 50 年代中期出现了硅平面工艺，此工艺不 仅成为硅晶体管的基本制造工艺，也使得将多个 分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为 可能，随着制造工艺水平的不断成熟，使微电子 从单只晶体管发展到今天的ULSI。 回顾发展历史，微电子技术的发展不外乎包括 两个方面：制造工艺和电路设计，而这两个又是 相互相成，互相促进，共同发展。
生长 法
淀积 法 化学气相淀积工艺
பைடு நூலகம்蒸发工艺
溅射
薄膜分类/工艺与材料的对照表
层别 绝缘 层 半导体层 导体 层
热氧 化 工艺 二氧化硅
化学气相 淀积工艺 二氧化硅 氮化 硅 外延单 晶硅 多晶 硅
蒸发工艺
溅射工艺 二氧化硅 一氧化硅
铝 铝 / 硅合金 铝铜合金 镍铬铁合金 黄金
钨 钛 钼 铝 / 硅合金 铝铜合金
籽晶
晶体 氧化硼层 砷化 镓 熔化 物
3.2.3 区熔法 主要用来生 长低氧含量的晶 体，但不能生长 大直径的单晶， 并且晶体有较高 的位错密度。这 种工艺生长的单 晶主要使用在高 功率的晶闸管和 整流器上，生长 系统如图所示。
通入惰性气体
惰性气体 （氩气） 上卡盘
多晶硅棒
滑动射 频线圈
熔融区
籽晶 下卡盘
• 分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其方
法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长 的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体 内）。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能 在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶
体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的
随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也 提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的 需求比例将日益加大。目前，硅片主流产品是 200mm，逐 渐向300mm过渡，研制水平达到400mm～450mm。据统 计，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左 右，其余 占20%左右。根据最新的《国际半导体技术指南 （ITRS）》，300mm硅片之后下一代产品的直径为 450mm；450mm硅片是未来22纳米线宽 64G集成电路的 衬底材料，将直接影响计算机的速度、成本，并决定计算 机中央处理单元的集成度。
生长工艺如图所示。其中蒸发工艺、溅射等 可看成是直接生长法------以源直接转移到衬底上 形成薄膜；其它则可看成是间接生长法-----制备 薄膜所需的原子或分子，由含其组元的化合物， 通过氧化、还原、热分解等反应而得到。
淀积 钝化层 淀积 金属膜 生长 氧化层 N P N
氧化工艺 氮化硅 工艺 增层的 制程
一个尺寸相同的芯片上，所容纳的晶体管数量，
因制程技术的提升，每18个月到两年晶体管数量会加 倍，IC性能也提升1倍。现以1961年至2006年期间半 导体技术的发展为例加以说明，IC电路线宽由25微米 减至65纳米，晶圆直径由1英寸增为12英寸，每一芯 片上由6个晶体管增为80亿个晶体管，DRAM密度增 加为4G位，晶体管年销售量由1000万个增加到10的
行进 方向
3.3 晶体外延生长技术
外延是一种采取化学反应法进行晶体生长的另一种 技术。在一定条件下，以衬底晶片作为晶体籽晶， 让原子（如硅原子）有规则地排列在单晶衬底上， 形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度及完整 晶格结构的单晶层，由于这个新的单晶层是在原来 衬底晶面向外延伸的结果，所以称其为外延生长， 这个新生长的单晶层叫外延层。最常见的外延生长 技术为化学气相淀积（ CVD）和分子束外延生长 （MBE）。
是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长 温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系 统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。
3.4 晶体缺陷及对器件质量的影响
缺陷主要有： 点缺陷 位错(原生的和诱生的) 点缺陷 主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构引起 的应力所产生的缺陷， 还有就是空位 (晶格点阵缺 少原子所制)。如图所示 位错 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制 (如图所 示).. 原生位错是晶体中固有的位错，而诱生位错是指在芯 片加工过程中引入的位错，其数量远远大于原生位 错。产生的原因大致可分为三个方面
第二章 器件的制造步骤
• 半导体器件制造分4个不同阶段： 1.材料准备 2.晶体生长与晶圆准备 3.芯片制造 4.封装