目录
●一、半导体产业介绍
●二、器件的制造步骤
●三、晶圆制备
●四、芯片制造
●五、污染控制
●六、工艺良品率
一、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。
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，这个努力在年12月23日得以实现。也就是第一只Ge合金管的诞生。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C)和硅晶体管的工作温度都优于锗(熔点温度°C)，加之Si02的天然生成使得硅晶体管很快取代了Ge晶体管。
1.3集成电路
最早的集成电路仅是几个晶体管、二极管、电容器、电阻器组成，而且是在锗材料上实现的，是由德州仪器公司的杰克·基尔比发明的。如图所示。右图是用平面技术制造的晶体管
1.4工艺和产品趋势
·从以开始，半导体工业就呈现出在新工艺和器件结构设计上的持续发展。工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度,更多的数量和更高的可靠性。
·尺寸和数量是IC发展的两个共同目标。
·芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，将此定义
为制造复杂性水平的标准。
·通常用微米来表示。一微米为1/厘米。
·GordonMoore在年预言IC的密度每隔18～24个月将翻一番，——摩尔定律。
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。现以年至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，晶体管年销售量由万个增加到10的18次方至19次方个，但晶体管平均售价却大幅下降10的9次方倍。
·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--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。
二、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
材料准备→晶体生长与晶圆准备→晶圆制造→封装
三、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
mm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。
·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mm的晶圆上可以生产大约个处理器核心，而使用mm的晶圆可以制造大约个处理器核心，mm直径的晶圆的面积是mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.倍，并且mm晶圆实际的成本并不会比mm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。
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mm,逐渐向mm过渡，研制水平达到mm~mm。据统计，mm硅片的全球用量占60%左右，mm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)》，mm硅片之后下一代产品的直径为mm;mm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。
Si的制备过程--般为:
·SiC(固体)+SiO,(固体)-Si(固体)+SiO(气体)+CO(气体)
·Si(固体)+3HCI(气体)-SiHCl3(气体)+H2(气体)SiHCI3(气体)+H2(气体)-Si(固体)+3HCI(气体)
3.2晶体生长
半导体材料都是由构成其成分的原子规律排列而成，通常把这种原子规律排列而成的材料称为单晶。而它是由大块的具有多晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。有三种不同的生长方法:直拉法区熔法液体掩盖直拉法
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。
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砷化镓制砷的挥发。故得其名，如图所示。
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晶闸管和整流器上，生长系统如图所示。
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)。
·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。
·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。
·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
·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。
3.5晶片加工
晶片加工是指将单晶棒经过切片、磨片、拋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。
磨片因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造的，如图所示，它不可能直接使用，所以必须去处切片工艺残留的表面损伤。
磨片是一个传统的磨料研磨工艺
·抛光普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机.械加化学，经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。
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(AI)、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、AI等)，无机绝缘材料(SiO2、Si3N4、AI2O3等)，半绝缘材料(多晶硅、非晶硅等)。
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。
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--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。
五、污染控制
5.1概述
在这一章中，将解释污染对器件工艺、器件性能和器件可靠性的影响，以及芯片生产区域存在的污染类型和主要的污染源。同时也简要介绍洁净室规划、主要的污染控制方法和晶片表面的清洗工艺等。
5.2污染类型
微粒金属离子化学物质细菌
·微粒
器件对污染物的敏感度取决于特征图形的尺寸和晶体表面沉积层的厚度。由于特征图形尺寸越来越小，膜层厚度越来越薄，所允许存在的微粒尺寸也必须控制在更小的尺度上。
经验告诉我们，微粒的大小要小于器件上最小特征图形尺寸的1/10。(就是说直径为0.03微米的微粒将会损坏0.3微米线宽大小的特征图形。)否则会造成器件功能的致命伤害。
·金属离子
无论是单晶制造还是工艺过程中人为掺杂，在引入有用杂质的同时也不可避免地引入一些其他有害的杂质，特别是金属杂质。并且是以离子形式出现的而且是移动的。当这些移动的离子超过一定数量时，同样会引起器件的失效。因此，这些可移动的离子必须控制在一定范围内。
除此之外，钠也是最常见的可移动离子污染物,而且移动性最强，因此，对钠的控制也成为芯片生产的首要目标。
可移动污染物问题特别是对MOS器件影响更为明显，因为MOS器件是表面电荷控制器件。
·化学品器件生产过程中化学品的应用是不可避免的，有些化学品将导致晶片表面受到不必要的刻蚀，或者生成无法除去的化合物等，氯就是其中之一的污染物，所以，工艺过程中用到的化学品氯的含量必须受到严格控制。
·细菌主要来源于水中，是一种生成物。细菌一旦形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望的金属离子。
·污染的影响
器件工艺的良品率器件性能器件的可靠性，
5.3污染源
下面将讨论对器件生产中产生影响的各类污染的来源、性质及其控制。从LSI出现以来，污染控制就突现出来它的重要性。如今污染控制本身已成为一门科学，是制造半导体器件必须掌握的关键技术之一。
5.3.1普通污染源
实际上芯片生产过程中任何与产品相接触的物质都是潜在的污染源。主要有:
空气厂房设备工作人员使用的水
化学溶剂化学气体静电
5.3.2空气普通空气中含有许多污染物，主要是可在空气中传播的颗粒(一般是微粒或浮尘)颗粒的相对尺寸如下图所示(单位是:微米)。
这些微小颗粒的主要问题是在空气中长时间漂浮。而洁净工作室的洁净度就是由空气中的微粒大小和微粒含量决定的。
美国联邦标准E规定空气质量由区域空气级别数来决定的。标准按两种方法设定，一是颗粒的大小，二是颗粒的密度。
而级别数是指在一立方英尺中含有直径为0.5微米或更大的颗粒总数。
一般城市空气中通常包含烟、雾、气，每立方英尺多达万个颗粒，所以是万级。
图5.6显示了标准E规定的颗粒直径与颗粒密度的关系。
不同环境下洁净级别数与对应的颗粒大小
环境级别数最大颗粒尺寸限度(微米)
MB内存加工车间0..1
微环境0.10.1
超大规模集成电路加工车间10.1
特大规模集成电路加工车间.3
空气层流立式.5
工作台装配区~0.5
库房0
室外000
5.3.3净化空气的方法
洁净室的设计是要使生产免污染芯片的能力更完整化。设计时的主要思路是保持加工车间中空气的洁净。另外提高生产自动化水平也是降低污染的一种有效方法。共有4种不同的洁净室设计方法:
·洁净工作台
·隧道型设计
·完全洁净室
·微局部环境
具体就不作详细的介绍，下面通过几组图片的浏览使大家有个初步的印象。
5.4.3人员产生的污染
工作区人员也是最大的污染源之--。即使个经过风淋的洁净室操作员，当他坐着时，每分
钟也可释放10万到万个颗粒，当人员移动时，这个数字还会大幅增加。这些颗粒都是来自脱落的头发和坏死的皮肤。其他的颗粒源还有象化妆品、、染发剂和暴露的衣服等。图5.18列出了从不同操作人员的动作中产生的污染物的水平。
5.4.4工艺用水
在晶圆生产的整个过程中，要经过多次的化学刻蚀与清洗，每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲洗。由于半导体器件非常容易受到污染，所以所有工艺用水必须经过处理，达到非常严格洁净度的要求。
普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的污染物，主要有
溶解的矿物颗粒菌
溶解氧二氧化碳有机物
普通水中的矿物来自盐分，盐分在水中分解为离子。例如食盐会分解为钠离子和氯离子。每个离子都是污染物。
通常采用反渗透和离子交换系统去除水中的离子。去除离子后的水通常称为去离子水。去离子水在25°C时的电阻是Q·cm,，也就是一般称为18MQ。图5.19显示了当水中含有大量不同的溶解物质时的电阻值。在VLSI制造中,工艺水的目标是18MQ。
水中的细菌是通过紫外线去除。
第六章工艺良品率
概述
高水平的工艺良品率是生产性能可靠的芯片并获得收益的关键所在。本章将简单介绍影响良品率的主要工艺及材料要素，并对良品率测量点做出阐述。
维持及提高良品率对半导体工业至关重要,因为半导体制造工艺的复杂性，以及生产一个完整封装器件所需要经历的庞大工艺制程，是导致这种对良品率超乎寻常
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