半导体制造 chinese.docx

半导体制造 chinese.docx

《半导体制造 chinese.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体制造 chinese.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

半导体制造chinese

2半导体制造

在电子学中半导体器件已经被使用很久了。

在19世纪末期第一个固态整流器就被开发出来了。

1907年发明的方铅矿晶体检波器被广泛的用来制作晶体收音机。

到1947年，在充分理解半导体物理的基础上，Bardeen和Brattain都制作出了第一只双极型晶体管。

1959年，Kilby制作的第一块集成电路，从此揭开了现代半导体制造时代的序幕。

制造大量的可靠的半导体器件的障碍本质上来说主要是技术性而不是科学性的。

对于制作材料的严苛的纯净度和精确尺寸的控制的要求使得早期的晶体管和集成电路无法发挥他们应有的潜能。

早期的器件还不如说是实验室好奇心的产物。

大量生产需要的是一种全新的技术，且这种技术还在不断的快速进步。

本章将简单的整体阐述现代集成电路生产的工艺技术。

第3章讨论生产特殊型号的模拟集成电路的三种具有代表性的工艺。

2.1半导体生产

集成电路通常用硅制造，一种非常普遍且分布广泛的元素。

石英矿就是一整块二氧化硅，或叫做silica。

普通的沙子就是由小石英颗粒组成的，所以它主要也是silica。

尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长。

它是通过在电炉里人工加热silica和碳来制得的。

碳和原本silica中的氧结合，留下或多或少熔融状态的硅。

当它冷却时，无数微小的晶体就形成了，他们又会合成在一起形成有细密纹理的灰色固体。

这种硅被称为多晶硅，因为它是由大量晶体组成的。

杂质和混乱的晶体结构使这冶金级别的多晶硅不适合半导体制造。

冶金级别的硅能进一步提纯而产生特别纯净的半导体级别物质。

净化从把天然硅转化为易挥发性化合物，通常是trichlorosilane，开始。

经过反复的蒸馏后，用氢气把特别纯的trichlorosilane还原为硅。

最终的产物非常纯净，但仍旧有多晶体。

实用的集成电路只能用单晶物质制造，所以下一步就是生长一个适合的晶体。

2.1.1.晶体的生长

晶体的生长原理非常简单和熟悉。

假设在最终要蒸发的饱和溶液中加入一些糖晶体。

糖晶体的作用是作为额外的糖分子沉积的种子。

最后这个晶体能生长的非常大。

晶体的生长即使在缺乏种子的情况下也会发生，但产物中会有混乱的小的intergrown晶体。

通过抑制不需要的晶核区，种子的使用能生长更大，更完美的晶体。

理论上，硅晶体的生长方式和糖晶体的一致。

实际上，不存在适合硅的溶剂，而且晶体必须在超过1400℃的熔融状态下生长。

最终的晶体至少有一米长，十厘米的直径，如果他们要用在半导体工业上的话还必须有接近完美的晶体结构。

这些要求使得工艺很有挑战性。

通常生产半导体级别的硅晶体的方法是Czochralski工艺。

这个工艺，图2.1，使用装满了半导体级别的多晶体硅的硅坩锅。

电炉加热硅坩锅直到所有的硅融化。

然后温度慢慢降低，一小块种子晶体被放到坩锅里。

受控制的冷却使硅原子一层一层的沉积到种子晶体上。

装有种子的棒缓慢的上升，所以只有生长中的晶体的低层部分和熔融的硅有接触。

通过这个方法，能从融化的硅中一厘米一厘米的拉出一个大的硅晶体。

装有晶体的轴缓慢的旋转，保证生长的均匀性。

熔融硅的大表面张力把晶体变成了圆柱形而不是棱柱。

图2.1生长硅晶体的Czochralski工艺。

为了得到需要的纯度和尺寸的晶体，Czochralski工艺要求精确的控制。

自动化系统控制了熔化物质的温度和晶体生长的速度。

把少量的掺杂多晶硅加到熔融状态的硅中就能控制晶体中的掺杂浓度。

除了故意加入的杂质，silica坩锅里的氧和加热物质中的碳会溶解到熔融状态中的硅，混合进生长中的晶体。

这些杂质会很微妙的改变最终硅的电学特性。

一旦晶体生长到它的最终尺寸，它就会从熔融的液体中提起来，慢慢的冷却到室温。

最终的单晶硅圆柱体叫做ingot。

由于集成电路只是在硅晶体的表面形成，并不会穿透表面很深，所以ingot通常会被切成很多圆形的薄片，这就是wafer。

每片wafer能制作出成百上千甚至上万的集成电路。

Wafer越大，能制作的集成电路越多，经济成本也就越低。

大多数现代工艺用150mm（6’’）或200mm（8’’）的wafer。

通常长度在1到2米的ingot能产生上千片wafer。

2.1.2.wafer的制造

Wafer的制造涉及到一系列的机械工艺。

Ingot两头的锥形末端会被切掉。

剩下的就被磨成圆柱体，它的直径就决定了最后的wafers的尺寸。

研磨后就没有看得见的晶体方向标志了。

晶体的方向是由实验确定的，沿着ingot的某个边会磨出一个平面。

每个从它上面切下来的wafer就会有一个刻面，或flat，这样就明白无误的指出了晶体的方向。

研磨出flat后，制造商就用带钻石嘴的锯子把ingot切成wafers。

这道工艺中，有大于三分之一的宝贵的硅晶体就这样变成了没用的粉尘。

由于要经过切割工艺，wafers的表面都是刮痕。

由于集成电路的微小的尺寸要求特别光滑的表面，因此wafer的一面必须被抛光。

这道工艺开始于机械研磨结束于化学研磨。

最终像镜子一样亮的表面是暗灰色的并发出硅特有的接近金属的光泽。

2.1.3.硅的晶体结构

每片wafer是单个硅晶体的薄片。

下面的水晶结构决定了打破时wafer是怎么裂开的。

大多数晶体沿着原子间最薄弱的键cleavageplane裂开。

比如，钻石晶体在被金属楔强烈敲击后会裂开。

合适方向的敲击可以把钻石分成2半，每个都有完美的平整的表面。

如果敲击的方向不对，钻石就会粉碎。

硅wafer也有它独特的分裂模式，这可以用零碎的wafer和一叠纸和一支木铅笔来说明。

把wafer放在记事本上，把记事本放在膝盖上。

取一支木头铅笔，并把有橡皮的一端压在wafer的中央。

Wafer应该裂成4或6块楔形的小块，很像派的小块（图2.2）。

裂开方式的均匀性证明了wafer是由单晶硅组成的。

图2.3是硅晶体的一个三维模型。

在想象的立方体边界里由18个硅原子，它称为unitcell。

其中的6个在立方体的6个面的中心。

8个在立方体的顶点。

两个背靠背的unitcell共享4个顶点原子和一个面中央原子。

在所有的边上都有另外的unitcell，这样就在各个方向都拓展了晶体。

图2.2（100）和（111）硅wafer的典型裂开方式。

有些wafers还有第二个更小的flat，用来说明晶体方向和掺杂。

这些较小的flats没有画出来。

图2.3钻石结构unitcell是个改进的面中央立方体结构。

面中央的原子是暗灰色的。

当锯条硅ingot锯成wafer时，最后的表面方向和unitcell就决定了许多wafer的特性。

比如，一次切削能正好穿过unitcell的一个面或者对角穿过它。

这两种切削后的原子模式不同，他们表面形成的器件的电特性也不同。

然而，不是所有的穿过硅晶体的切削都肯定是不同的。

因为立方体的表面互相之间是不能区分的，穿过unitcell任何面的切削看上去和穿过其他面的是一样的。

换句话说，平行于任何unit立方体面的切削平面都有相似的表面。

因为很难用语言描述不同的平面，称为Millerindices的三重数字被用来分配给每个可能的穿过晶体结构的平面（附录B）。

图2.4是最重要的两种平面方向。

平行于立方体面的平面叫做（100）面，对角横穿3个顶点的面叫做（111）面。

硅wafer要么沿着（100）面要么沿着（111）面切。

尽管还有其他切法，他们都没有商业意义。

括号中的Millerindices指出对于晶体平面的垂线的方向。

比如，（100）面有一个[100]垂直于它的方向，（111）面有一个[111]垂直于它的方向。

附录B讨论了Millerindices是怎么计算的并用来代表他们的不同符号的意思。

图2.4立方体晶体的（100）和（111）面plane

2.2光刻

硅wafer仅仅是集成电路制造的第一步。

剩下很多步骤是把物质沉积在wafer上或把他们蚀刻掉。

有很多复杂的沉积和蚀刻技术，但大多数是没有可选择性的。

无选择性，或blanket，工艺会影响整个硅表面而不是部分。

少数可选择性工艺太慢或太贵，对大批量的生产是无意义的。

一种叫做光刻的技术可以实现可选择性的沉积或蚀刻需要的复杂图形。

集成电路生产中大量使用了光刻。

2.2.1光刻胶

光刻开始于一种称作光刻胶的感光性液体的应用。

图形能被映射到光刻胶上，然后用一个developer就能做出需要的模板图案。

光刻胶溶液通常被旋转式滴入wafer。

如图2.5所示，wafer被装到一个每分钟能转几千转的转盘上。

几滴光刻胶溶液就被滴到旋转中的wafer的中心，离心力把溶液甩到表面的所有地方。

光刻胶溶液黏着在wafer上形成一层均匀的薄膜。

多余的溶液从旋转中的wafer上被甩掉。

薄膜在几秒钟之内就缩到它最终的厚度，溶剂很快就蒸发掉了，wafer上就留下了一薄层光刻胶。

最后通过烘焙去掉最后剩下的溶剂并使光刻胶变硬以便后续处理。

镀过膜的wafer对特定波成的光线很敏感，特别是紫外（UV）线。

相对来说他们仍旧对其他波长的，包括红，橙和黄光不太敏感。

所以大多数光刻车间有特殊的黄光系统。

图2.5光刻胶溶液在旋转wafer上的应用。

Electricmotor

基本的光刻胶根据它在曝光时不同的化学反应分为两种。

Negativeresist在UV光线下聚合。

未曝光的negativeresist仍旧可以溶于某种溶剂，而聚合的光刻胶变得不可溶解。

当wafer浸入溶液时，未曝光区就被溶解了，曝光区保持原样。

另一种，positiveresist在UV光线下化学分解。

这些resists通常不溶解于developing溶液，但是曝光过的部分化学上已经变得可溶解了。

当wafer浸入溶液后，曝光区会被冲洗掉，而未曝光区保持原样。

Negativeresist在development时可能会膨胀，所以工艺工程师通常喜欢用positiveresists。

2.2.2.光罩和Reticles

现代光刻依靠的一种类似于放大照片底片的投影印刷。

图2.6是简化的曝光过程。

透镜系统校准一个强UV光源，称为光罩的金属盘子会挡住光线。

UV光穿过光罩中透明的部分和另外的透镜在wafer上形成图像。

图2.6中的仪器叫做aligner，因为她必须保证mask的图像和已存在的wafer上的图案精确对准。

图2.6简化的用aligner光罩曝光。

Sensitizedwafer

作为光罩底层的透明版图必须在尺寸上很稳定，否则它投影的图案和先前其他MASK投影的图案就不会对齐了。

这些板子通常是含有fusedsilica（通常被误认为是石英）。

在plate的表面上了一薄层金属后，用任何一种不同的但高精度－－但是很慢很费钱－－的方法制造光罩。

光罩上的图形通常是投影到wafer上的图形的5或10倍。

照相微缩把光罩上的缺陷或无规律的尺寸缩小了，所以提高了最后图像的质量。

这种放大的光罩根据放大的度数不同叫做5X或10Xreticle。

Reticle能用来直接在wafer上形成图案，但这么做有机械困难。

Aligner能接受的光罩尺寸被机械方面比如不容易制造所需精度的大透镜所限制了。

结果，大多数商业aligners用的是和wafer同尺寸的光罩。

一次就能在整个wafer上形成图案的5Xreticle是wafer尺寸的5倍，所以它也装不到aligner里。

实用的5X或10Xreticles仅仅是用来在最终的wafer图像上曝光一个小矩形部分的。

为了在整个wafer上复制图案，这个reticle必须沿着wafer逐步调整并在不同的位置曝光。

这个工艺叫做stepping，用来stepreticle的aligner叫做stepper。

Stepper比普通的aligners慢且更造价高昂。

也有一种用来制造尺寸要求不特别精确的集成电路的比较快的曝光方法。

Reticle是在另一块光罩而不是wafer上step的。

这块光罩现在有了所需图案的1X图像。

最后的光罩，叫做steppedworkingplate，能在整个wafer上一次整体曝光。

Steppedworkingplates使得光刻更快费用更低廉，但是效果不如直接在wafer上steppingretilce精确。

即使最小的灰尘斑点也已经大到能堵住一部分图像的传输而毁掉至少一块集成电路。

在waferfab里特别的空气过滤技术和保护性工作服都已普遍使用，但是仍旧会有一些灰尘避过这些防范措施。

光罩的一边或两边通常都装有薄膜防止曝光中灰尘的干扰。

透明的塑料薄膜装在环形的spacers上，它紧紧的贴在mask的表面。

穿过薄膜的光线没有被聚焦，所以薄膜上的微粒不会出现在投影的图像上。

薄膜也密封了mask的表面使它不受灰尘影响。

2.2.3.Patterning

曝光过的wafer会用一种合适的developer喷射，通常都是有机溶液的混合液。

Developer会溶解部分resist而露出wafer的表面。

沉积或蚀刻只影响这些暴露出的区域。

一旦选定的工艺完成，光刻胶就能用溶液洗掉。

或者，也可以用有氧环境下的反应式离子蚀刻（节2.3.2）来把光刻胶去掉。

这个过程叫做ashing。

许多重要的制造工艺都要求masking层能经受高温。

由于大多数实用的光刻胶都是有机化合物，很明显他们都不适合。

两种普遍的高温masking物质是二氧化硅和氮化硅。

适合的气体和硅表面反应就能形成这些物质。

这时候就可以用光刻胶和形成图案并用蚀刻工艺在氧化层或氮化层上开洞了。

现代工艺技术已经在高温沉积和扩散的masking中大量使用氧化层和氮化层。

2.3氧化物的生成和去除

硅能形成很多种氧化物，最重要的一种是二氧化硅（SiO2）。

这种氧化物有很多很有价值的特性，所以硅也变成了最重要的半导体。

其他半导体有更好的电特性，但只有硅能形成非常好的氧化物。

只要在有氧的环境下加热就能在硅wafer表面形成二氧化硅。

最终的薄膜能阻止大多数通常的溶液，但它还是能溶解在氢氟酸里。

氧化薄膜是极好的电绝缘体，它不止能隔绝金属导体也能形成电容和MOS晶体管里的电介质。

二氧化硅对硅工艺是如此重要，所以它被更通常的称作氧化物。

2.3.1.氧化物的生长和沉积

生成氧化层最简单的方法是在有氧环境下加热硅wafer。

如果用纯净的干氧气，最终的氧化膜叫做干氧化层。

图2.7是一种典型的氧化设备。

Wafer被装在叫做wafer船的fusedsillica架子上。

Wafer船被慢慢的送入电加热覆盖物包裹着的fusedsilica管中。

随着wafer船进入加热区的中央，wafer的温度慢慢升高。

氧气进入管子吹过每一个wafer的表面。

在升高的温度后，氧分子最终穿过氧化层扩散到底下的硅。

氧和硅反应，氧化层渐渐的更厚了。

随着氧化层的增厚，氧扩散的速度越来越慢，所以生长速度随着时间降低。

如表2.1所示，高温能加速氧化层的生长。

晶体方向也会影响氧化速度，（111）硅氧化速度比（100）硅大的多（1W.R.Runyan和K.E.Bean,SemiconductorIntegratedCircuitProcessingTechnology（Reading,MA:

Addison-Wesley,1994）,p.84ff.）一旦氧化层达到需要的厚度（随着时间和温度测量），wafer就慢慢的从炉子里退出来。

图2.7氧化炉的简化图furnace

表2.1在（111）硅上生长0.1μm的氧化层所需的时间（2从R.P.Donovan,”Oxidation”,inR.M.Burger和R.P.Donovan,eds.,FundamentalsofSiliconIntegratedDeviceTechnology（EnglewoodClifffs,NJ:

Prentice-Hall,1967）,pp.41,49.计算而来）

干氧化层生长起来非常慢，但它的质量特别好因为相对来说在氧化硅界面几乎没有缺陷。

这些缺陷，或者表面情况，会干扰半导体器件特别是MOS晶体管的正常工作。

表面情况的密度是用一个叫做surfacestatecharge或者Qss的参数来衡量的。

生长在（100）硅上的干氧化薄膜有特别低的surfacestatecharge，所以是MOS晶体管的理想电介质。

湿氧化层的生长方法和干氧化层的一样，但是在加热管中有蒸汽注入，加速氧化。

水蒸气快速通过氧化层，但水分子分解而释放出的氢会降低氧化层的质量。

（3因为湿氧化而产生的氢降低了dangling键的浓度，但也提高了fixedoxidecharge。

所以湿氧化和干氧化并不是像本文中写的那么简单。

）湿氧化通常应用来生产没有active器件的厚fieldoxide层。

高压的环境也能加速干氧化中氧化层的生成。

有时候要在非硅物质上生长氧化层。

比如，氧化层经常作为两层金属之间的绝缘层。

在这种情况下，就要用沉积氧而不是前面讨论的生长氧的方法了。

沉积氧化物可以通过气态硅化物和气态氧化剂之间不同的反应制得。

举例来说，硅烷气体和一氧化二氮反应能生成氮气，水蒸气和二氧化硅。

沉积氧化物的密度低且有很多缺陷点，所以它不适合作为MOS晶体管的电介质。

不过它还是能用作多层金属导体之间的绝缘层或作为保护性的overcoats。

由于薄膜干涉的存在，氧化层看上去是明亮的。

当光线穿过透明的薄膜时，入射和反射波阵面之间的破坏性干涉会吸收特定波长的光。

不同的膜厚会吸收不同颜色的光。

薄膜干涉使肥皂泡表面和水面上的油膜看上去是彩色的。

同样它也使集成电路的微缩照片看上去是彩色的。

这些不同的颜色能帮助我们区分显微镜或缩微照片里集成电路的不同区域。

氧化层的大概厚度能用一张氧化物颜色表来确定（4该表参见W.A.Pliskin和E.E.Conrad,”NondestructiveDeterminationofThicknessandRefractiveIndexofTransparentFilms,”IBMJ.ResearchandDevelopment,Vol,8,1964,pp.43-51.）2.3.2.氧化物的去除

图2.8说明了在氧化层上刻出图形的过程。

第一步在wafer上生长一薄层氧化物。

接下来，滴光刻胶到旋转的wafer上。

用烘焙炉去除溶液并使光刻胶变硬。

光刻曝光后，用溶液洗掉曝光区域的光刻胶，露出氧化层。

留下的光刻胶作为氧化层蚀刻时的mask物质。

最后把光刻胶都洗去，留下刻好的氧化层。

图2.8氧化生长和去除步骤

可以用两种方法来蚀刻。

湿蚀刻用溶液洗去氧化物而不是光刻胶或底下的硅。

干蚀刻用反应式等离子达到同样的效果。

湿蚀刻很简单，但干蚀刻能更好的做到线宽控制。

大多数湿蚀刻用的溶液是氢氟酸（HF）。

这是一种很容易溶解二氧化硅的强腐蚀性物质，但它不会影响硅或有机光刻胶。

蚀刻过程包括把wafer浸入有氢氟酸溶液的塑料桶里一定的时间，然后把所有的酸都冲洗掉。

湿蚀刻是等方性的，因为它垂直和横向的处理速度都是一样的。

图2.9A说明了酸在工作时会在光刻胶的边缘下产生slopingsidewalls。

由于为了保证要有足够的时间使得所有的开口的地方都完成，过蚀刻就不可避免了。

只要wafer还浸在酸里，它就不断的腐蚀sidewall。

不同的蚀刻条件，氧化层厚度和其他因素决定了有不同的sidewall腐蚀程度。

由于这些不确定性，湿蚀刻不能满足现代半导体工艺的苛刻的线宽控制要求。

有几种不同的干蚀刻工艺。

（5反应式离子蚀刻是3种干蚀刻中的一种，其他两种是等离子蚀刻和化学蒸汽蚀刻。

RIE是最有用的因为它能提供很好的各向异性的特性。

参见Runyan,etal.,pp.269-272.）一种称为反应式离子蚀刻（RIE），它用等离子轰击来腐蚀wafer表面。

穿过低压混合气体的silent电泻放能产生高能分子，称为反应式离子。

蚀刻设备把这些离子以高速向下注入wafer。

因为这些离子以很陡峭的角度撞击wafer，蚀刻过程中垂直方向比横向的速度快的多。

反应式离子蚀刻的各向异性使sidewall就像图2.9B一样垂直。

图2.10是反应式离子蚀刻设备简图。

图2.9各向同姓的湿蚀刻（A）和各向异性的干蚀刻（B）的比较。

注意湿蚀刻引起的氧化物的凹槽。

RIE系统中的蚀刻气体用的是有机卤化物，比如trichloroethane，或者和惰性气体比如氩气混合。

从这些混合物里得到的反应式离子会优先攻击二氧化硅而不是光刻胶或硅。

已经开发出了不同的蚀刻气体混合物，他们能各向异性的蚀刻氮化硅或硅或其他物质。

图2.10反应式离子蚀刻设备简图

现代工艺只能依靠干蚀刻来获得亚微米几何图形的精确控制。

这些结构更高的封装密度和更好的性能补偿了干蚀刻的复杂性和高成本。

2.3.3.氧化物生长和去除的其他效应

在典型的工艺处理顺序里，wafer要反复几次氧化和蚀刻才能得到masking层。

这些多次的masked氧化使得硅表面非常不平坦。

最终表面的不平整必须特别注意因为现代的精细的光刻有非常狭窄的field深度。

如果表面不平整太厉害，想把光罩的图像定位在resist上就变得不可能了。

看一下图2.11中的wafer。

平坦的硅表面已经被氧化，蚀刻后形成一系列氧化层开口（图2.11A）。

经过对蚀刻后的wafer热氧化形成图2.11B所示的截面图。

原先去除氧化层留下的开口又快速的氧化，而已经覆盖了一层氧化层的表面氧化起来比较慢。

硅表面腐蚀掉大约45％的氧化物厚度的增长。

（6这个值是Pilling-Bedworth比例，相当于2.2的倒数：

G.E.Anner,PlanarProcessingPrimer（NewYork:

VanNostrandReinhold,1990）,p.169.）原来氧化层开口下的硅比周围的硅凹下去更深。

在原先氧化层开口的氧化物厚度小于周围表面的厚度，因为周围表面原来就已经有一层氧化层。

氧化物厚度和硅表面深度的差别合起来产生了表面中断特性，叫做oxidestep。

图2.11wafertopography上的patterened氧化效应

热氧化的生长也会影响底下硅的掺杂。

如果杂质比硅更可以溶于氧化物，那么在氧化的过程中，它会从硅中迁移到氧化物中。

这样硅表面就变成杂质的耗尽区。

硼更好溶于氧化物而不是硅，所以它会转移到氧化物中。

这个效应有时叫做boronsuckup。

相反的，如果杂质更容易溶于硅而不是氧化物，那么氧化硅界面会把杂质推到硅里，在表面形成一个本地的更高的掺杂水平。

磷（就像砷和锑）迁移到硅中，所以随着氧化的进行，他们会聚集到表面来。

这个效应有时叫做phosphoruspileup或者phosphorusplow。

图2.12A和图2.12B的掺杂图分别说明了boronsuckup和phosphorusplow。

在这两种情况中，前氧化掺杂水平是个常数，由于隔离,靠近表面的杂质浓度都是互不相关的。

隔离机制的存在使设计集成器件的杂质水平更复杂。

图2.12氧化隔离机制：

（A）boronsuckup和（B）phosphorusplow（7A.S.Grove,O.Leistiko,andC.T.Sah,“RedistributionofAcceptorandDonorImpuritiesDuringThermalOxidationofSilicon,”J.Appl.Phys.,Vol.35,#9,1964,pp.2695-2701.）

硅的掺杂也影