芯片制造.docx
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芯片制造
第一章《半导体工业》
1、电子数字集成器和计算器（ENIAC）18000个真空三极管，70000个电阻，10000个电容，6000个开关，耗电150000W，成本约400000美元重30吨，占地140平方米宾夕法尼亚的摩尔工程学院于1947年进行公开演示；
2、晶体管（transistor）－传输电阻器。
JohnBardeen,WalterBrattin,WilliamShockley共同荣获1956年诺贝尔物理奖；
3、每个芯片中只含有一个器件的器件称为分立器件（晶体管、二极管、电容器、电阻器）
4、集成电路（integratedcircuit）平面技术（planartechnology）Kilby&Noyce共同享有集成电路的专利；
5、集成电路中器件的尺寸（特征图形尺寸－微米）和数量时IC发展的两个共同标志。
集成度水平（integrationlevel）的范围：
小规模集成电路?
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SSI?
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2－50（单位芯片内的器件数）?
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芯片边长约为100mils
中规模集成电路?
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MSI?
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50－5000（单位芯片内的器件数）
大规模集成电路?
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LSI?
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5000－100000（单位芯片内的器件数）
特大规模集成电路?
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VLSI?
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100000－1000000（单位芯片内的器件数）
超大规模集成电路?
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ULSI?
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>1000000（单位芯片内的器件数）芯片每边长约为500mils
储存器电路由其存储比特的数量来衡量；
逻辑电路的规模经常用栅极的数量来评价；
6、1960年1英寸直径晶圆；8英寸（约200毫米）?
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12英寸（约300毫米）1英寸=25.3mm
7、特征尺寸的减小和电路密度的增大带来了很多益处。
在电路的性能方面时电路速度的提高、传输距离的缩短，以及单个器件所占空间的减小使得信息通过芯片时所用的时间缩短；电路密度的提高还使芯片或电路耗电量更小；
8、成本降低和性能提高这两个因素推动了固态电子在产品中的实用；据估计到2008年全世界工业生产的晶体管将达到每个人10亿个；
9、电子工业可分为两个主要部分：
半导体和系统（产品），涵盖印刷电路板制造商；
半导体产业由两个主要部分组成：
一部分是制造半导体固态器件和电路的企业，生产过程称为晶圆制造（waferfabrication）,在整个行业有三种类型的芯片供应商，一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一种是做设计和晶圆市场的公司，他们从晶圆工厂购买芯片；还有一种是晶圆代工厂，它们可以为顾客生产多种芯片
10、固态器件的制造阶段：
材料准备－晶体生长与晶圆准备－晶圆制造（前线工艺FEOL和后线工艺BEOL）－封装
二氧化硅（沙子）－含硅气体－硅反应炉－多晶硅
11、场效应管（FET）；金属氧化物（MOS）；氧化掩膜；平面技术；外延；
12、1963年塑封在硅器件上的使用加速了价格下滑，绝缘场效应管（IFET），互补型MOS（CMOS）电路；
13、接触光刻机（contactaligner）、投射光刻机、离子注入机、电子束（E-beam）机、膜版步进式光刻机（Stepper）
14、工业控制的技术竞争：
自动化、成本控制、工艺特性化与控制、人员效率
15、国家技术发展路线图（NationalTechnologyRoadmapforSemiconductor，NTRS）
第二章半导体材料和工艺化学品
1、原子结构：
电子质子中子空穴（未填充电子的位置）
任何原子中都有数量相等的质子和电子；任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子；有相同最外层电子数的元素有着相似的性质；最外层被填满或者拥有8个电子的元素是稳定的；原子会试图与其他原子结合而形成稳定的条件。
2、导电率C＝1/ρ?
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ρ为电阻率，单位为欧姆·厘米?
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Ω·cm
3、电容：
把一层绝缘材料夹在两个导体之间就形成的一种电子元件，电容的实际效应就是储存电荷?
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C＝kEA/t?
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C-电容k-材料的绝缘常数E-自由空间的介电常数（自由空间有最高的电容）?
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A-电容的面积t-绝缘材料的厚度。
4、电阻R＝ρL/WD?
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ρ为材料电阻率L为长度?
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W为宽度?
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D为高度
5、导体半导体相关特性：
材料的电分类和掺杂半导体的性质?
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空穴流（holeflow）
6、载流子迁移率：
在电路中，我们对载流子（空穴和电子）移动所需能量和其移动的速度都感兴趣。
移动的速度叫做载流子迁移率，空穴比电子迁移率低，在为电路选择特定半导体材料时，这是个非常值得考虑的重要因素。
7、半导体产品材料：
锗（熔点937度）－表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电；?
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硅（熔点1415度）
半导体化合物：
砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）、磷化铟（InP）、砷铝化镓（GaAlAs）、磷镓化铟（InGaP）。
其中砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）可用于发光二极管LED制造。
8、砷化镓（GaAs）有诸多优势：
载流子的高迁移率、对辐射造成的漏电具有抵抗性、其半绝缘性使邻近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度。
即便如此砷化镓也不可能替代硅成为主流的半导体材料，因为其性能和制造难度之间的权衡。
另外砷对人类使很危险的。
9、锗化硅：
器件和集成电路的结构特色是用超高真空/化学气相沉积法（UHV/CVD）来淀积锗层。
异质结构（hetrostructure）、异质结（heterojunciton）
10、铁电材料：
PZT＆SBT，并入SiCOMS存储电路，叫做铁电随机存储器（FeRAM）
11、工艺化学品：
当把芯片的制造成本加在一起时，其中化学品占总制造成本的40％
分子、化合物、混合物、离子（ion）、离子的（ionic）；固体、液体、气体、等离子体
12、物质的性质：
（摄氏温标中改变一度比华氏温标中需要更多的能量）
温度：
华氏温标（-491.4、32、212）、摄氏温标（-273、0、100）、开氏温标（0、273、373）
华氏温标时德国物理学家GabrielFahrenheit用盐和水溶液开发的，盐溶液的冰点温度定为华氏零度。
但由于纯水的冰点温度更有用，所以在华氏温标中水的冰点温度为32F，沸点温度为212F，两者相差180F。
密度（dense）、比重（specificgravity）蒸气密度（vapordensity）
气压表示为英镑每平方英寸（psia），大气压或托（torr）；真空（vacuum）；毫米汞柱（manometer）
酸、碱、溶剂：
酸中含有氢离子（hydrogenion），碱中含有氢氧离子（hydroxideion）
材料安全数据表（MSDS）－美国联邦职业、安全和健康法案（OSHA）的规定
第三章晶圆制备
1、晶圆制备阶段：
矿石到高纯气体（四氯化硅或者三氯硅烷）的转变－气体到多晶的转变－多晶（polysilicon）到单晶、掺杂晶棒的转变－晶棒到晶圆的制备；
2、原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体（crystal）；原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶体或者无定形（amorphous）；
3、晶体里的原子排列为晶胞（unitcell）结构－晶体结构的第一个级别；晶格（lattice）；
硅晶胞具有16个原子排列成金刚石结构，砷化镓晶体具有18个原子的晶胞结构称为闪锌矿结构；
4、当晶胞间整洁而有规则地排列时，第二个级别地结构发生了，这样排列的材料具有单晶结构。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测的特性，单晶结构允许在半导体里一致和可预测的电子流动；
5、晶向（crystalorientation），晶面通过一系列称为密勒指数的三个数字组合来表示，<100>晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路，而<111>晶向的晶圆用来制造双极型器件和电路。
6、把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。
直拉法CZ：
籽晶放肩形成一薄层头部－等径生长－收尾，可形成几英寸长和直径大到12英寸或更多的晶体，200毫米晶圆晶体重约204kg，三天时间生长。
高氧含量晶体；
液体掩盖直拉法LEC：
用来生长砷化镓晶体，由于砷有有挥发性，一是通过给单晶炉加压来抑制砷的挥发，另一个是用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发；
区熔法：
不能像直拉法那样生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，但不需要石英坩埚便会生长出低氧含量的高纯晶体。
低氧晶体可用在高功率的晶闸管和整流器上；
7、晶体缺陷：
点缺陷（空位）、位错、原生缺陷（滑移、孪晶）
8、晶体准备：
截断：
用锯子截掉头尾；
直径滚磨：
在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作；
晶体定向、电导率和电阻率检查；
滚磨定向指示：
主参考面、第二个参考面；
切片；
晶圆划号：
使用激光点；
磨片：
主要目的是去除切片工艺残留的表面损伤；
化学机械抛光CMP：
制造大直径晶圆的技术之一，化学机械平面化（planarization）；
背处理：
背损伤、吸杂、背面喷沙、背面多晶层或氮化硅的淀积；
双面抛光；
边缘倒角和抛光：
边缘倒角是使晶圆边缘圆滑的机械工艺；
晶圆评估：
直径及公差、厚度、晶体定向、电阻率、Res梯度、氧含量、氧化度、碳含量；
氧化；
包装；
晶圆外延。
第四章?
芯片制造概述
1、芯片制造的四个阶段：
原料制作－单晶生长－晶圆制造、集成电路晶圆的生产（waferfabrication）－集成电路的封装；
2、晶圆术语：
器件或叫芯片－Chip、die、device、circuit、microchip、bar
街区或锯切线－Scribelines、sawlines、streets、avenues
工程试验芯片－Engineeringdie、testdie
边缘芯片－Edgedie
晶圆的晶面－WaferCrystalPlane
晶圆切面/凹槽－Waferflats/notche
3、晶圆生产的基础工艺：
增层－光刻－掺杂－热处理
基本工艺
制程方法
具体分类
增层
氧化
常压氧化法
高压氧化法
快速热养护（RTO）
化学气相淀积
常压化学气相淀积
低压化学气相淀积
等离子增强化学气相淀积
气相外延法
金属有机物（CVD）
分子束外延
物理气相淀积
真空蒸发法
溅射法
光刻
Photomasking
Masking
Photolithography
Microlithography
光刻胶
正胶工艺
负胶工艺
曝光系统
接触式曝光
接近式曝光
投影式曝光
步进曝光机
曝光源
高压汞
X射线
电子束曝光
成像工艺
单层光刻胶
多层光刻胶
防反射层
偏轴照明
环状照明
平坦化
对比度提高
刻蚀
湿化学刻蚀
干法刻蚀
剥脱
离子磨
反应离子蚀刻法
掺杂
热扩散
Thermaldiffusion
开放式炉管－水平/竖置
封闭炉管
快速热处理
离子注入
implantation
中/高电流离子注入
低能量/高能量离子注入
热处理
加热
加热盘
热对流
快速加热
热辐射
红外线加热
4、电路设计：
功能电路图（逻辑功能图）－示意图－电路版面设计（复合图composite）
5、光刻母版（reticle）和掩膜版：
光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的复制图。
6、晶圆测试：
又称芯片测试（diesort）或晶圆电测（electricalsort）
第五章污染控制
1、半导体器件极易受到多种污染物的损害：
微粒、金属离子、化学物质、细菌；
微粒：
1cm=10000um,人的头发直径约为100um，微粒的大小要小于器件上最小特征图形尺寸的1/10倍；（1994年SIA将0.18um设计的光刻操作的缺陷密度定为0.06um下的135个）
金属离子：
可移动离子污染物（MIC），Na是最常见之一；化学品：
以氯为代表；
2、污染引起的问题：
器件工艺良品率、器件性能、器件可靠性；
3、污染源：
空气、厂务设备、洁净室工作人员、工艺使用水、工艺化学溶液、工艺化学气体、静电；
4、空气
a.空气洁净等级标准209E：
区域中空气级别数是指在一立方英尺（0.0283立方米）中所含直径为0.5微米或更大的颗粒总数。
一般城市空气为500万级；
b、净化空气的方法：
洁净工作台、隧道型设计、完全洁净室、微局部环境
高效颗粒搜集过滤器（HEPA过滤器）、空气层流立式（VLF）工作台、空气层流平行式（HLF）工作台、标准机械接口装置（SMIF）、晶圆隔离技术（WIT）、晶圆盒（POD）；
c、温度、湿度及烟雾
5、洁净室的建设：
建筑材料－以不锈钢为主、洁净室要素－9种控制外界污染的技术
粘着地板垫、更衣区、空气压力、空气淋浴器、维修区、双层门进出通道、静电控制（静电放电电流ESD，防止静电堆积和防止放电）、净鞋器、手套清洗器
6、人员产生的污染：
经过风淋的洁净室操作员，坐着时每分钟可释放10万到100万个颗粒、移动时会大幅增大。
呼吸时也会排出大量水气和微粒；
7、工艺用水：
城市系统中水包含的污染物有溶解的矿物、颗粒、细菌、有机物、溶解氧、二氧化碳。
去除带电离子使水从导电介质变成阻抗，18MΩ水。
清洁工艺用水至可接受的洁净水平所需的费用是制造厂的一个主要运营费用；
8、工艺化学品：
一般溶剂、化学试剂、电子级和半导体级；
有几种技术可同时满足更洁净的化学品、更严格的工艺控制和较低的费用，其中一种是“点使用”（point-of-usePOU）化学混合器（BCDS的另一个版本）。
大量化学品传输系统（BCDS）、点使用化学品再生（POUCG），ppm-百万?
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ppb-十亿?
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ppt-万亿?
9、化学气体：
纯度、水汽含量、微粒、金属离子；氧气钝化（OP）、晶圆舟（waferboat）
10、设备：
机械设备是最大的微粒污染源；每片晶圆每次通过设备后增加的颗粒个数（ppp）、每片晶圆每次通过的颗粒增加数（PWP）
11、洁净室的供给、洁净室的维护；
12、晶片表面清洗：
颗粒、有机残留物、无机残留物、需要去除的氧化层；
前线（FEOL）清洗、后线（BEOL）清洗
颗粒去除（机械的）
通常的化学清洗（例如硫酸/氢气/氧气）
氧化物去除
有机物和金属去除（SC-1）
碱金属和氢氧化物的去除（SC-2）
水清洗步骤
芯片烘干
13、颗粒的去除：
VanderWaals吸引力、z电势、Capillary引力；晶片刷洗器；高压水清洗；有机残留物、无机残留物、化学清洗方案（硫酸、硫酸和过氧化氢、臭氧）
14、氧化层的去除：
RCA清洗，标准清洗-1SC-1、标准清洗-2SC-2
15、室温和氧化的化学物质：
臭氧化的去离子水、氢氟酸/过氧化氢/水/表面活性剂+兆声波（MEGASONIC）、双氧水+兆声波、氢氟酸稀释液（1%）、去离子水清洗+兆声波，（喷洒清洗-干法清洗-低温清洗CO2）；
16、水清洗：
溢流式清洗器、喷洒式清洗、排放式清洗、超声波辅助进行的清洗和水冲洗、旋转淋洗烘干机（SRD）;?
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20000-50000Hz为超声波、850KHz为兆声波；
17、烘干技术：
旋转淋洗烘干机、异丙醇（IPA）蒸气烘干机法、表面张力/麦兰（marangoni）烘干法
第六章工艺良品率
1、维持及提高良品率（yield）对半导体工业至关重要，三个主要的良品率被用来监控整个半导体工艺制程：
晶圆生产部门-良品率=晶圆产出数/晶圆投入数；
晶圆电测-良品率=合格芯片数/晶圆上的芯片总数；
封装-良品率=终测合格的封装芯片数/投入封装生产线的合格芯片数；
2、累积晶圆生产良品率：
在晶圆完成所有的生产工艺后，第一个主要良品率被计算出来，称之为FAB良品率、生产线良品率、累积晶圆厂良品率或CUM良品率。
要得到CUMl良品率，需要首先计算各制程站良品率（stationyield=离开制程站晶圆数/进入制程站晶圆数），将各制程站良品率相乘即得整体的晶圆生产CUM良品率（典型值50%-90%）。
3、晶圆生产良品率的制约因素：
a.工艺制程步骤的数量；
工艺步骤增加，良率下降；工艺步骤增加同时提高了后四个制约良品率因素对制程中晶圆产生影响的可能性—数量专治。
（对于商用半导体，75%的晶圆厂CUM良品率是赚取利润的底线，自动化生产线则要达到90%或以上）
b.晶圆破碎和弯曲；
手工和自动的操作、对晶圆的多次热处理、晶圆表面的平整性要求。
c.工艺制程变异；
工艺工程和工艺控制程序的目标不仅仅是保持每一个工艺操作在控制界限内，更重要的是维持相应的工艺参数稳定不变的分布。
正态分布（normaldistribution）+中心极限分布（centraltheoremdistribution）
d.工艺制程缺陷；
工艺制程缺陷被定义为晶圆表面受到污染或不规则的孤立区域（或点），这些缺陷经常被称为点缺陷（spotdefect），导致整个电路失效的缺陷称为致命缺陷（killerdefect）。
主要来源于晶圆生产区域涉及到的不同液体、气体、洁净室空气、人员、工艺设备和水等等。
e.光刻掩膜版缺陷。
一般有三种掩膜版引起的缺陷:
第一种是污染物、第二种是石英板基中的裂痕、第三种是在掩膜版制作过程发生的图案变形（点、空洞、包含、突出、断裂、桥）
4、晶圆电测良品率的制约要素：
晶圆直径、芯片尺寸（面积）、工艺制程步骤的数量、电路密度、缺陷密度、晶圆晶体缺陷密度、工艺制程周期；
a.晶圆直径和边缘芯片：
增大晶圆直径可减少边缘芯片比例，对晶圆电测良品率有正面影响
b.晶圆直径和芯片尺寸：
增加芯片尺寸而不增大晶圆直径将会导致晶圆表面完整芯片的比例缩小，当芯片尺寸增加时需用增大晶圆直径以维持很好的晶圆电测良品率。
c.晶圆直径和晶体缺陷（晶圆直径和工艺制程变异）：
增大晶圆的直径使得晶圆中心保留更多的未受影响的芯片从而提高晶圆电测良品率；?
d.芯片尺寸和缺陷密度：
对于给定的缺陷密度，芯片尺寸越大，良品率越低；
e.电路密度和缺陷密度：
对于给定的缺陷密度，电路密度越大，良品率越低；
f.工艺制程步骤的数量：
随着工艺制程步骤数量的增加，除非采取相应措施来降低由此带来的影响，晶圆背景缺陷密度将增加，增加的背景缺陷密度会影响更多的芯片，从而使晶圆电测良品率变低；
g.特征图形尺寸和缺陷尺寸：
较小的特征工艺尺寸使提高晶圆电测良品率增加了难度；
h.工艺制程周期：
较长的工艺制程周期也使提高晶圆电测良品率增加了难度；
i.晶圆电测良品率公式：
指数函数模型、Seeds模型、Murphy模型、负二项式模型；
5、封装和最终测试良品率：
封装工艺完成后，封装好的芯片会经过一系列的物理、环境和电性测试，总称为最终测试（finaltest），最终测试后得出第三个主要良品率。
6、整体工艺良品率：
整体工艺良品率是三个主要良品率的乘积，给出了出货芯片数相对最初投入晶圆上完整芯片数的百分比，它是对整个工艺流程成功率的综合评测。
由特定电路的集成度、生产工艺的成熟程度（三个良品率）等决定。
总体而言晶圆电测良品率是其中最低的一个环节，也是有更大提升空间的环节。
第七章氧化?
1、二氧化硅层的用途：
a.表面钝化：
保护器件的表面及内部、禁锢污染物在二氧化硅膜中；
b.掺杂阻挡层：
掺杂物在二氧化硅的运行速度低于硅中的运行速度、二氧化硅的膨胀系数与硅接近；
c.表面绝缘体：
氧化层必须足够厚，以免产生感应现象，称为场氧化物；
d.器件绝缘体：
热生成的氧化层可以用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质；
e.器件氧化物的厚度与用途：
60—100埃?
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隧道栅极,
150—500埃?
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栅极氧化、电容绝缘层?
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200—500埃?
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LOCOS氧化
2000—5000埃?
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掩膜氧化、表面钝化
3000—10000埃?
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场氧化?
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2、热氧化机制：
阶梯式升温方法，900-1000℃之间
a.生长氧化层会经历两个阶段：
线性阶段（<1000埃）和抛物线阶段;
受限反应（transportlimitedreaction）、受限扩散反应（diffusionlimitedreaction）；
b.一个加速氧化方法是用水蒸气（H2O）来代替氧气做氧化剂，氢氧基离子扩散穿过晶圆上的氧化层的能力比氧气快；
蒸气氧化（steamoxidation）、湿氧化（wetoxidation）、高温蒸气氧化（pyrogenicsteam）；
c.氧化率的影响因素：
晶格方向（<111>比<100>快）、晶圆掺杂物的再分配（N型堆积、P型消耗）、氧化杂质、多晶硅氧化、不均与的氧化率及氧化步骤）
3、热氧化方法：
热氧化反应（thermaloxidation）-常压、高压、阳极氧化
4、水平炉管反应炉（diffusionfurnacesortubefurnace）：
反应室、温度控制系统、反应炉、气体柜、晶圆清洗站、装片站、工艺自动化；
a.反应室：
高纯度石英（大于1200℃时易破碎称为钝化devitrification）或氮化硅材料；b.温度控制系统：
自动温度分布曲线控制系统（autoprofiling）、逐渐加温（ramping）、待机状态（idle）；
c.反应炉结构：
一般有3-4个炉管，可用于同一种工艺或被设计成不同的操作；
d.气体柜（sourcecabinet）：
气体控制面板（gascontrolpanel）、气体流量控制器（gasflowcontroller）、物流控制器（massflowmeter）、丛林（jungle）、氧化源（干氧、水蒸气源、气泡发生器、干氧化、加氯氧化）
e.晶圆清洗站：
自动清洗机（VLF湿槽）+漂洗机+干燥机
f.装片站：
自动晶圆装载（石英舟、象鼻管elephant、桨paddle）、手动装载晶圆8d8v"D）V（x;d
g.氧化工艺的自动化：
时间、温度、反应气体顺序及推进，推出速率等编入程序形成配方recipe
5、垂直炉管反应炉：
层流状态（laminargasflow）
6、快速升温反应炉：
通常反应炉每分钟升温几度，快速升温炉可以每分钟十几度；
7、快速加热工艺（RTP）：
RTP工艺是基于热辐射原理，其应用减少了工艺所需的热预算（thermalbudget），用于氧化的RTP系统也叫做快速热氧化（RapidThermalOxidation，RTO）系统。
其他应用RTP技术的工艺包括：
湿氧化、局部氧化、离子注入后的源极/漏极的活化、LPCVD多晶硅、无定形硅、钨、硅化物、LPCVD氮化和LPCVD氧化。
8、高压氧化：
采用高压后一种解决方案是降低反应温度，每增加一个大气压温度可以降30℃；另一种方案是用高压系统来维持正常的反应速度，减少氧化时间。
a.可以解决在局部氧化中（LOCOS）产生的“鸟嘴”问题；
b.氧化前晶圆的清洗：
机械清洗—RCA湿洗—氢氟酸（HF）或稀释的氢氟酸清洗；
9、氧化工艺：
实际的氧化是在炉管反应炉中，在不同的气体循环中进行的（氮气-氧气-氮气循环）
a.气源：
氧气、氧气中的氯气（Cl2）、氯化氢（HCl）、三氯乙烯（TCE）或氯仿（TCA）;
b.后氧化评估：
一些评估由操作员在线实行、另一些评估由质量控制实验室离线实施；
c.表面检测：
高亮度紫外线下对每片晶圆进行检测；
d.氧化厚度：
检测技术包括颜色比较、边缘记数、干涉、椭偏仪、刻纹针振幅仪和电子扫描显微镜；e.氧化和炉
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