芯片制造-半导体工艺教程(8)

芯片制造-半导体工艺教程

3.2 R. E. Williams, Gallium Arsenide Processing Techniques, Artech House Inc., Dedham MA, 1984, p. 37.

3.3 S. J. Brunkhorst, and D. W. Sloat, ―The impact of the 300-mm transition on silicon wafer suppliers,‖ Solid state Technology, January 1998, p.87. 3.4 Ibid.

第四章 芯片制造概述--1 by r53858

概述

本章将介绍基本芯片生产工艺的概况。本章通过在器件表面产生电路元件的工艺顺序来阐述四种最基本的平面制造工艺。接下来解释了从功能设计图到光刻掩膜板的生产的电路设计过程。最后, 详细描述了晶圆和器件的特性和术语。

目的

完成本章后您将能够：

1. 鉴别和解释最基本的四种晶圆生产工艺。 2. 辨别晶圆的各个部分。

3. 描绘集成电路设计的流程图。

4. 说出集成电路合成布局图和掩膜组的定义与用途。 5. 画出作为基础工艺之一的掺杂工艺顺序截面图。

6. 画出作为基础工艺之一的金属化工艺顺序的截面图。 7. 画出作为基础工艺之一的钝化层工艺顺序的截面图。 8. 识别集成电路电路器件的各个部分。

晶圆生产的目标

芯片的制造,分为四个阶段：原料制作、单晶生长和晶圆的制造、集成电路晶圆的生产、集成电路的封装。前两个阶段已经在本书的第三章涉及。本章讲述的是第三个阶段，集成电路晶圆生产的基础知识。

集成电路晶圆生产（wafer fabrication）是在晶圆表面上和表面内制造出半导体器件的一系列生产过程。整个制造过程从硅单晶抛光片开始，到晶圆上包含了数以百计的集成电路芯片（图4.1）。

晶圆术语

图4.2列举了一片成品晶圆。接下来将向读者讲解晶圆表面各部分的名称：

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图4.2 晶圆术语

1. 器件或叫芯片（Chip, die, device, microchip, bar）： 这个名词指的是在晶圆表面占大部分面积的微芯片掩膜。

2. 街区或锯切线（Scribe lines, saw lines, streets, avenues）：在晶圆上用来分隔不同芯片之间的街区。街区通常是空白的, 但有些公司在街区内放置对准靶, 或测试的结构（见 ? Photomasking‘ 一章）。

3. 工程试验芯片（Engineering die, test die）：这些芯片与正式器件（或称电路芯片）不同。它包括特殊的器件和电路模块用于对晶圆生产工艺的电性测试。 4. 边缘芯片（ Edge die）：在晶圆的边缘上的一些掩膜残缺不全的芯片而产生面积损耗。由于单个芯片尺寸增大而造成的更多边缘浪费会由采用更大直径晶圆所弥补。推动半导体工业向更大直径晶圆发展的动力之一就是为了减少边缘芯片所占的面积。

5. 晶园的晶面( Wafer Crystal Plans)：图中的剖面标示了器件下面的晶格构造。此图中显示的器件边缘与晶格构造的方向是确定的。

6. 晶圆切面/凹槽( Wafer flats/notches)：例如图示的晶圆有主切面和副切面，表示这是一个P型<100>晶向的晶圆（见第三章的切面代码）。300 毫米晶圆都是用凹槽作为晶格导向的标识。

晶圆生产的基础工艺

集成电路芯片有成千上百的种类和功用。然而，它们都是由为数不多的基本结构（主要为双极结构和金属氧化物半导体结构，见第十六章）和生产工艺制造出来的。类似于汽车工业，这个工业生产的产品范围很广，从轿车到推土机。然而，金属成型、焊接、油漆等工艺是对有的汽车厂都是通用的。在汽车厂内部，这些基本的工艺以不同的方式被应用，来制造出客户希望的产品。 同样，芯片制造也是一样。制造企业使用四种最基本的工艺方法通过大量的工艺顺序和工艺变化制造出特定的芯片。这些基本的工艺方法是增层、光刻、掺杂、热处理（图4.3）。

增层

增层是在晶圆表面形成薄膜的加工工艺。分析图4.4的简单MOS晶体管可看出在晶圆表面生成了许多的薄膜。这些薄膜可以是绝缘体、半导体或导体。它们是由不同的材料组成，使用多种工艺生长或淀积的。

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这些主要的工艺技术是生长二氧化硅膜和淀积不同种材料的薄膜。通用的淀积技术是化学汽相淀积（CVD） 、蒸发和溅射。图4.6列出了常见的薄膜材料和增层工艺。其中每项的具体情况在本书的工艺章节各有阐述。各种薄膜在器件结构内的功用在第16章进行解释。

层别(Layers) 热氧化工艺(Thermal Oxidation) 化学汽相淀积工艺(Chemical Vapor Deposition) 蒸发工艺 (Evaporation) 溅射工艺(Sputtering)

绝缘层 (Insulators) 二氧化硅(Silicon Deioxide) 二氧化硅(Silicon Dioxide) 氮化硅(Silicon Nitrides) 二氧化硅 (Silicon Dioxide) 一氧化硅(Silicon Monoxide)

半导体层 (semiconductors) 外延单晶硅 (Epitaxial Silicon) 多晶硅 (Poly Silicon) 导体层 (conductors) 铝 (Aluminum) 铝/硅合金(Aluminum/Silicon) 铝铜合金 (Aluminum/Copper) 镍铬铁合金 (Nichrome) 黄金 (Gold) 钨 (Tungsten) 钛 (Titanium) 钼 (molybdenum) 铝/硅合金(Aluminum/Silicon) 铝铜合金 (Aluminum/Copper)

图 4.6 薄层分类/工艺与材料的对照表

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光刻

光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺（图4.7）。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。

光刻工艺也被称为大家熟知的Photomasking, masking, photolithography, 或

microlithography。在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成。这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件（parts）的关联正确。 光刻是所有四个基本工艺中最关键的。光刻确定了器件的关键尺寸。光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。图形的错位也会导致类似的不良结果。光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物会造成缺陷。事实上由于光刻在晶圆生产过程中要完成5层至20层或更多，所以污染问题将会放大。

第四章 芯片制造概述--2 by r53858

掺杂

掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺制程（图4.8）。它有两种工艺方法：热扩散（thermal diffusion）和离子注入（implantation），都在第十一章有详细阐述。

热扩散是在1000摄氏度左右的高温下发生的化学反应，晶圆暴露在一定掺杂元素汽态下。扩散的简单例子就如同除臭剂从压力容器内释放到房间内。汽态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面，形成一层薄膜。在芯片应用中，热扩散也被称为固态扩散，因为晶圆材料是固态的。热扩散是一个化学反应过程。

离子注入是一个物理反应过程。晶圆被放在离子注入机的一端，掺杂离子源（通常为气态）在另一端。在离子源一端，掺杂体原子被离化（带有一定 …… 此处隐藏：2337字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……