半導體制造工藝

硅片是一種硅材料通過加工切成一片一片的。硅是一種硬度很高的物質，硅材料看起來像石頭一樣，他要經過清洗乾淨然後用爐子加熱融化形成一個大塊的硅錠，然後再用特定機器來進行細切成一片一片。

主要工藝過程：多晶硅——區熔或直拉——單晶硅棒——滾、切、磨、拋——硅片

硅晶圓（silicon wafer） 是一切集成電路芯片的製作母材。既然説到晶體，顯然是經過純煉與

結晶的程序。晶體化的製程，大多是採用「柴可拉斯基」

(Czycrasky) 拉晶法(CZ法)。拉晶時，將特定晶向(orientation) 的晶種(seed)，浸入過飽和的純硅熔湯(Melt) 中，並同時旋轉拉出，硅原子便依照晶種晶向，乖乖地一層層成長上去，而得出所謂的晶棒(ingot)晶棒

的阻值如果太低，代表其中導電雜質 (impurity dopant) 太多，還需經過FZ法 (floating-zone) 的再結晶 (re-crystallization)，將雜質逐出，提高純度與阻值。

輔拉出的晶棒，外緣像椰子樹幹般，外徑不甚一致，需予以機械加工修邊，然後以X光繞射法，定出主切面 (primary flat) 的所在，磨出該平面；再以內刃環鋸，削下一片片的硅晶圓。最後經過粗磨 (lapping)、化學蝕平(chemical etching) 與拋光(polishing) 等程序，得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圓。(至於晶圓厚度，與其外徑有關。) 剛才題及的晶向，與硅晶體的原子結構有關。硅晶體結構是所謂「鑽石結構」(diamond-structure)，系由兩組面心結構 (FCC)，相距(1/4,1/4,1/4) 晶格常數 (lattice constant；即立方晶格邊長) 疊合而成。我們依米勒指針法 (Miller index)，可定義出諸如：{100}、{111}、{110} 等晶面。所以晶圓也因之有 {100}、{111}、{110}等之分野。有關常用硅晶圓之切邊方向等信息，請參考圖2-2。現今半導體業所使用之硅晶圓，大多以 {100} 硅晶圓為主。其可依導電雜質之種類，再分為p型 (週期表III族) 與n型 (週期表V族)。由於硅晶外貌完全相同，晶圓製造廠因此在製作過程中，加工了供辨識的記號：亦即以是否有次要切面 (secondary flat) 來分辨。該次切面與主切面垂直，p型晶圓有之，而n型則闕如。 {100}硅晶圓循平行或垂直主切面方向而斷裂整齊的特性，所以很容易切成矩形碎塊，這是早期晶圓切割時，可用刮晶機 (scriber) 的原因 (它並無真正切斷芯片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整齊斷開之。)事實上，硅晶的自然斷裂面是{111}，所以雖然得到矩形的碎芯片，但斷裂面卻不與{100}晶面垂直！ 以下是訂購硅晶圓時，所需説明的規格：項目説明 晶面 {100}、{111}、{110} ± 1o 外徑(吋) 3 4 5 6 厚度(微米) 300~450 450~600 550~650 600~750(±25) 雜質 p型、n型 阻值(Ω-cm) 0.01 (低阻值) ~ 100 (高阻值) 製作方式 CZ、FZ (高阻值) 拋光面單面、雙面 平坦度(埃) 300 ~ 3,000 北京特博萬德科技有限公司

本教材的編寫簡化了深奧的理論論述，在對基本原理介紹的基礎上注重對工藝過程、工藝參數的描述以及工藝參數測量方法的介紹，並在半導體制造的幾大工藝技術章節中加入了工藝模擬的內容，彌補了實踐課程由於昂貴的設備及過高的實踐費用而無法進行實踐教學的缺憾。在教材編寫過程中，從半導體生產企業獲得了大量的工藝設備、工藝過程及工藝參數方面的素材對教材進行了充實。

本教材根據集成電路的發展趨勢，主要介紹了集成電路工藝的前端部分，即清洗、氧化、化學氣相澱積、金屬化、光刻、刻蝕、摻雜和平坦化等幾個主要工藝，具體每一道工藝中都詳細講述了工藝的基本原理、工藝的操作過程和工藝對應的設備，並加入了部分工藝模擬的操作，力求把當前比較新的工藝介紹給讀者。

本教材主要供高等院校微電子相關專業的高年級本科生或大專生習，也可以作為從事集成電路工藝工作的工程技術人員自學或進修的參考書。

簡要介紹了半導體器件基本結構 、重點介紹了包括清洗、氧化、化學氣相澱積、金屬化、光刻、刻蝕、摻雜、平坦化幾大集成電路製造工藝的工藝原理工藝過程，工藝設備、工藝參數、質量控制及工藝模擬的相關內容。 ^[1] 

前言

第1章緒論

11引言

12基本半導體元器件結構

121無源元件結構

122有源器件結構

13半導體器件工藝的發展歷史

14集成電路製造階段

141集成電路製造的階段劃分

142集成電路時代劃分

143集成電路製造的發展趨勢

15半導體制造企業

16基本的半導體材料

161硅——最常見的半導體

材料

162半導體級硅

163單晶硅生長

164IC製造對襯底材料的

要求

165晶體缺陷

166其他半導體材料

17半導體制造中使用的化學品

18半導體制造的生產環境

181淨化間沾污類型

182污染源與控制

183典型的純水製備方法

本章小結

本章習題

第2章半導體制造工藝概況

21引言

22器件的隔離

221PN結隔離

222絕緣體隔離

23雙極型集成電路製造工藝

24CMOS器件製造工藝

24120世紀80年代的CMOS

工藝技術

24220世紀90年代的CMOS

工藝技術

24321世紀初的CMOS工藝

技術

本章小結

本章習題

第3章清洗工藝

31引言

32污染物雜質的分類

321顆粒

322有機殘餘物

323金屬污染物

324需要去除的氧化層

33清洗方法

331RCA清洗

332稀釋RCA清洗

333IMEC清洗

334單晶圓清洗

335幹法清洗

34常用清洗設備——超聲波清洗

設備

341超聲波清洗原理

342超聲波清洗機

343超聲波清洗機的工藝流程

344超聲波清洗機的操作流程

345其他清洗設備

35清洗的質量控制

本章小結

本章習題

第4章氧化

41引言

42二氧化硅膜的性質

43二氧化硅膜的用途

44熱氧化方法及工藝原理

441常用熱氧化方法及工藝

原理

442影響氧化速率的因素

45氧化設備

46氧化工藝操作流程

47氧化膜的質量控制

471氧化膜厚度的測量

472氧化膜缺陷類型及檢測

473不同方法生成的氧化膜特性

比較

本章小結

本章習題

第5章化學氣相澱積

51引言

511薄膜澱積的概念

512常用的薄膜材料

513半導體制造中對薄膜的

要求

52化學氣相澱積（CVD）原理

521化學氣相澱積的概念

522化學氣相澱積的原理

53化學氣相澱積設備

531APCVD

532LPCVD

533等離子體輔助CVD

54CVD工藝流程及設備操作

規範

55外延

551外延的概念、作用、原理

552外延生長方法

553硅外延工藝

56CVD質量檢測

本章小結

本章習題

第6章金屬化

61引言

611金屬化的概念

612金屬化的作用

62金屬化類型

621鋁

622鋁銅合金

623銅

624阻擋層金屬

625硅化物

626鎢

63金屬澱積

631蒸發

632濺射

633金屬CVD

634銅電鍍

64金屬化流程

641傳統金屬化流程

642雙大馬士革流程

65金屬化質量控制

本章小結

本章習題

第7章光刻

71引言

711光刻的概念

712光刻的目的

713光刻的主要參數

714光刻的曝光光譜

715光刻的環境條件

716掩膜版

72光刻工藝的基本步驟

73正性光刻和負性光刻

731正性光刻和負性光刻的

概念

732光刻膠

733正性光刻和負性光刻的

優缺點

74光刻設備簡介

741接觸式光刻機

742接近式光刻機

743掃描投影光刻機

744分步重複光刻機

745步進掃描光刻機

75光刻工藝機簡介及操作流程

751URE2000/25光刻機

簡介

752光刻機操作流程

76光刻質量控制

761光刻膠的質量控制

762對準和曝光的質量控制

763顯影檢查

本章小結

本章習題

第8章刻蝕

81引言

811刻蝕的概念

812刻蝕的要求

82刻蝕工藝

821濕法刻蝕

822幹法刻蝕

823兩種刻蝕方法的比較

83幹法刻蝕的應用

831介質膜的刻蝕

832多晶硅膜的刻蝕

833金屬的幹法刻蝕

834光刻膠的去除

84刻蝕設備

85幹法刻蝕工藝流程及設備操作

規範

86刻蝕的質量控制

本章小結

本章習題

第9章摻雜

91引言

92擴散

921擴散原理

922擴散工藝步驟

923擴散設備、工藝參數及其

控制

924常用擴散雜質源

93離子注入

931離子注入原理

932離子注入的重要參數

933離子注入摻雜工藝與擴散

摻雜工藝的比較

94離子注入機

941離子注入機的組成及工作

原理

942離子注入工藝及操作

規範

943離子注入使用的雜質源及

注意事項

95退火

96離子注入關鍵工藝控制

97離子注入的應用

971溝道區及阱區摻雜

972多晶硅注入

973源漏區注入

98摻雜質量控制

981結深的測量及分析

982摻雜濃度的測量

983污染

本章小結

本章習題

第10章平坦化

101引言

102傳統平坦化技術

1021反刻

1022玻璃迴流

1023旋塗玻璃法

103化學機械平坦化

1031CMP優點和缺點

1032CMP機理

1033CMP設備

1034CMP工藝流程及工藝

控制

1035CMP應用

104CMP質量控制

1041膜厚的測量及非均勻性

分析

1042硅片表面狀態的觀測方法

及分析

本章小結

本章習題

第11章工藝模擬

111引言

1111工藝模型

1112工藝模擬器簡介

1113Athena 基礎

112氧化工藝模擬

113澱積工藝模擬

114光刻工藝模擬

115刻蝕工藝模擬

116摻雜工藝模擬

1161擴散工藝模擬

1162離子注入工藝模擬

參考文獻