半導體器件物理與工藝緒論

1、Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices半導體工藝介紹半導體工藝介紹 或許您不知道，半導體電子零件在您的生活中已存在 了三十多年；在您的周遭，只要是電器用品，或多或少都有 半導體電子零件的影子。這個小精靈的出現(xiàn)大大地改變了人 類的生活；讓您有更舒適方便的生活環(huán)境；如功能強大的個 人電腦，體積小得可以帶著走，出國在外也可以和總公司連 線；四通八達的電信網(wǎng)路，可以和世界任何地方聯(lián)絡；汽車 的電腦控制系統(tǒng)讓您安全又方便地操控汽車駕駛之先進功能；學生可以透過光碟電子書學習新知。 這個無所不在的小東西是一種叫作“硅”的物質(zhì)所制作成的。這

2、種物質(zhì)在地球上相當豐富，海沙即含有相當高成份的“硅”。半導體的制作過程是一項科技高度整合的作業(yè)，結(jié)合了化學、物理、電子、電機、機械、自動化、軟體工程、電腦輔助設計(CAE/CAD)等，幾乎所 有頂尖的技術都被用來制造半導體。從下方這個簡單的流程方塊圖，我們大致可以瞭解半導 體的制程。半導體產(chǎn)業(yè)實際上是一個更大實體的子系統(tǒng)高技術產(chǎn)業(yè)。制造微芯片生產(chǎn)電子硬件，它伴隨著軟件集成并控制芯片功能。高技術產(chǎn)業(yè)包含正半導體應用中可見的全部硬件和軟件（如圖所示）。 放大電子信號的三極真空管是有Lee De Forest于1906年發(fā)明的。它發(fā)展了早期有約翰弗萊明和托瑪斯愛迪生在真空管方面的工作。成為現(xiàn)代收音機

3、、電視機和整個電子學領域的主要電子器件，知道20世紀50年代。 一種相對新的材料，稱為硅的單晶體，在20世紀出曾被用于將無線電通信信號從交流轉(zhuǎn)換為直流。包含這種材料的“半導體”一詞最初在德國采用。然而，真正要發(fā)展成為半導體技術勢力需要全世界物理化學家和物理學家的參與研究。在半導體特性能被完全解釋之前，為了理解電子行為的量子理論，這項研究斯必需的。這些基礎工作延續(xù)了幾十年直到第二次世界大戰(zhàn)。 第二次世界大戰(zhàn)后，貝爾實驗室的科學家們一致努力研究固態(tài)硅和鍺半導體晶體。領導這項研究的科學家感到需要替換掉真空管，并且可以從固態(tài)半導體材料代替真空中受益。1947年12月16日誕生了固態(tài)晶體管，發(fā)明者是威廉

4、肖克利，約翰巴丁和沃爾特布拉頓。晶體管的名字取自“跨導”和“變阻器”兩詞，提供了與真空管同樣的電功能，但具有固態(tài)的顯著優(yōu)點：尺寸小、無真空、可靠、重量輕、最小的發(fā)熱以及低功耗。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)動了以固體材料和技術為基礎的現(xiàn)代半導體產(chǎn)業(yè)。 半導體產(chǎn)業(yè)在20世紀50年代開始迅速增長為以硅為基礎的商品化晶體管技術。早期的許多先驅(qū)者開始在北加利福尼亞州，現(xiàn)在以硅谷著稱的地區(qū)。1957年，在帕羅阿托市的仙童半導體公司制造出第一個商用平面晶體管。它有一層鋁互連材料，這種材料北淀積在硅片的最頂層以連接晶體管的不同部分(見圖)。從硅上熱氧化生長的一層自然氧化層被用于隔離鋁導線。這些層的使用在半導體領域是一重要發(fā)展，

5、也是稱其為平面技術的原因。 在半導體產(chǎn)業(yè)向前邁進的重要一步是將多個電子元件集成在一個硅襯底上。被稱為集成電路或簡稱IC，它是由仙童半導體公司的羅伯特諾伊斯和德州儀器公司的杰克基比爾于1959年分別獨自發(fā)明的。在一塊集成電路的硅表面上可以制造許多不同的半導體器件，例如晶體管、二極管、電阻和電容，他們被連成一個有確定芯片功能的電路。 Robert Noyce(Intel)Clair Kilby (TI) 從20世紀60年代到現(xiàn)在，這是組織半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有用方法（見表）。 半導體器件的制作僅發(fā)生在接近硅片表面的幾微米。在工藝加工過程中，硅片厚度提供硅片足夠的強度。一旦器件在硅片上制作完畢，硅片上的

6、金屬線路層將作為器件和芯片外邊的各種電信號之間的連接（見圖）?，F(xiàn)代集成電路的互連概念和材料非常類似于1957年仙童半導體公司第一商品化的原始平面晶體管。單主要差別是今天的芯片更加復雜。 微芯片制造涉及5個大的制造階段（見圖）：硅片制備硅片制造硅片測試/揀選裝配與封裝終測硅片制備 在第一階段，將硅從沙土中提煉并純化。經(jīng)過特殊工藝產(chǎn)生適當直徑的硅錠（見圖）。然后將硅錠切割成用于制造微芯片的薄硅片。按照專用的參數(shù)規(guī)范制備硅片，例如定位邊要求和沾污水平。 硅片制造 自硅片開始的微芯片制作是第二階段，被稱為硅片制造。裸露的硅片到達硅片制造廠，然后經(jīng)過各種清洗、成膜、光刻、刻蝕和摻雜步驟。加工完的硅片具有

7、永久刻蝕在硅片上的一整套集成電路。硅片制造的其他名稱是微芯片制造和芯片制造。 硅片制造涉及許多復雜工藝步驟的交互，可使用自動化設備在一個甚大規(guī)模集成電路硅片上生產(chǎn)幾億個器件。伴隨著制造高性能集成電路的復雜性，半導體產(chǎn)業(yè)總是處于設備設計和制造技術的前沿。這種創(chuàng)新激勵了硅片制造的不斷完善。 硅片的測試/揀選 硅片制造完成后，硅片被送到測試/揀選區(qū)，在那里進行單個芯片的探測和電學測試。然后揀選出可接受和不可接受的芯片，并為有缺陷的芯片做標記。不會把硅片測試失效的芯片送給客戶，而通過硅片測試的芯片將繼續(xù)進行以后的工藝。 裝配與封裝 硅片測試/揀選后，硅片進入裝配和封裝步驟，以便把單個芯片包裝在一個保護

8、管殼內(nèi)。硅片的背面進行研磨以減小襯底的厚度。一片厚的塑料膜被貼在每個硅片的背面，然后，在正面沿著劃片線用帶金剛石的鋸刃將每個硅片上的芯片分開。粘的塑料膜保護硅芯片不脫落。在裝配廠，好的芯片被壓焊或抽真空形成裝配包。稍后，將芯片密封在塑料或陶瓷殼內(nèi)。最終的實際封裝形式隨芯片類型及其應用場合而定（見下圖）。 終測 為確保芯片的功能，要對每一個被封裝的集成電路進行測試，以滿足制造商的電學和環(huán)境的特性參數(shù)要求。終測后，芯片被發(fā)送給客戶以便裝配到專用場合：例如，將存儲器元件安裝在個人電腦的電路板上。 甚大規(guī)模集成電路設計和制造集成電路所需的快速技術變化，導致新設備和新工藝的不斷引入。每隔18到24個月，

9、半導體產(chǎn)業(yè)就引入新的制造技術。伴隨微芯片技術的發(fā)展有三個主要趨勢：提供芯片性能提高芯片可靠性降低芯片成本 從20世紀60年代早期小規(guī)模集成電路時代以來，半導體微芯片的性能已得到了巨大的提供。判斷芯片性能的一種通用方法是速度。器件做得越小，在芯片上放置得越密，芯片得速度就會提高，這是因為通過電路得電信號傳輸距離更短了。提供速度得另一種方法是：使用材料，通過芯片表面得電路和器件來提高電信號得傳輸。 關鍵尺寸 芯片上的物理尺寸特征被稱為特征尺寸。描述特征尺寸的另一個術語是電路幾何尺寸。特別值得注意的是硅片上的最小特性尺寸，也稱為關鍵尺寸或CD。自半導體制造業(yè)開始以來，器件的CD一直在縮小，從20世紀

10、50年代初期以大約125um的CD開始，目前是0.18um或者更小。半導體產(chǎn)業(yè)使用“技術節(jié)點”這一術語描述在硅片制造中使用的可應用CD。從1um以下的CD實際的和預計的產(chǎn)業(yè)技術節(jié)點如表2所示。 每塊芯片上的元件數(shù) 減小一塊芯片的特征尺寸使得可以在硅片上制作更多的元件。對于微處理器，芯片表面的晶體管數(shù)可以說明通過減小CD來增加芯片的集成度。由于芯片上的晶體管數(shù)連年急劇增加，芯片性能也已提高（見圖）。 摩爾定律 1964年，戈登摩爾，半導體產(chǎn)業(yè)先驅(qū)和英特爾公司的創(chuàng)始人，語言在一塊芯片上的晶體管數(shù)大約每隔一年翻一番。關于微處理器上的晶體管數(shù)，如圖所示，摩爾定律驚人地準確。 功耗 芯片性能的另一重要是

11、在器件工作過程中的功耗。真空管耗費很大功耗，而半導體器件確實耗用很小的功耗。隨著器件的微型化，功耗相應減小。盡管每塊芯片上晶體管數(shù)迅速增加，芯片的功耗卻低得多得速率增加（見圖）。這已成為便攜式電子產(chǎn)品市場增長得一個關鍵性能參數(shù)。 芯片可靠性致力于趨于芯片壽命的功能的能力。技術上得進步已經(jīng)提高了芯片產(chǎn)品得可靠性（見圖）。例如，通過嚴格得諸如無顆?？諝鈨艋g得使用以及控制化學試劑純度，來控制沾污。為提高器件可靠性，不間斷地分析制造工藝。通過硅片監(jiān)控和微芯片測試以驗證可接受的性能。這樣可變成在工作過程中低失效的產(chǎn)品。 半導體微芯片的價格一直持續(xù)下降（見圖）。到1996年之前的近50年中，半導體微芯片的價格以一億倍的情況下降。例如，1958年一個質(zhì)量低劣的硅晶體管價值大約10美元。在今天，10美元可以買到具有超過兩千萬晶體管的一塊存儲器芯片、一個等量的其他元件