半導(dǎo)體工藝技術(shù)

1、半導(dǎo)體工藝技術(shù)目錄第一章：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹第二章：器件的制造步驟第三章：晶圓制備第四章：芯片制造第五章：污染控制第六章：工藝良品率第一章 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹概述 微電子從40年代末的第一只晶體管（Ge合金管）問世，50年代中期出現(xiàn)了硅平面工藝，此工藝不僅成為硅晶體管的基本制造工藝，也使得將多個分立晶體管制造在同在一硅片上的集成電路成為可能，隨著制造工藝水平的不斷成熟，使微電子從單只晶體管發(fā)展到今天的ULSI。 回顧發(fā)展歷史，微電子技術(shù)的發(fā)展不外乎包括兩個方面：制造工藝和電路設(shè)計，而這兩個又是相互相成，互相促進(jìn)，共同發(fā)展。 1.1 半導(dǎo)體工業(yè)的誕生電信號處理工業(yè)始于上個世紀(jì)初的真空管，真空管使得收音機(jī)

2、、電視機(jī)和其他電子產(chǎn)品成為可能。它也是世界上第一臺計算機(jī)的大腦。真空管的缺點(diǎn)是體積大、功耗大，壽命短。當(dāng)時這些問題成為許多科學(xué)家尋找真空管替代品的動力，這個努力在1947年 12月23日得以實(shí)現(xiàn)。也 就是第一只Ge合金管的 誕生。如圖所示。1.2 固態(tài)器件固態(tài)器件不僅是指晶體管，還包括電阻器和電容器。Ge合金管的缺點(diǎn)是工作溫度低，電性能差。50年代隨著硅平面制造工藝的出現(xiàn)，很快就出現(xiàn)了用硅材料制造的晶體管。由于硅材料的制造溫度(熔點(diǎn)溫度1415)和硅晶體管的工作溫度都優(yōu)于鍺(熔點(diǎn)溫度937) ，加之SiO2的天然生成使得硅晶體管很快取代了Ge晶體管。1.3 集成電路最早的集成電路僅是幾個晶體管

3、、二極管、電容器、電阻器組成，而且是在鍺材料上實(shí)現(xiàn)的，是由德州儀器公司的杰克基爾比發(fā)明的。如圖所示。右圖是用平面技術(shù)制造的晶體管1.4 工藝和產(chǎn)品趨勢從以開始，半導(dǎo)體工業(yè)就呈現(xiàn)出在新工藝和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計上的持續(xù)發(fā)展。工藝的改進(jìn)是指以更小尺寸來制造器件和電路，并使之具有更高的密度，更多的數(shù)量和更高的可靠性。尺寸和數(shù)量是IC發(fā)展的兩個共同目標(biāo)。芯片上的物理尺寸特征稱為特征尺寸，將此定義為制造復(fù)雜性水平的標(biāo)準(zhǔn)。通常用微米來表示。一微米為1/10000厘米。Gordon Moore在1964年預(yù)言IC的密度每隔1824個月將翻一番，-摩爾定律。 一個尺寸相同的芯片上，所容納的晶體管數(shù)量，因制程技術(shù)的提升

4、，每18個月到兩年晶體管數(shù)量會加倍，IC性能也提升1倍?，F(xiàn)以1961年至2006年期間半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為例加以說明，IC電路線寬由25微米減至65納米，晶圓直徑由1英寸增為12英寸，每一芯片上由6個晶體管增為80億個晶體管，DRAM密度增加為4G位，晶體管年銷售量由1000萬個增加到10的18次方至19次方個，但晶體管平均售價卻大幅下降10的9次方倍。 特征尺寸的減小和電路密度的提高產(chǎn)生的結(jié)果是：信號傳輸距離的縮短和電路速度的提高，芯片或電路功耗更小。1.5 半導(dǎo)體工業(yè)的構(gòu)成半導(dǎo)體工業(yè)包括材料供應(yīng)、電路設(shè)計、芯片制造和半導(dǎo)體工業(yè)設(shè)備及化學(xué)品供應(yīng)五大塊。目前有三類企業(yè)：一種是集設(shè)計、制造、封裝和

5、市場銷售為一體的公司；另一類是做設(shè)計和銷售的公司，他們是從芯片生產(chǎn)廠家購買芯片；還有一種是芯片生產(chǎn)工廠，他們可以為顧客生產(chǎn)多種類型的芯片。第二章 器件的制造步驟半導(dǎo)體器件制造分4個不同階段： 1.材料準(zhǔn)備 2.晶體生長與晶圓準(zhǔn)備 3.芯片制造 4.封裝材料準(zhǔn)備晶體生長與晶圓準(zhǔn)備晶圓制造封裝第一步 材料準(zhǔn)備 第二步晶體生長與晶圓準(zhǔn)備 第三步 芯片制造 第四步 封裝3 晶圓制備3.1 概述 在這一章里，主要介紹沙子轉(zhuǎn)變成晶體，以及晶圓和用于芯片制造級的拋光片的生產(chǎn)步驟。 高密度和大尺寸芯片的發(fā)展需要大直徑的晶圓，最早使用的是1英寸(25mm)，而現(xiàn)在300mm直徑的晶圓已經(jīng)投入生產(chǎn)線了。因?yàn)榫A直

6、徑越大，單個芯片的生產(chǎn)成本就越低。然而，直徑越大，晶體結(jié)構(gòu)上和電學(xué)性能的一致性就越難以保證，這正是對晶圓生產(chǎn)的一個挑戰(zhàn)。硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因?yàn)檫@樣每塊晶圓能生產(chǎn)更多的芯片。比如，同樣使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產(chǎn)大約179個處理器核心，而使用300mm的晶圓可以制造大約427個處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍，出產(chǎn)的處理器個數(shù)卻是后者的2.385倍，并且300mm晶圓實(shí)際的成本并不會比200mm晶圓來得高多少，因此這種成倍的生產(chǎn)率提高顯然是所有芯片生產(chǎn)商所喜歡的。然而，硅晶圓具有的一個

7、特性卻限制了生產(chǎn)商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產(chǎn)過程中，離晶圓中心越遠(yuǎn)就越容易出現(xiàn)壞點(diǎn)。因此從硅晶圓中心向外擴(kuò)展，壞點(diǎn)數(shù)呈上升趨勢，這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。 隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對硅片的規(guī)格和質(zhì)量也提出更高的要求，適合微細(xì)加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大。目前，硅片主流產(chǎn)品是 200mm，逐漸向300mm過渡，研制水平達(dá)到400mm450mm。據(jù)統(tǒng)計，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余 占20%左右。根據(jù)最新的國際半導(dǎo)體技術(shù)指南（ITRS），300mm硅片之后下一代產(chǎn)品的直徑為450mm；450mm硅片是未來22納米線寬

8、64G集成電路的襯底材料，將直接影響計算機(jī)的速度、成本，并決定計算機(jī)中央處理單元的集成度。Si的制備過程一般為:SiC（固體）+ SiO2（固體）Si（固體）+SiO（氣體）+CO（氣體） Si（固體）+3HCl（氣體）SiHCl3（氣體）+H2（氣體）SiHCl3（氣體）+H2（氣體）Si（固體）+3HCl（氣體） 3.2 晶體生長 半導(dǎo)體材料都是由構(gòu)成其成分的原子規(guī)律排列而成，通常把這種原子規(guī)律排列而成的材料稱為單晶。而它是由大塊的具有多晶結(jié)構(gòu)和未摻雜的本征材料生長得來的。把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，并給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。有三種不同的生長方法：直拉法 區(qū)熔法

9、液體掩蓋直拉法 3.2.1 直拉法 大部分的單晶都是通過直拉法生長的。生產(chǎn)過程如圖所示。特點(diǎn)：工藝成熟，能較好地拉制低位錯、大直徑的硅單晶。缺點(diǎn)是難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜質(zhì)污染。3.2.2 液體掩蓋直拉法 此方法主要用來生長砷化鎵晶體，和標(biāo)準(zhǔn)的直拉法一樣，只是做了一些改進(jìn)。由于熔融物里砷的揮發(fā)性通常采用一層氧化硼漂浮在熔融物上來抑制砷的揮發(fā)。故得其名，如圖所示。3.2.3 區(qū)熔法 主要用來生長低氧含量的晶體，但不能生長大直徑的單晶，并且晶體有較高的位錯密度。這種工藝生長的單晶主要使用在高功率的晶閘管和整流器上，生長系統(tǒng)如圖所示。 3.3 晶體外延生長技術(shù) 外延是一種采取化學(xué)反應(yīng)法進(jìn)行

10、晶體生長的另一種技術(shù)。在一定條件下，以襯底晶片作為晶體籽晶，讓原子（如硅原子）有規(guī)則地排列在單晶襯底上，形成一層具有一定導(dǎo)電類型、電阻率、厚度及完整晶格結(jié)構(gòu)的單晶層，由于這個新的單晶層是在原來襯底晶面向外延伸的結(jié)果，所以稱其為外延生長，這個新生長的單晶層叫外延層。最常見的外延生長技術(shù)為化學(xué)氣相淀積（CVD）和分子束外延生長（MBE）。 外延生長的基本原理 氫還原四氯化硅外延生長原理示意圖硅的CVD外延化學(xué)氣相淀積是指通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過程。 CVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖分子束外延分子束外延（MBE）是在超高真空條件下一個或多個熱原子或熱分子束蒸發(fā)到襯底表面上形成外延層

11、的方法 。砷化鎵相關(guān)的-族化合物的MBE系統(tǒng)示意圖分子束外延是一種新的晶體生長技術(shù)，簡記為MBE。其方法是將半導(dǎo)體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中（也在腔體內(nèi)）。由分別加熱到相應(yīng)溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的（可薄至單原子層水平）單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。分子束外延主要研究的是不同結(jié)構(gòu)或不同材料的晶體和超晶格的生長。該法生長溫度低，能嚴(yán)格控制外延層的層厚組分和摻雜濃度，但系統(tǒng)復(fù)雜，生長速度慢，生長面積也受到一定限制。3.4 晶體缺陷及對器件質(zhì)量的影響 缺陷主要有： 點(diǎn)缺陷 位錯(原生的和誘生的)點(diǎn)缺陷 主要來源于晶體內(nèi)雜

12、質(zhì)原子的擠壓晶體結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力所產(chǎn)生的缺陷， 還有就是空位(晶格點(diǎn)陣缺少原子所制)。如圖所示位錯 位錯是單晶內(nèi)部一組晶胞排錯位置所制(如圖所示).原生位錯是晶體中固有的位錯，而誘生位錯是指在芯片加工過程中引入的位錯，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生位錯。產(chǎn)生的原因大致可分為三個方面高溫工藝過程引入的位錯摻雜過程中引入的位錯薄膜制備過程中引入的位錯 無論是天生的還是誘生的缺陷對器件特性都是不利的，因此在芯片制造過程中都應(yīng)該盡量避免。3.5 晶片加工 晶片加工是指將單晶棒經(jīng)過切片、磨片、拋光等一系列的工序加工成用來做芯片的薄片。切片 在切片前還要滾磨整形、晶體定向、確定 定位面、等一系列的加工處理。 切片就是用

13、有金剛石涂層的內(nèi)園刀片把晶片從晶體上切下來。磨片 因?yàn)橛脵C(jī)械的方法加工的晶片是非常粗造的，如圖所示，它不可能直接使用，所以必須去處切片工藝殘留的表面損傷。磨片-是一個傳統(tǒng)的磨料研磨工藝拋光 普通的磨片完成過后硅片表面還有一個薄層的表面缺陷?，F(xiàn)在的拋光是機(jī)械加化學(xué)，經(jīng)過拋光工藝后使硅片表面真正達(dá)到高度平整、光潔如鏡的理想表面。第四章 芯片制造概述 本章將介紹基本芯片生產(chǎn)工藝的概況，主要闡述4種最基本的平面制造工藝，分別是：薄膜制備工藝 摻雜工藝 光刻工藝 熱處理工藝4.1薄膜制備 是在晶體表面形成薄膜的加工工藝。圖4.4是MOS晶體管的剖面圖，可以看出上面有鈍化層(Si3N4、Al2O3)、金屬

14、膜(Al)、氧化層(SiO2)制備這些薄膜的材料有：半導(dǎo)體材料（Si、GaAs等），金屬材料（Au、Al等），無機(jī)絕緣材料（ SiO2 、Si3N4 、Al2O3 等），半絕緣材料（多晶硅、非晶硅等）。 生長工藝如圖所示。其中蒸發(fā)工藝、濺射等可看成是直接生長法-以源直接轉(zhuǎn)移到襯底上形成薄膜；其它則可看成是間接生長法-制備薄膜所需的原子或分子，由含其組元的化合物，通過氧化、還原、熱分解等反應(yīng)而得到。 薄膜分類/工藝與材料的對照表4.2 光刻與刻蝕技術(shù) 光刻所需要的三要素為：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)。常規(guī)的光刻過程主要包括：涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕和去膠。首先將光刻膠利用高速旋轉(zhuǎn)的方法涂敷

15、在硅片上，然后前烘使其牢固地附著在硅片上成為一層固態(tài)薄膜。利用光刻機(jī)曝光之后，再采用特定的溶劑進(jìn)行顯影，使其部分區(qū)域的光刻膠被溶解掉，這樣便將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，然后再經(jīng)過后烘以及刻蝕、離子注入等工序，將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，最后再去膠就完成了整個光刻過程。 光刻工藝流程示意圖 新一代圖形曝光技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線曝光 甚遠(yuǎn)紫外線曝光系統(tǒng)裝置簡圖 X射線曝光（XRL） X射線曝光原理簡圖 電子束曝光電子束曝光是利用聚焦后的電子束在感光膜上準(zhǔn)確地掃描出圖案的方法。 離子束曝光 刻蝕技術(shù) 在完成顯影檢驗(yàn)后，掩膜版的圖形就被固定在光刻膠膜上并準(zhǔn)備刻蝕。經(jīng)過刻蝕圖形就永久留在晶圓的表層。 刻蝕工

16、藝分為兩大類：濕法和干法刻蝕。無論那一種方法，其目的都是將光刻掩膜版上的圖形精確地轉(zhuǎn)移到晶圓表面。同時要求一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔凈度都符合要求。濕法化學(xué)腐蝕 濕法腐蝕是指利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕的方法。 干法刻蝕 干法刻蝕是指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基（處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等）與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的。 4.3 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜是將可控數(shù)量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)特性，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸等各種結(jié)構(gòu)之目的。擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。 擴(kuò)散與離子注入方法摻雜示

17、意圖（a）擴(kuò)散 （b）離子注入雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)理與方法 1擴(kuò)散機(jī)理2兩種表面源的擴(kuò)散分布（1） 恒定表面源擴(kuò)散 （2） 限定源擴(kuò)散 3恒定表面源擴(kuò)散方法（1） 固態(tài)源擴(kuò)散 （2） 液態(tài)源擴(kuò)散 4擴(kuò)散結(jié)果的測量（1） 薄層電阻的測量 （2） 結(jié)深的估算和測量 （3） 擴(kuò)散分布測量 離子注入原理與系統(tǒng)離子注入機(jī)系統(tǒng)離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底的過程，該過程是靠離子注入機(jī)來完成，離子注入機(jī)主要包括離子源、磁分析器、加速管、聚焦、掃描器和靶室等。 離子注入機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖 退火 由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸變團(tuán)，使遷移率和壽命等參數(shù)受到嚴(yán)重影響，而且大部分注入的離子并不是以替位

18、的形式位于晶格上，為了激活注入到襯底中的雜質(zhì)離子，使不在晶格位置上的離子運(yùn)動到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子起到雜質(zhì)的作用，并消除半導(dǎo)體襯底中的損傷，必須要在適當(dāng)?shù)臏囟扰c時間下，對離子注入的硅片進(jìn)行退火。 硅表面SiO2的簡單實(shí)現(xiàn)，是硅材料被廣泛應(yīng)用的一個重要因素。本節(jié)中，將介紹SiO2的生長工藝及用途、氧化反應(yīng)的不同方法，其中包括快速熱氧化工藝。另外，還簡單介紹本工藝中最重要的部分-反應(yīng)爐，因?yàn)樗茄趸?、擴(kuò)散、熱處理及化學(xué)氣相淀積反應(yīng)的基本設(shè)備。4.4.1 二氧化硅的性質(zhì)、用途 在半導(dǎo)體材料硅的所有優(yōu)點(diǎn)當(dāng)中，SiO2的極易生成是最大的有點(diǎn)之一。當(dāng)硅表面暴露在氧氣當(dāng)中時，就會形成Si

19、O2。4.4 氧 化 結(jié)構(gòu)、性質(zhì) SiO2膜的原子結(jié)構(gòu)如圖所示。它是由一個硅原子被4個氧樣原子包圍著的四面體單元組成的。是一種無定型的玻璃狀結(jié)構(gòu)，具體地說是一種近程有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沒有長程有序的晶格周期。 盡管硅是一種半導(dǎo)體，但SiO2是一種絕緣材料。是硅器件制造中得到廣泛應(yīng)用的一種膜層，因?yàn)镾iO2既可以用來處理硅表面，又可以作為摻雜的阻擋層、表面絕緣層及作為器件中的絕緣部分。4.4.2 表面鈍化 無論采取什么樣的措施，器件受污染的影響總是不可避免的。SiO2層在防止硅器件被污染方面起到了一個非常重要的作用。原因是SiO2密度非常高、非常硬，因此硅表面的SiO2層可以扮演一個污染阻擋層的角色

20、。 另一方面，SiO2對器件的保護(hù)是原于其化學(xué)特性。因?yàn)樵谥圃爝^程中，無論工作室多么潔凈，總有一些電特性活躍的污染物最終會 進(jìn)入或落在硅片表面，在氧化過程中， 污染物在表面形成新的氧化層，是污染物遠(yuǎn)離了電子活性的硅表面。也就是說污 染物被禁錮在二氧化硅 膜中，從而減小了污染 物對器件的影響。4.4.3 摻雜阻擋層 器件制造過程中的摻雜是定域（有選擇的區(qū)域）摻雜，那么不需要 摻雜的區(qū)域就必須進(jìn)行 保護(hù)而不被摻雜。如圖 所示。實(shí)現(xiàn)掩蔽擴(kuò)散的條件 二氧化硅的早期研究主要是作為實(shí)現(xiàn)定域擴(kuò)散的掩蔽膜作用，如上圖所示，在雜質(zhì)向Si中擴(kuò)散的同時，也要向SiO2層中擴(kuò)散，設(shè)在Si中的擴(kuò)散深度為 在SiO2層中

21、的擴(kuò)散深度為 式中： 擴(kuò)散時間， 、 分別表示雜質(zhì)在SiO2和Si中的擴(kuò)散系數(shù)，顯然要實(shí)現(xiàn)掩蔽擴(kuò)散的條件是 ，即當(dāng)雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散深度達(dá)到 時雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散深度應(yīng) 所以， 氧化層厚度 由此可見，實(shí)現(xiàn)掩蔽擴(kuò)散要求的SiO2厚度與雜質(zhì)在SiO2和Si中的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，原則上講，只要 能滿足上式不等式，就可起到雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用，但實(shí)際上只有那些 的雜質(zhì)，用SiO2掩蔽才有實(shí)用價值，否則所需的SiO2厚度就很厚，既難于制備，又不利于光刻。 但是，只要按照 的條件選擇雜質(zhì)種類，就可實(shí)現(xiàn)掩蔽擴(kuò)散的作用。研究發(fā)現(xiàn)，B、P在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)比在Si中的擴(kuò)散系數(shù)小，所以。常常選擇B、P作為擴(kuò)散的雜

22、質(zhì)種類。而對于Ga、Al等雜質(zhì)，情況則相反。 值得注意的是，Au雖然在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很小，但由于在Si中的擴(kuò)散系數(shù)太大，這樣以來橫向擴(kuò)散作用也大，所以也不能選用。 二氧化硅另外一個優(yōu)點(diǎn)是在所有介質(zhì)膜中它的熱膨脹系數(shù)與硅最接近。4.4.4 表面絕緣層 SiO2作為絕緣層也是器件工藝的一個重要組成部分。作為絕緣層要求必須是連續(xù)的，膜中間不能有空洞或孔存在。另外要求必須有一定的厚度，絕大多數(shù)晶圓表面被覆蓋了一層足夠厚的氧化層來防止從 金屬層產(chǎn)生的感應(yīng)，這 時的SiO2稱為場氧化物。 如圖所示。4.4.5 器件絕緣體 從另一個角度講，感應(yīng)現(xiàn)象就是MOS技術(shù)，在一個MOS三極管中，柵極區(qū)會長一層薄

23、的二氧化硅（見圖）。這時的SiO2起的是介電質(zhì)的作用，不僅厚度而且質(zhì)量都要求非常嚴(yán)格。 除此之外， SiO2也可用來做硅表面和導(dǎo)電表面之間形成的電容所需的介電質(zhì)（見圖）。4.4.6 器件氧化物的厚度 應(yīng)用在硅材料器件中的二氧化硅隨著作用的不同其厚度差別是很大的，薄的氧化層主要是MOS器件里的柵極，厚的氧化層主要用于場氧化層，下面的表列出了不同厚度范圍及其相對應(yīng)的主要用途。4.4.6 熱氧化機(jī)理 半導(dǎo)體工藝中的二氧化硅大多數(shù)是通過熱生長氧化法得到的，也就是讓硅片（晶圓）在高溫下，與氧化劑發(fā)生反應(yīng)而生長一層SiO2膜的方法，其化學(xué)反應(yīng)式如下： Si(固態(tài))+O2(氣態(tài)) SiO2(固態(tài)) 化學(xué)反應(yīng)

24、非常簡單，但氧化幾理并非如此，因?yàn)橐坏┰诠璞砻嬗卸趸枭?，它將阻擋O2原子與Si原子直接接觸，所以其后的繼續(xù)氧化是O2原子通過擴(kuò)散穿過已生成的二氧化硅層，向Si一側(cè)運(yùn)動到達(dá)界面進(jìn)行反應(yīng)而增厚的。通過一定的理論分析可知，在初始階段，氧化層厚度(X)與時間(t)是線性關(guān)系，而后變成拋物線關(guān)系。 隨著每一個新的生長層出現(xiàn)，O2原子的擴(kuò)散時間更長，這就意味著生長速率變慢，這一階段被稱為剖物線階段。因此，氧化層的生長會通過兩個階段：線性階段和剖物線階段，之間的變化依賴氧化溫度和其他因素。通常來說，小于1000埃的氧化受控于線性機(jī)理。這是大多數(shù)MOS柵極氧化的范圍。 以上介紹的是干氧氧化，氧化速率較慢

25、。如果用水蒸氣代替氧氣做氧化劑，可以提高氧化速率，用水蒸氣氧化的工藝通常稱為濕氧氧化。其化學(xué)反應(yīng)式如下： Si(固態(tài))+H2O(氣態(tài)) SiO2(固態(tài))+2H2(氣態(tài)）氧化生長模式 無論是干氧或者濕氧工藝，二氧化硅的生長都要消耗硅，如圖所示。硅消耗的厚度占氧化總厚度的0.46，這就意味著每生長1m的氧化物，就有0.46m的硅消耗（干、濕氧化略有差別）。4.5 制備半導(dǎo)體器件工藝流程4.5.1 制備pn結(jié)二極管的主要工藝4.5.2 硅平面晶體管工藝流程 硅外延平面晶體管的基本工藝流程圖 硅外延平面晶體管工藝流程剖面圖 4.5.3 MOS晶體管與MOS集成電路工藝流程MOS晶體管與MOS集成電路工

26、藝流程 第五章 污染控制5.1 概述 在這一章中，將解釋污染對器件工藝、器件性能和器件可靠性的影響，以及芯片生產(chǎn)區(qū)域存在的污染類型和主要的污染源。同時也簡要介紹潔凈室規(guī)劃、主要的污染控制方法和晶片表面的清洗工藝等。5.2 污染類型 微粒 金屬離子 化學(xué)物質(zhì) 細(xì)菌 微粒 器件對污染物的敏感度取決于特征圖形的尺寸和晶體表面沉積層的厚度。由于特征圖形尺寸越來越小，膜層厚度越來越薄，所允許存在的微粒 尺寸也必須控制在更小的尺度上。 經(jīng)驗(yàn)告訴我們，微粒的大小要小于器件上最小特征圖形尺寸的1/10。（就是說直徑為0.03微米的微粒將會損壞0.3微米線寬大小的特征圖形。）否則會造成器件功能的致命傷害。金屬離

27、子 無論是單晶制造還是工藝過程中人為摻雜，在引入有用雜質(zhì)的同時也不可避免地引入一些其他有害的雜質(zhì)，特別是金屬雜質(zhì)。并且是以離子形式出現(xiàn)的而且是移動的。當(dāng)這些移動的離子超過一定數(shù)量時，同樣會引起器件的失效。因此，這些可移動的離子必須控制在一定范圍內(nèi)。 除此之外，鈉也是最常見的可移動離子污染物，而且移動性最強(qiáng)，因此，對鈉的控制也成為芯片生產(chǎn)的首要目標(biāo)。 可移動污染物問題特別是對MOS器件影響更為明顯，因?yàn)镸OS器件是表面電荷控制器件?；瘜W(xué)品 器件生產(chǎn)過程中化學(xué)品的應(yīng)用是不可避免的，有些化學(xué)品將導(dǎo)致晶片表面受到不必要的刻蝕，或者生成無法除去的化合物等，氯就是其中之一的污染物，所以，工藝過程中用到的化

28、學(xué)品氯的含量必須受到嚴(yán)格控制。細(xì)菌 主要來源于水中，是一種生成物。細(xì)菌一旦形成，會成為顆粒狀污染物或給器件表面引入不希望的金屬離子。污染的影響 器件工藝的良品率 器件性能 器件的可靠性5.3 污染源 下面將討論對器件生產(chǎn)中產(chǎn)生影響的各類污染的來源、性質(zhì)及其控制。從LSI出現(xiàn)以來，污染控制就突現(xiàn)出來它的重要性。如今污染控制本身已成為一門科學(xué)，是制造半導(dǎo)體器件必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)之一。5.3.1 普通污染源 實(shí)際上芯片生產(chǎn)過程中任何與產(chǎn)品相接觸的物質(zhì)都是潛在的污染源。主要有： 空氣 廠房設(shè)備 工作人員 使用的水 化學(xué)溶劑 化學(xué)氣體 靜電5.3.2 空氣 普通空氣中含有許多污染物，主要是可在空氣中傳播

29、的顆粒（一般是微?；蚋m），顆粒的相對尺寸如下圖所示（單位是：微米）。 這些微小顆粒的主要問題是在空氣中長時間漂浮。而潔凈工作室的潔凈度就是由空氣中的微粒大小和微粒含量決定的。 美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E規(guī)定空氣質(zhì)量由區(qū)域空氣級別數(shù)來決定的。標(biāo)準(zhǔn)按兩種方法設(shè)定，一是顆粒的大小，二是顆粒的密度。 而級別數(shù)是指在一立方英尺中含有直徑為0.5微米或更大的顆?？倲?shù)。 一般城市空氣中通常包含煙、霧、氣，每立方英尺多達(dá)500萬個顆粒，所以是500萬級。 圖5.6顯示了標(biāo)準(zhǔn)209E規(guī)定的顆粒直徑與顆粒密度的關(guān)系。不同環(huán)境下潔凈級別數(shù)與對應(yīng)的顆粒大小5.3.3 凈化空氣的方法 潔凈室的設(shè)計是要使生產(chǎn)免污染芯片的能力更完整化。設(shè)計時的主要思路是保持加工車間中空氣的潔凈。另外提高生產(chǎn)自動化水平也是降低污染的一種有效方法。共有4種不同的潔凈室設(shè)計方法：潔凈工作臺隧道型設(shè)計完全潔凈室微局部環(huán)境 具體就不作詳細(xì)的介紹，下面通過幾組圖片的瀏覽使大家有個初步的印象。5.4.3 人員產(chǎn)生的污染 工作區(qū)人員也是最大的污染源之一。即使一個經(jīng)過風(fēng)淋的潔凈室操作員，當(dāng)他坐著時，每分鐘也可釋放10萬到100萬個顆粒，當(dāng)人員移動時，這個數(shù)字還會大幅增加。這些顆粒都是來自脫落的頭發(fā)和壞死的皮膚。其他的顆粒源還有象化妝品、染發(fā)劑和暴露的衣服等。圖5.18列出了從不同操作人員的動 作中產(chǎn)生的污染物的