《半導(dǎo)體材料加工技術(shù)》課件2

半導(dǎo)體材料加工技術(shù)集成電路制造核心現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)課程概述課程目標(biāo)掌握半導(dǎo)體加工基本原理主要內(nèi)容材料制備至器件封裝全流程學(xué)習(xí)方法第一章：半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)半導(dǎo)體定義介于導(dǎo)體與絕緣體之間的特殊材料能帶理論禁帶寬度決定電子行為載流子特性半導(dǎo)體的定義與特性電阻率范圍10-3至109Ω.cm之間負溫度系數(shù)溫度升高電阻率下降光敏特性半導(dǎo)體材料的分類元素半導(dǎo)體硅、鍺等單一元素構(gòu)成化合物半導(dǎo)體GaAs、InP等多元素化合物有機半導(dǎo)體含碳分子結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程1第一代硅、鍺材料奠定產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)2第二代GaAs、InP化合物提高速度性能3第三代SiC、GaN寬禁帶高溫高功率應(yīng)用半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)硅、鍺等元素半導(dǎo)體sp3雜化鍵合閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs、InP等III-V族類似金剛石結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN、ZnO等材料六方晶系排列第二章：半導(dǎo)體材料制備晶體生長從熔體中提拉單晶晶片加工切割、研磨、拋光外延生長在基底上沉積薄膜單晶硅的制備直拉法工業(yè)主流方法區(qū)熔法獲得高純度晶體懸浮區(qū)熔法無坩堝污染化合物半導(dǎo)體的制備液相外延法從飽和溶液中生長氣相外延法前驅(qū)體氣體分解沉積分子束外延法原子級精確控制半導(dǎo)體薄膜的制備方法物理氣相沉積蒸發(fā)、濺射等物理過程化學(xué)氣相沉積化學(xué)反應(yīng)生成薄膜原子層沉積逐層生長精確控制第三章：晶圓加工基礎(chǔ)表面清洗去除雜質(zhì)和污染物薄膜沉積形成功能層結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移光刻和刻蝕定義結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測確保工藝一致性晶圓清洗技術(shù)RCA清洗SC1去除有機物SC2去除金屬離子超聲波清洗聲波能量去除顆粒等離子體清洗活性基團反應(yīng)去除污染氧化技術(shù)干氧氧化Si+O2→SiO2生長速率慢但質(zhì)量高濕氧氧化Si+2H2O→SiO2+2H2生長速率快高壓氧化提高氧分壓加速生長降低熱預(yù)算光刻技術(shù)概述光刻膠涂覆旋涂均勻薄膜曝光通過掩模轉(zhuǎn)移圖形顯影溶解曝光/未曝光區(qū)域刻蝕技術(shù)微米級濕法刻蝕化學(xué)溶液選擇性去除納米級干法刻蝕等離子體物理轟擊高比例反應(yīng)離子刻蝕物理化學(xué)協(xié)同作用離子注入技術(shù)原理高能離子束轟擊材料離子嵌入表層改變性質(zhì)設(shè)備離子源產(chǎn)生特定離子加速器提供能量應(yīng)用晶體管源漏區(qū)摻雜閾值電壓調(diào)節(jié)化學(xué)機械拋光（CMP）原理化學(xué)反應(yīng)軟化表面機械力去除突起工藝參數(shù)拋光液成分、壓力、速度應(yīng)用多層互連平坦化淺溝槽隔離形成第四章：薄膜沉積技術(shù)各種薄膜沉積設(shè)備和技術(shù)物理氣相沉積（PVD）熱蒸發(fā)加熱源材料蒸發(fā)凝結(jié)電子束蒸發(fā)高能電子轟擊局部熔化濺射離子轟擊靶材化學(xué)氣相沉積（CVD）低壓CVD減壓環(huán)境下反應(yīng)提高均勻性等離子體增強CVD等離子體活化氣體降低反應(yīng)溫度金屬有機CVD使用金屬有機前驅(qū)體適合III-V族材料原子層沉積（ALD）原理自限制表面反應(yīng)1優(yōu)勢原子級精確控制應(yīng)用領(lǐng)域高k柵介質(zhì)沉積電化學(xué)沉積成本填充能力純度第五章：光刻技術(shù)詳解光刻膠處理涂膠、預(yù)烘、曝光圖形轉(zhuǎn)移顯影、后烘、檢查圖形應(yīng)用刻蝕、注入、沉積光刻膠去除濕法或干法去膠光刻膠正性光刻膠曝光區(qū)溶解圖形精度高負性光刻膠曝光區(qū)交聯(lián)不溶黏附性好光刻膠涂覆方法旋涂、噴涂、滾涂曝光設(shè)備接觸式光刻掩模直接接觸晶圓容易損壞掩模投影式光刻透鏡系統(tǒng)投影降低掩模損耗步進式光刻分區(qū)域曝光高精度對準掩模版技術(shù)掩模版制作電子束直寫轉(zhuǎn)移圖形掩模版對準利用標(biāo)記精確定位掩模版檢查光學(xué)和電子顯微技術(shù)先進光刻技術(shù)第六章：刻蝕技術(shù)詳解材料選擇性去除通過光刻定義區(qū)域形成微觀結(jié)構(gòu)濕法刻蝕等向性刻蝕各向同速刻蝕形成圓弧邊緣各向異性刻蝕沿晶面選擇性刻蝕KOH刻蝕硅形成V溝刻蝕液選擇HF刻蝕SiO2H3PO4刻蝕Al干法刻蝕50:1等離子體刻蝕物理和化學(xué)雙重作用100:1反應(yīng)離子刻蝕方向性離子增強反應(yīng)30:1深反應(yīng)離子刻蝕高深寬比結(jié)構(gòu)形成刻蝕終點檢測光學(xué)發(fā)射光譜法監(jiān)測特征譜線變化激光干涉法膜厚變化引起干涉變化質(zhì)譜法反應(yīng)產(chǎn)物成分分析選擇性刻蝕材料刻蝕液選擇比Si/SiO2KOH500:1SiO2/SiBOE100:1Si3N4/SiO2H3PO410:1第七章：摻雜技術(shù)半導(dǎo)體摻雜改變電子特性熱擴散恒定表面濃度擴散源材料持續(xù)供應(yīng)預(yù)沉積過程有限體源擴散固定劑量再分布驅(qū)入過程擴散系數(shù)D=D0exp(-Ea/kT)溫度指數(shù)關(guān)系離子注入離子注入機理高能離子直接植入晶格注入能量與劑量決定分布深度和濃度退火處理修復(fù)晶格損傷激活雜質(zhì)原子原位摻雜外延生長中的摻雜生長過程添加摻雜源CVD過程中的摻雜加入含雜氣體前驅(qū)物優(yōu)缺點分析均勻性好但濃度受限第八章：薄膜應(yīng)力與表征內(nèi)應(yīng)力重要性影響器件性能和可靠性測量方法多樣光學(xué)、力學(xué)、衍射技術(shù)應(yīng)力控制沉積參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計薄膜應(yīng)力來源外加應(yīng)力外部力導(dǎo)致形變本征應(yīng)力生長過程結(jié)構(gòu)缺陷熱應(yīng)力膨脹系數(shù)差異應(yīng)力測量方法X射線衍射法晶格常數(shù)變化反映應(yīng)力基底彎曲法應(yīng)力導(dǎo)致翹曲拉曼光譜法振動頻率移動與應(yīng)力相關(guān)應(yīng)力控制技術(shù)退火熱處理松弛內(nèi)應(yīng)力多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力相互補償應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)減輕應(yīng)力第九章：表面鈍化技術(shù)表面懸掛鍵處理消除界面態(tài)防止環(huán)境影響阻隔水分氧氣提高電學(xué)性能降低漏電流鈍化的重要性10倍改善器件參數(shù)增大漏電阻值3倍增強穩(wěn)定性減少表面缺陷2倍提高可靠性延長器件壽命氧化鈍化熱氧化傳統(tǒng)高溫工藝2等離子體輔助氧化降低工藝溫度原子層沉積氧化精確控制超薄膜氮化物鈍化LPCVD氮化硅低壓高溫沉積高質(zhì)量致密PECVD氮化硅等離子體增強低溫應(yīng)力可調(diào)氮氧化物結(jié)合氧氮特性界面特性優(yōu)化有機鈍化聚酰亞胺耐熱性好1BCB低介電常數(shù)2光刻膠鈍化工藝簡單第十章：封裝前的晶圓處理晶圓測試篩選出不良芯片背面減薄降低最終厚度晶圓切割分離單個芯片清洗與檢查準備封裝流程背面減薄機械研磨高速旋轉(zhuǎn)砂輪粗磨化學(xué)機械拋光表面精致平整化等離子體刻蝕減薄去除機械損傷層晶圓切割金剛石切割傳統(tǒng)機械切割激光切割熱加工無機械力等離子體切割干法刻蝕無碎屑清洗與干燥等離子體清洗去除有機污染提高黏著性超臨界CO2干燥無表面張力避免黏連變形甩干技術(shù)離心力去除液體工藝簡單高效第十一章：封裝材料與工藝4基板與引線框電連接與導(dǎo)熱互連材料金絲、銅絲、焊料封裝材料環(huán)氧樹脂、陶瓷散熱材料界面材料、金屬填充物引線框架材料類型導(dǎo)電性導(dǎo)熱性成本銅合金高高中鐵鎳合金中低低銀鍍層極高高高芯片粘結(jié)導(dǎo)電膠銀填充環(huán)氧樹脂低溫工藝共晶鍵合金硅合金形成高可靠性無鉛焊料錫銀銅合金環(huán)保要求引線鍵合導(dǎo)電性使用度成本塑封材料與工藝環(huán)氧樹脂二氧化硅填充阻燃劑、固化劑模壓成型轉(zhuǎn)移模塑加壓固化成型轉(zhuǎn)移模塑塑封料加熱流動填充模具空隙第十二章：半導(dǎo)體材料測試與表征多種測試方法表征材料性能電學(xué)測試I-V特性電流電壓關(guān)系曲線C-V特性電容電壓特性霍爾效應(yīng)測試載流子濃度和遷移率結(jié)構(gòu)