《半導(dǎo)體材料加工技術(shù)》課件

《半導(dǎo)體材料加工技術(shù)》課程介紹課程目標掌握半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)理論了解主要制備工藝流程具備解決實際問題能力學(xué)習(xí)內(nèi)容材料種類與特性制備與加工工藝測試與表征技術(shù)考核方式平時考勤與作業(yè)實驗報告半導(dǎo)體材料概述定義導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間分類元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史1第一代：硅和鍺1950年代開始，硅成為主流2第二代：化合物半導(dǎo)體1970年代，GaAs等化合物應(yīng)用3第三代：寬禁帶半導(dǎo)體2000年后，SiC、GaN等快速發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計芯片架構(gòu)與電路設(shè)計制造晶圓加工與芯片制造封裝測試芯片封裝與功能測試材料和設(shè)備原材料供應(yīng)與生產(chǎn)設(shè)備半導(dǎo)體材料在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位1下游應(yīng)用電子產(chǎn)品、通信設(shè)備2中游制造芯片制造、封裝測試3上游原材料半導(dǎo)體材料、生產(chǎn)設(shè)備半導(dǎo)體材料的種類硅基材料單晶硅、多晶硅、非晶硅1化合物半導(dǎo)體材料GaAs、InP、GaN、SiC2其他新型半導(dǎo)體材料石墨烯、二維材料、量子點3硅材料的制備（一）石英砂提純SiO2冶煉成冶金級硅三氯氫硅合成硅與HCl反應(yīng)生成SiHCl3西門子法氫氣還原三氯氫硅生成多晶硅硅材料的制備（二）直拉法（CZ法）原理從熔融硅中緩慢拉出單晶旋轉(zhuǎn)拉制形成圓柱狀晶體CZ法優(yōu)勢產(chǎn)量高直徑大成本低CZ法缺點氧含量高可能引入雜質(zhì)硅材料的制備（三）1區(qū)熔法（FZ法）通過高頻加熱在晶體內(nèi)形成熔融區(qū)2熔區(qū)移動雜質(zhì)隨熔區(qū)移動而被排出3形成高純度單晶獲得低氧含量、高電阻率硅晶體硅片的加工（一）切割金剛線切割單晶硅棒成薄片倒角硅片邊緣修整防止崩裂研磨機械研磨去除切割痕跡檢測尺寸與形狀檢測硅片的加工（二）拋光工藝化學(xué)機械拋光（CMP）拋光液含研磨顆粒和化學(xué)試劑去除表面微觀缺陷清洗工藝RCA清洗去除有機物、金屬離子超純水漂洗硅外延片的制備外延生長原理在單晶基底上沉積同質(zhì)結(jié)構(gòu)層CVD外延氣相前驅(qū)物在高溫分解沉積雜質(zhì)控制精確控制摻雜濃度質(zhì)量檢測表面缺陷和電學(xué)特性檢測化合物半導(dǎo)體材料（一）砷化鎵（GaAs）禁帶寬度：1.42eV直接帶隙高電子遷移率應(yīng)用：高頻器件、光電子磷化銦（InP）禁帶寬度：1.35eV直接帶隙優(yōu)異的光電特性應(yīng)用：光通信、高速電路化合物半導(dǎo)體材料（二）氮化鎵（GaN）寬禁帶：3.4eV高擊穿電場應(yīng)用：功率電子、LED碳化硅（SiC）寬禁帶：3.2eV高溫穩(wěn)定性好應(yīng)用：高溫高壓電子器件共同特點高頻高功率耐高溫高壓熱導(dǎo)率高化合物半導(dǎo)體制備技術(shù)液相外延（LPE）從飽和熔液中結(jié)晶設(shè)備簡單，成本低界面控制難度大氣相外延（VPE）氣態(tài)源在基底表面反應(yīng)生長速率快組分控制精確選擇標準材料種類器件要求成本考量分子束外延（MBE）技術(shù)超高真空10??~10?1?托原子束沉積原子束在基底表面形成薄膜單原子層控制精確控制薄膜厚度和組分原位監(jiān)測RHEED監(jiān)測生長過程半導(dǎo)體薄膜沉積技術(shù)（一）物理氣相沉積（PVD）熱蒸發(fā)電子束蒸發(fā)適合金屬和簡單化合物濺射技術(shù)DC濺射RF濺射磁控濺射反應(yīng)性濺射PVD特點物理過程低溫沉積膜厚均勻性好半導(dǎo)體薄膜沉積技術(shù)（二）CVD基本原理氣態(tài)前驅(qū)物熱分解沉積傳統(tǒng)熱CVD高溫（800-1200℃）分解反應(yīng)PECVD等離子體輔助，低溫（250-350℃）LPCVD低壓CVD，提高均勻性原子層沉積（ALD）技術(shù)前驅(qū)體A暴露前驅(qū)體分子吸附在表面惰性氣體清洗去除未反應(yīng)的前驅(qū)體前驅(qū)體B暴露與表面活性位點反應(yīng)循環(huán)重復(fù)循環(huán)反應(yīng)形成單原子層薄膜氧化技術(shù)熱氧化原理硅表面與氧氣反應(yīng)Si+O?→SiO?高溫（900-1200℃）干法氧化純氧氣環(huán)境生長速率慢氧化膜質(zhì)量高濕法氧化水蒸氣環(huán)境生長速率快適合厚氧化層摻雜技術(shù)（一）1擴散摻雜高溫下雜質(zhì)擴散進入半導(dǎo)體2離子注入高能離子轟擊進入半導(dǎo)體晶格3退火處理修復(fù)晶格損傷，激活雜質(zhì)原子摻雜技術(shù)（二）原位摻雜生長過程中同時摻入雜質(zhì)激光退火激光快速加熱表面層快速熱退火短時間高溫處理微波退火選擇性加熱，溫度分布均勻光刻技術(shù)概述光刻膠涂覆旋涂形成均勻薄膜1預(yù)烘去除溶劑2曝光通過掩模轉(zhuǎn)移圖形3顯影形成圖形結(jié)構(gòu)4后烘硬化光刻膠5光刻膠正性光刻膠曝光區(qū)域可溶解分辨率高對準容易負性光刻膠曝光區(qū)域不溶解粘附性好耐蝕性強關(guān)鍵性能參數(shù)靈敏度分辨率粘度耐蝕性曝光技術(shù)接觸式曝光掩模直接接觸晶圓分辨率高掩模易損壞近距離曝光掩模與晶圓有微小間隙降低掩模損壞分辨率略低投影式曝光光學(xué)投影系統(tǒng)掩模不損壞可縮小投影先進光刻技術(shù)193nm深紫外光刻ArF準分子激光13.5nm極紫外光刻EUV光源，全反射光學(xué)系統(tǒng)5nm分辨率EUV可實現(xiàn)的最小線寬~$150MEUV設(shè)備成本高昂投資成本刻蝕技術(shù)（一）濕法刻蝕化學(xué)溶液刻蝕各向同性刻蝕選擇性高低成本干法刻蝕等離子體刻蝕各向異性刻蝕高精度可控性強刻蝕技術(shù)（二）反應(yīng)離子刻蝕（RIE）物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)結(jié)合感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）高密度等離子體，高刻蝕率深硅刻蝕（Bosch工藝）刻蝕和鈍化交替進行高寬比結(jié)構(gòu)可形成高深寬比微結(jié)構(gòu)化學(xué)機械平坦化（CMP）CMP原理機械研磨與化學(xué)腐蝕協(xié)同作用研磨墊與砂漿研磨顆粒懸浮在化學(xué)溶液中應(yīng)用層間介質(zhì)平坦化金屬互連平坦化優(yōu)勢全局平坦化減少地形起伏金屬化技術(shù)電子束蒸發(fā)高能電子束加熱靶材蒸發(fā)沉積薄膜適合低熔點金屬磁控濺射離子轟擊靶材濺射出原子沉積適合高熔點金屬常用金屬鋁：傳統(tǒng)互連銅：低電阻率鈦/鈦氮化物：擴散阻擋層多層金屬互連技術(shù)介質(zhì)刻蝕形成溝槽和通孔阻擋層沉積防止銅擴散銅沉積電鍍填充CMP平坦化去除多余銅絕緣介質(zhì)材料低k材料介電常數(shù)＜4.0減小互連電容，提高速度高k材料介電常數(shù)＞10減小柵極泄漏電流常見低k材料氟摻雜氧化硅多孔氧化硅常見高k材料氧化鉿氧化鋯封裝技術(shù)概述封裝目的機械保護電氣連接熱管理提供接口封裝類型塑料封裝陶瓷封裝金屬封裝玻璃封裝封裝形式DIPQFP/QFNBGACSP引線鍵合金絲鍵合熱壓鍵合熱超聲波鍵合熱能+超聲能量高可靠性鋁絲鍵合超聲波鍵合常溫工藝成本低抗氧化性差銅絲鍵合超聲波鍵合導(dǎo)電性好散熱性優(yōu)成本低于金絲倒裝芯片（FlipChip）技術(shù)凸點制作芯片表面制作焊料凸點芯片翻轉(zhuǎn)芯片表面朝下對準基板回流焊接加熱使焊料熔化形成連接底部填充注入底填膠增強可靠性晶圓級封裝（WLP）再布線層晶圓表面制作重布線1凸點形成制作焊料凸點2切割分離將晶圓切割成單個芯片3測試檢驗電性能和可靠性測試43D封裝技術(shù)1性能提升更短互連，更高性能2晶圓堆疊多個晶圓垂直堆疊3硅通孔（TSV）垂直貫穿硅片的導(dǎo)電通道半導(dǎo)體器件測試晶圓測試探針臺測試電氣參數(shù)測試標記不良芯片成品測試功能測試可靠性測試環(huán)境適應(yīng)性測試測試項目DC參數(shù)AC參數(shù)功能驗證高溫測試良率分析與提升缺陷檢測光學(xué)檢測、電子束檢測失效分析確定缺陷原因數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計方法分析不良率分布工藝改進優(yōu)化制程參數(shù)半導(dǎo)體材料表征技術(shù)（一）X射線衍射（XRD）晶體結(jié)構(gòu)分析成分鑒定晶格常數(shù)測定掃描電子顯微鏡（SEM）表面形貌觀察微結(jié)構(gòu)分析缺陷檢測能譜分析（EDS）元素組成分析定性定量測試半導(dǎo)體材料表征技術(shù)（二）透射電子顯微鏡（TEM）原子級分辨率內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察原子力顯微鏡（AFM）三維表面形貌納米級分辨率二次離子質(zhì)譜（SIMS）深度剖析極低濃度雜質(zhì)檢測橢圓偏振儀薄膜厚度測量光學(xué)常數(shù)測定電學(xué)表征技術(shù)霍爾效應(yīng)測試載流子濃度載流子遷移率霍爾系數(shù)電阻率測量四探針法范德堡法電阻率映射C-V特性測試界面態(tài)密度耗盡層寬度摻雜濃度分布光學(xué)表征技術(shù)光致發(fā)光（PL）：能帶結(jié)構(gòu)、缺陷分析拉曼光譜：晶格振動、應(yīng)力分析紅外光譜：化學(xué)鍵識別、雜質(zhì)檢測吸收光譜：光學(xué)帶隙測定半導(dǎo)體工藝仿真工藝仿真模擬工藝步驟預(yù)測雜質(zhì)分布器件仿真預(yù)測電學(xué)性能I-V特性曲線電路仿真電路性能分析優(yōu)化設(shè)計參數(shù)可靠性仿真預(yù)測器件壽命失效模式分析潔凈室技術(shù)潔凈室等級：顆粒物控制空氣過濾系統(tǒng)：HEPA/ULPA過濾器溫濕度控制：±0.5℃，±5%RH半導(dǎo)體材料的質(zhì)量控制雜質(zhì)控制金屬雜質(zhì)＜101?/cm3缺陷控制表面缺陷密度＜0.1/cm2尺寸控制厚度均勻性＜±1%性能控制電學(xué)參數(shù)一致性半導(dǎo)體材料的安全與環(huán)保有毒氣體處理燃燒分解、化學(xué)吸附廢水處理中和、沉淀、離子交換固廢處理分類回收、專業(yè)處置人員防護防護裝備、安全培訓(xùn)先進半導(dǎo)體材料（一）石墨烯單層碳原子高遷移率＞10?cm2/Vs過渡金屬二硫化物MoS?、WS?可調(diào)帶隙六方氮化硼絕緣襯底熱導(dǎo)率高先進半導(dǎo)體材料（二）拓撲絕緣體內(nèi)部絕緣，表面導(dǎo)電自旋極化表面態(tài)代表材料：Bi?Se?，Bi?Te?量子點材料量子限制效應(yīng)可調(diào)發(fā)光特性代表材料：CdSe，PbS潛在應(yīng)用量子計算自旋電子學(xué)新型光電器件新興應(yīng)用領(lǐng)域（一）5G通信毫米波器件GaN射頻器件濾波器材料人工智能高性能計算芯片神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器低功耗存儲器關(guān)鍵半導(dǎo)體材料GaN/SiC功率器件高帶寬存儲材料低功耗邏輯器件新興應(yīng)用領(lǐng)域（二）物聯(lián)網(wǎng)傳感器芯片低功耗通信邊緣計算新能源汽車功率控制模塊電池管理系統(tǒng)車載智能系統(tǒng)核心芯片需求高效功率器件多功能傳感器安全加密模塊半導(dǎo)體材料的未來發(fā)展趨勢1摩爾定律延續(xù)2nm工藝節(jié)點開發(fā)2異質(zhì)集成多種材料集成在同一基底3三維集成垂直堆疊互連4新型計算架構(gòu)光電子計算、量子計算半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全球化與本地化臺灣韓國日本中國大陸美國歐洲其他全球產(chǎn)能分布產(chǎn)業(yè)鏈區(qū)域化趨勢技術(shù)壁壘與貿(mào)易限制中國半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀4000億市場規(guī)模材料市場年增長率超15%70%進口依賴度高端材料進口比例高28nm主流工藝大規(guī)模量產(chǎn)水平14nm先進工藝工藝逐步成熟中國半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略國產(chǎn)化替代重點突破關(guān)鍵材料技術(shù)創(chuàng)新加強基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研發(fā)人才培養(yǎng)建設(shè)專業(yè)人才隊伍開放合作國際交流與技術(shù)引進半導(dǎo)體材料加工的挑戰(zhàn)微縮化極限原子級精度控制量子效應(yīng)影響1新材料與新工藝三維堆疊新型溝道材料2能效提升功耗墻挑戰(zhàn)低功耗設(shè)計3成本控制設(shè)備投資高良率提升4半導(dǎo)體人才培養(yǎng)1創(chuàng)