半导体工艺生产

半导体制造工艺分类
• 一 双极型IC的基本制造工艺： • A 在元器件间要做电隔离区（PN结隔离、
全介质隔离及PN结介质混合隔离） ECL（不掺金） （非饱和型） 、
TTL/DTL （饱和型） 、STTL （饱和型） B 在元器件间自然隔离
I2L（饱和型）
半导体制造工艺分类
• 二 MOSIC的基本制造工艺： 根据栅工艺分类
第五次光刻—引线接触孔
•
SiO2
P P+
N+-BL
P N-epi P+ N-epi
N+ P+
N+-BL
P-SUB
去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜 —蚀刻—清洗—去膜—清洗
第六次光刻—金属化内连线：反刻铝
•
AL
P
P
P+
N-epiP+N-epi
N+ P+SiO2
N+-BL
第一次光刻—N+埋层扩散孔
• 1。减小集电极串联电阻 • 2。减小寄生PNP管的影响
要求： 1。 杂质固浓度大
SiO2
2。高温时在Si中的扩散系数小，
以减小上推
N+-BL
3。 与衬底晶格匹配好，以减小应力
P-SUB
涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗 —去膜--清洗—N+扩散(P)
HCl:H2O2:H2O
=1:1:5
溶液槽
除去表面颗粒
除去重金属粒 子
DI清洗
去离子水
溶液槽
除去清洗溶剂
光学显影
光学显影是在感光胶上经过曝光和显影的程序， 把光罩上的图形转换到感光胶下面的薄膜层 或硅晶上。光学显影主要包含了感光胶涂布、 烘烤、光罩对准、 曝光和显影等程序。
关键技术参数:最小可分辨图形尺寸Lmin(nm) 聚焦深度DOF
二、晶圆针测制程
• 经过Wafer Fab之制程後，晶圆上即形成 一格格的小格 ，我们称之为晶方或是晶粒 （Die），在一般情形下，同一片晶圆上 皆制作相同的晶片，但是也有可能在同一 片晶圆 上制作不同规格的产品；这些晶圆 必须通过晶片允收测试，晶粒将会一一经 过针测（Probe）仪器以测试其电气特性， 而不合格的的晶粒将会被标上记号（Ink Dot），此程序即 称之为晶圆针测制程 （Wafer Probe）。然後晶圆将依晶粒 为单位分割成一粒粒独立的晶粒
• 2。阱区注入及推进，形成阱区
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 3。去除SiO2，长薄氧，长Si3N4 Si3N4
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 4。光II---有源区光刻
Si3N4
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
现在主要应用技术:等离子体刻蚀
常见湿法蚀 刻 技 术
腐蚀液
被腐蚀物
H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O: Al NH4F(40%）=76：3：15：5：0.01
MOS中多晶硅电阻
多晶硅
SiO2
氧化层
Si
其它：MOS管电阻
集成电路中电容1
SiO2 P+
A-
N+E P+-I
N+-BL P-SUB
B+
A-
B+
N P+ Cjs
发射区扩散层—隔离层—隐埋层扩散层PN电容
集成电路中电容2
N+
MOS电容
SiO源自文库 P+
AL
N+ N-epi
P-SUB
Al P+
主要制程介绍
• 7。光Ⅳ---p管场区光刻，p管场区注入， 调节PMOS管的开启电压，生长多晶硅。
B+
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 8。光Ⅴ---多晶硅光刻，形成多晶硅栅及 多晶硅电阻
多晶硅
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 9。光ⅤI---P+区光刻，P+区注入。形成 PMOS管的源、漏区及P+保护环。
曝光方式:紫外线、X射线、电子束、极紫外
蝕刻技術（Etching Technology）
蝕刻技術（Etching Technology）是將材料使用化學 反應物理撞擊作用而移除的技術。可以分為:
濕蝕刻（wet etching）:濕蝕刻所使用的是化學溶液， 在經過化學反應之後達到蝕刻的目的.
乾蝕刻（dry etching）:乾蝕刻則是利用一种電漿蝕 刻（plasma etching）。電漿蝕刻中蝕刻的作用，可 能是電漿中离子撞擊晶片表面所產生的物理作用， 或者是電漿中活性自由基（Radical）与晶片表面原 子間的化學反應，甚至也可能是以上兩者的复合作 用。
低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅 度（无阈值损失），具有高速度、高密度潜力；可与 TTL电路兼容。电流驱动能力低
半导体制造环境要求
• 主要污染源：微尘颗粒、中金属离子、有 机物残留物和钠离子等轻金属例子。
• 超净间：洁净等级主要由 微尘颗粒数/m3
0.1um I级 35 10 级 350 100级 NA 1000级 NA
SiO2
P+ N-epi P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗 —去膜--清洗—P+扩散(B)
第三次光刻—P型基区扩散孔
决定NPN管的基区扩散位置范围 SiO2
P
P
P+
P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜 —蚀刻—清洗—去膜—清洗—基区扩散(B)
VCC AL
N+
P+
P-SUB
集成电路中电阻2
发射区扩散电阻
SiO2
R
P+ N+
N-epi N+-BL
P-SUB
R P+
集成电路中电阻3
基区沟道电阻
SiO2 P+
R
N+
P N-epi
N+-BL
P-SUB
R P+
集成电路中电阻4
外延层电阻
SiO2
R
N+
R
P+
P
P+
N-epi
P-SUB
集成电路中电阻5
外延层淀积
1。VPE（Vaporous phase epitaxy) SiCl4+H2→Si+HCl 2。氧化
气相外延生长硅
Tepi>Xjc+Xmc+TBL-up+tepi-ox SiO2
N-epi
N+-BL
N+-BL
P-SUB
第二次光刻—P+隔离扩散孔
• 在衬底上形成孤立的外延层岛,实现元件的隔离.
• 5。光III---N管场区光刻，N管场区注入， 以提高场开启，减少闩锁效应及改善阱 的接触。
B+
光刻胶
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 6。光III---N管场区光刻，刻出N管场区 注入孔； N管场区注入。
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
衬底制备 一次氧化 隐埋层光刻 隐埋层扩散
外延淀积
基区光刻
再氧化
隔离扩散
隔离光刻
基区扩散 再分布及氧化 发射区光刻 背面掺金
热氧化 发射区扩散
铝合金
反刻铝
铝淀积
接触孔光刻 再分布及氧化
淀积钝化层 压焊块光刻
中测
横向晶体管刨面图
B
C E
P+
P N
P
P+
P
PNP
纵向晶体管刨面图
CBE P
N
N+ C
B
B+
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 10。光Ⅶ---N管场区光刻，N管场区注入， 形成NMOS的源、漏区及N+保护环。
As 光刻胶
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 11。长PSG（磷硅玻璃）。
N+ N+ P-
P+
N-Si
PSG P+
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
第四次光刻—N+发射区扩散孔
• 集电极和N型电阻的接触孔,以及外延层的反偏孔。 • Al—N-Si 欧姆接触：ND≥1019cm-3，
P P+
N+-BL
N+
P+ NP-epi
P+
N+-BL
P-SUB
SiO2
去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜 —蚀刻—清洗—去膜—清洗—扩散
• 12。光刻Ⅷ---引线孔光刻。
N+ N+ P-
P+
N-Si
PSG P+
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 13。光刻Ⅸ---引线孔光刻（反刻AL）。
PSG
N+ N+ P-
P+ P+
N-Si
VDD SP
D
IN
OUT
D
SN
集成电路中电阻1
基区扩散电阻
SiO2 P+
R+ P
R-
N-epi N+-BL
半导体制造工艺流程
半导体相关知识
• 本征材料：纯硅 9-10个9
250000Ω.cm
• N型硅： 掺入V族元素--磷P、砷As、锑 Sb
• P型硅： 掺入 III族元素—镓Ga、硼B
• PN结：
P
-
-
++ + ++
N
半 导体元件制造过程可分为
• 前段（Front End）制程 晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab）、 晶圆针测制程（Wafer Probe）；
E p+
N P
NPN
PNP
NPN晶体管刨面图
SiO2
B
N+ E
AL C
P
P+
P+
N-epi
N+-BL
P-SUB
1.衬底选择
P型Si ρ 10Ω.cm 111晶向,偏离2O~5O
晶圆（晶片） 晶圆（晶片）的生产由砂即（二氧化硅）开始， 经由电弧炉的提炼还原成 冶炼级的硅，再经由 盐酸氯化，产生三氯化硅，经蒸馏纯化后，透 过慢速分 解过程，制成棒状或粒状的「多晶 硅」。一般晶圆制造厂，将多晶硅融解 后，再 利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒。一支85公分 长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半 时间长成。经研磨、抛光、切片后，即成半导 体之原料 晶圆片
矽晶圓材料（Wafer）
圓晶是制作矽半導體IC所用之矽晶片，狀似圓 形，故稱晶圓。材料是「矽」， IC （Integrated Circuit）厂用的矽晶片即 為矽晶體，因為整片的矽晶片是單一完整的晶 體，故又稱為單晶體。但在整體固態晶體內， 眾多小晶體的方向不相，則為复晶體（或多晶 體）。生成單晶體或多晶體与晶體生長時的溫 度，速率与雜質都有關系。
一般清洗技术
工艺
清洁源
剥离光刻胶 氧等离子体
容器
清洁效果
平板反应器 刻蚀胶
去聚合物
H2SO4:H2O=6:1
去自然氧化层 HF:H2O<1:50
旋转甩干
氮气
溶液槽 溶液槽 甩干机
除去有机物 产生无氧表面 无任何残留物
RCA1#(碱性) RCA2#(酸性)
NH4OH:H2O2:H2O= 溶液槽
1:1:1.5
• 後段（Back End） 构装（Packaging）、 测试制程（Initial Test and Final Test）
一、晶圆处理制程
• 晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与 电子元件（如电晶体、电容体、逻辑闸等），为上 述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程 ， 以微处理器（Microprocessor）为例，其所需处理 步骤可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵， 动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿 度与 含尘（Particle）均需控制的无尘室（CleanRoom），虽然详细的处理程序是随著产品种类与所 使用的技术有关；不过其基本处理步骤通常是晶圆 先经过适 当的清洗（Cleaning）之後，接著进行氧 化（Oxidation）及沈积，最後进行微影、蚀刻及离 子植入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的加工与制 作。
0.2um 0.3um 7.5 3 75 30 750 300
NA NA
0.5um 1 10 100
1000
5.0um NA NA NA 7
半 导体元件制造过程
前段（Front End）制程---前工序
晶圆处理制程（Wafer Fabrication； 简称 Wafer Fab）
典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程
N+-BL
P-SUB
去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜 —蚀刻—清洗—去膜—清洗—蒸铝
CMOS工艺集成电路
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 1。光刻I---阱区光刻，刻出阱区注入孔
SiO2
N-Si
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• A 铝栅工艺 • B 硅 栅工艺 • 其他分类 1 、（根据沟道） PMOS、NMOS、CMOS 2 、（根据负载元件）E/R、E/E、E/D
半导体制造工艺分类
• 三 Bi-CMOS工艺： A 以CMOS工艺为基础 P阱 N阱
B 以双极型工艺为基础
双极型集成电路和MOS集成电 路优缺点
双极型集成电路 中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比 较大 CMOS集成电路
三、IC构装制程
• IC構裝製程（Packaging）：利用塑膠 或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路
• 目的：是為了製造出所生產的電路的保 護層，避免電路受到機械性刮傷或是高 溫破壞。
半导体制造工艺分类
MOS型
双极型
PMOS型 NMOS型 CMOS型 饱和型
非饱和型
BiMOS TTL I2L ECL/CML