芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程

芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程MicrochipFabricationAPracticalGuidetoSemicondutorProcessing目錄:第一章:半導(dǎo)體工業(yè)第二章:半導(dǎo)體材料和工藝化學(xué)品第三章:晶圓制備第四章:芯片制造概述第五章:污染控制第六章:工藝良品率第七章:氧化第八章:基本光刻工藝流程-從表面準(zhǔn)備到曝光第九章:基本光刻工藝流程-從曝光到最終檢驗(yàn)第十章:高級(jí)光刻工藝第十一章:摻雜第十二章:淀積第十三章:金屬淀積第十四章:工藝和器件評(píng)估第十五章:晶圓加工中的商務(wù)因素第十六章:半導(dǎo)體器件和集成電路的形成第十七章:集成電路的類(lèi)型第十八章:封裝附錄:術(shù)語(yǔ)表1芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程#1第一章半導(dǎo)體工業(yè)--1芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程點(diǎn)擊查看章節(jié)目錄byr__概述本章通過(guò)歷史簡(jiǎn)介，在世界經(jīng)濟(jì)中的重要性以及縱覽重大技術(shù)的發(fā)展和其成為世界領(lǐng)導(dǎo)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)介紹半導(dǎo)體工業(yè)。并將按照產(chǎn)品類(lèi)型介紹主要生產(chǎn)階段和解釋晶體管結(jié)構(gòu)與集成度水平。目的完成本章后您將能夠：1.描述分立器件和集成電路的區(qū)別。2.說(shuō)明術(shù)語(yǔ)D固態(tài)，||D平面工藝||,DDN||||型和DP||型半導(dǎo)體材料。3.列舉出四個(gè)主要半導(dǎo)體工藝步驟。4.解釋集成度和不同集成水平電路的工藝的含義。5.列舉出半導(dǎo)體制造的主要工藝和器件發(fā)展趨勢(shì)。一個(gè)工業(yè)的誕生電信號(hào)處理工業(yè)始于由LeeDeforest在1906年發(fā)現(xiàn)的真空三極管。1真空三極管使得收音機(jī),電視和其它消費(fèi)電子產(chǎn)品成為可能。它也是世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的大腦，這臺(tái)被稱(chēng)為電子數(shù)字集成器和計(jì)算器（ENIAC）的計(jì)算機(jī)于1947年在賓西法尼亞的摩爾工程學(xué)院進(jìn)行首次演示。這臺(tái)電子計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)大相徑庭。它占據(jù)約1500平方英尺，重30噸，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，并需要一個(gè)小型發(fā)電站來(lái)供電，花費(fèi)了1940年時(shí)的400,000美元。ENIAC的制造用了__個(gè)真空管和數(shù)千個(gè)電阻及電容器。真空管有三個(gè)元件，由一個(gè)柵極和兩個(gè)被其柵極分開(kāi)的電極在玻璃密封的空間中構(gòu)成（圖1.2）。密封空間內(nèi)部為真空，以防止元件燒毀并易于電子的====移動(dòng)。真空管有兩個(gè)重要的電子功能，開(kāi)關(guān)和放大。開(kāi)關(guān)是指電子器件可接通和切斷電流；放大則較為復(fù)雜，它是指電子器件可把接收到的信號(hào)放大，并保持信號(hào)原有特征的功能。真空管有一系列的缺點(diǎn)。體積大，連接處易于變松導(dǎo)致真空泄漏、易碎、要求相對(duì)較多的電能來(lái)運(yùn)行，并且元件老化很快。ENIAC和其它基于真空管的計(jì)算機(jī)的主要缺點(diǎn)是由于真空管的燒毀而導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間有限。這些問(wèn)題成為許多實(shí)驗(yàn)室尋找真空管替代品的動(dòng)力，這個(gè)努力在1947年12月23曰得以實(shí)現(xiàn)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位科學(xué)家演示了由半導(dǎo)體材料鍺制成的電子放大器。2芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程這種器件不但有真空管的功能，而且具有固態(tài)（無(wú)真空）、體積小、重量輕,、耗電低并且壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，起初命名為D傳輸電阻器||而后很快更名為晶體管（transistor）。JohnBarden,WalterBrattin和WilliamShockley,這三位科學(xué)家因他們的這一發(fā)明而被授予1956年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。固態(tài)時(shí)代第一個(gè)晶體管和今天的高密度集成電路相去甚遠(yuǎn)，但它和它的許多著名的后裔賦予了固態(tài)電子時(shí)代的誕生。除晶體管之外,固態(tài)技術(shù)還用于制造二極管、電阻器和電容器。二極管為兩個(gè)元件的器件在電路中起到開(kāi)關(guān)的作用；電阻器是單元件的器件承擔(dān)限制電流的作用.；電容器為兩個(gè)元件的器件在電路中起存儲(chǔ)電荷的作用，在有些電路中應(yīng)用這種技術(shù)制造保險(xiǎn)絲。有關(guān)這些概念和器件工作原理的解釋請(qǐng)參見(jiàn)第14章。這些每個(gè)芯片中只含有一個(gè)器件的器件稱(chēng)為分立器件（圖1.4）。大多數(shù)的分立器件在功能和制造上比集成電路有較少的要求。大體上，分立器件不被認(rèn)為是尖端產(chǎn)品，然而它們卻用于最精密復(fù)雜的電子系統(tǒng)中。在1998年它們的銷(xiāo)售額占全部半導(dǎo)體器件銷(xiāo)售額的12%。2到20世紀(jì)50年代的早期半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)非?；钴S的時(shí)期，為晶體管收音機(jī)和晶體管計(jì)算機(jī)提供器件。集成電路分立器件的統(tǒng)治地位在1959年走到了盡頭。那一年，在得州儀器公司工作的新工程師JackyKilby在一塊鍺半導(dǎo)體材料上制成了一個(gè)完整的電路。他的發(fā)明由幾個(gè)晶體管、二極管、電容器和利用鍺芯片天然電阻的電阻器組成。這個(gè)發(fā)明就是集成電路(integratedcircuit),第一次成功地在一塊半導(dǎo)體基材上做出完整的電路。Kilby的電路并不是現(xiàn)今所普遍應(yīng)用的形式，它是經(jīng)RobertNoyce，然后最終在FairchildCamera完成的。圖1.5是Kilby的電路，我們可以注意到器件是用單獨(dú)的線連接起來(lái)的。早些時(shí)候在FairchildCamera的JeanHorni就已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種在芯片表面上形成電子結(jié)來(lái)制做晶體管的平面制作工藝(圖1.6)。平面形式是利用了硅易于形成氧化硅并且為非導(dǎo)體(電絕緣體)的優(yōu)點(diǎn)。Horni的晶體管使用了鋁蒸汽鍍膜并使之形成適當(dāng)?shù)男螤顏?lái)作器件的連線，這種技術(shù)稱(chēng)為平面技術(shù)(planartechnology)。Horni應(yīng)用這種技術(shù)把預(yù)先在硅表面上形成的器件連接起來(lái)Kilby和Horni的集成電路成為所有集成電路的模式，這種技術(shù)不僅符合當(dāng)時(shí)的需要，而且也是小型化和推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的生產(chǎn)有效成本制造業(yè)的根源。Kilby和Horni共同享有集成電路的專(zhuān)利。圖1.5Kibly書(shū)中記載的集成電路工藝和產(chǎn)品趨勢(shì)3芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程從1947年開(kāi)始，半導(dǎo)體工業(yè)就已經(jīng)呈現(xiàn)出在新工藝和工藝提高上的持續(xù)發(fā)展。工藝的提高導(dǎo)致了具有更高集成度和可靠性的集成電路的產(chǎn)生，從而推動(dòng)了電子工業(yè)的革命。這些工藝的改進(jìn)歸為兩大類(lèi)：工藝和結(jié)構(gòu)。工藝的改進(jìn)是指以更小尺寸來(lái)制造器件和電路，并使之具有有更高的密度，更多數(shù)量和更高的可靠性。結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是指新器件設(shè)計(jì)上的發(fā)明使電路的性能更好，實(shí)現(xiàn)更佳的能耗控制和更高的可靠性。集成電路中器件的尺寸和數(shù)量是IC發(fā)展的兩個(gè)共同標(biāo)志。器件的尺寸是以設(shè)計(jì)中最小尺寸來(lái)表示的，叫做特征圖形尺寸,通常用微米來(lái)表示。一微米為1/10,000厘米或約為人頭發(fā)的1/100。英特爾公司的創(chuàng)始人之一GordonMoore在1964年預(yù)言集成電路的密度會(huì)每十八個(gè)月翻一番，這個(gè)預(yù)言后來(lái)成為著名的摩爾定律并被證明十分準(zhǔn)確（圖1.7）。集成度水平表示電路的密度，也就是電路中器件的數(shù)量。集成度水平（integrationlevel）（圖1.8）的范圍從小規(guī)模集成（SSI）到超大規(guī)模（ULSI）集成電路，ULSI集成電路有時(shí)稱(chēng)為甚大規(guī)模集成電路（VVLSI）.大眾刊物上稱(chēng)最新的產(chǎn)品為百萬(wàn)芯片（megachips）。除集成規(guī)模外，存儲(chǔ)器電路還由其存儲(chǔ)比特的數(shù)量來(lái)衡量（一個(gè)4兆的存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)四百萬(wàn)比特），邏輯電路的規(guī)模經(jīng)常用柵極（柵極是邏輯電路中基本的功能元件）的數(shù)量來(lái)評(píng)價(jià)。#1第一章半導(dǎo)體工業(yè)―2Quote:4芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程芯片制造-半導(dǎo)體工藝教程點(diǎn)擊查看章節(jié)目錄特征圖形尺寸的減小byr__從小規(guī)模集成電路發(fā)展到今天的百萬(wàn)芯片，其中單個(gè)元件特征圖形尺寸的減小起了重要的推動(dòng)作用。這得益于光刻和多層連線技術(shù)的極大提高。圖1.9為二十五年中實(shí)際和預(yù)期的特征圖形尺寸的情況。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）預(yù)期到2022年特征圖形尺寸會(huì)減小至50納米（0.05微米）。3元件尺寸的減小所帶來(lái)的好處是電路密度的增加。我們可以用一個(gè)家庭住宅區(qū)的布局做個(gè)比喻來(lái)解釋這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。住宅區(qū)的密度就取決于房屋大小,占地大小和街道寬度如果要居住更多的人口，我們可以增加住宅區(qū)的面積（增加芯片區(qū)域），另一種可能則是減小單個(gè)房屋的尺寸并使它們占地較小。我們也可以用減小街道大小的辦法來(lái)增加密度，然而,到一定程度時(shí)街道就不能再被減小了，或是就不夠汽車(chē)通行的寬度了，而要保持房子的可居住性，房屋也不能無(wú)限制地減小，此時(shí)一個(gè)辦法就是用公寓樓來(lái)取代單個(gè)房屋。所有的這些辦法都應(yīng)用在了半導(dǎo)體技術(shù)中。特征尺寸的減小和電路密度的增大帶來(lái)了很多益處。在電路的性能方面是電路速度的提高，傳輸距離的縮短和單個(gè)器件所占空間的減小使得信息通過(guò)芯片時(shí)所用的時(shí)間縮短，這種更快的性能使那些曾經(jīng)等待計(jì)算機(jī)來(lái)完成一個(gè)簡(jiǎn)單工作的人受益非淺。電路密度的提高還使芯片或電路耗電量更小，要小型電站來(lái)維持運(yùn)行的ENIAC已被靠使用電池的功能強(qiáng)大的便攜式電腦所取代。芯片和晶圓尺寸的增大芯片密度從SSI發(fā)展到ULSI的進(jìn)步推動(dòng)了更大尺寸芯片的開(kāi)發(fā)。分立器件和SSI芯片邊長(zhǎng)平均約為100mils（0.1英寸），而ULSI芯片每邊長(zhǎng)為500mils（0.5英寸）或更大。IC是在稱(chēng)為晶圓（wafer）的薄硅片（或其它半導(dǎo)體材料薄片）上制造成的。在圓形的晶圓上制造方形或長(zhǎng)方形的芯片導(dǎo)致在晶圓的邊緣處剩余下一些不可使用的區(qū)域，當(dāng)芯片的尺寸增大時(shí)這些不可使用的區(qū)域也隨之增大。為了彌補(bǔ)這種損失，半導(dǎo)體業(yè)界采用了更大尺寸的晶圓。隨著芯片的尺寸增大,1