1、2022-6-131第8章微電子器件材料微電子器件材料2022-6-1321.微電子工業(yè)微電子工業(yè)2. 微電子材料微電子材料3. 硅集成電路硅集成電路outline2022-6-1331.微電子工業(yè)微電子工業(yè) 集成電路集成電路是將各種是將各種電路器件電路器件集成于半導(dǎo)體表面而形成的集成于半導(dǎo)體表面而形成的電路。近年來(lái)集成電路幾乎已成為所有電子產(chǎn)品的心臟。目電路。近年來(lái)集成電路幾乎已成為所有電子產(chǎn)品的心臟。目前科技的飛速進(jìn)展與集成電路的發(fā)展應(yīng)用有密不可分的關(guān)系。前科技的飛速進(jìn)展與集成電路的發(fā)展應(yīng)用有密不可分的關(guān)系。 目前科技的飛速進(jìn)展與集成電路的發(fā)展應(yīng)用有密不可分的關(guān)系。目前科技的飛速進(jìn)展與集成

2、電路的發(fā)展應(yīng)用有密不可分的關(guān)系。 2022-6-134 十九世紀(jì)工業(yè)革命主要以機(jī)器節(jié)省人力十九世紀(jì)工業(yè)革命主要以機(jī)器節(jié)省人力， 二十世紀(jì)二十世紀(jì)的工業(yè)革命則主要以電腦為人腦分勞的工業(yè)革命則主要以電腦為人腦分勞。 而而電腦的發(fā)展歸于集成電路工業(yè)電腦的發(fā)展歸于集成電路工業(yè)。 由于由于集成電路微小化的趨向，使電子集成電路微小化的趨向，使電子產(chǎn)品變得產(chǎn)品變得“輕、薄、輕、薄、短、小短、小”。故集成電路工業(yè)又稱(chēng)。故集成電路工業(yè)又稱(chēng)微電子工業(yè)微電子工業(yè)。2022-6-135 微電子工業(yè)可溯源于微電子工業(yè)可溯源于19471947年肖克利等人發(fā)明晶體管年肖克利等人發(fā)明晶體管取代真空管放大器。差不多在同時(shí)取代真

3、空管放大器。差不多在同時(shí), ,數(shù)字計(jì)算器的發(fā)展數(shù)字計(jì)算器的發(fā)展提供了應(yīng)用晶體管的龐大潛在市場(chǎng)。提供了應(yīng)用晶體管的龐大潛在市場(chǎng)。 新器件的出現(xiàn)與應(yīng)用的配合，造就了晶體管和計(jì)算機(jī)工新器件的出現(xiàn)與應(yīng)用的配合，造就了晶體管和計(jì)算機(jī)工業(yè)的爆炸性成長(zhǎng)。業(yè)的爆炸性成長(zhǎng)。First Transistor (1947)2022-6-136 同時(shí)因?yàn)橛?jì)算機(jī)、太空衛(wèi)星、同時(shí)因?yàn)橛?jì)算機(jī)、太空衛(wèi)星、飛彈（飛彈（巡航導(dǎo)彈，有翼導(dǎo)彈巡航導(dǎo)彈，有翼導(dǎo)彈）電子電子系統(tǒng)系統(tǒng)“輕、薄、短、小輕、薄、短、小”的需求刺激了集成電路的發(fā)的需求刺激了集成電路的發(fā)展。展。 到到1950年代末期，集成電路已發(fā)展到耐用可靠性相當(dāng)良年代末期，集成

4、電路已發(fā)展到耐用可靠性相當(dāng)良好的境地。自此以后，集成電路制造技術(shù)更一日千里。好的境地。自此以后，集成電路制造技術(shù)更一日千里。2022-6-1372. 2. 微電子材料微電子材料 從從19401940年代末期晶體管問(wèn)世以來(lái)，電子工業(yè)始終以基礎(chǔ)年代末期晶體管問(wèn)世以來(lái)，電子工業(yè)始終以基礎(chǔ)科學(xué)為先導(dǎo)，日新月異科學(xué)為先導(dǎo)，日新月異。材料科學(xué)。材料科學(xué)與工程在電子工業(yè)的成長(zhǎng)與工程在電子工業(yè)的成長(zhǎng)中扮演了極重要的角色。中扮演了極重要的角色。 高純度及幾乎無(wú)缺陷硅晶的生長(zhǎng)，靠高純度及幾乎無(wú)缺陷硅晶的生長(zhǎng)，靠“區(qū)段純化區(qū)段純化”及及“柴氏拉伸法柴氏拉伸法”才得以實(shí)現(xiàn)，因而促成集成電子工業(yè)的全面才得以實(shí)現(xiàn)，因而促

5、成集成電子工業(yè)的全面發(fā)展。發(fā)展。2022-6-138 其他如切割、拋光、化學(xué)研磨試片、清潔表面、確其他如切割、拋光、化學(xué)研磨試片、清潔表面、確定晶面方向、光刻膠處理、刻蝕技術(shù)、離子注入、外延定晶面方向、光刻膠處理、刻蝕技術(shù)、離子注入、外延生成、金屬膜及絕緣膜蒸鍍、封裝等各種處理材料的工生成、金屬膜及絕緣膜蒸鍍、封裝等各種處理材料的工藝步驟，以及各種物性、結(jié)構(gòu)、成分及缺陷的分析，無(wú)藝步驟，以及各種物性、結(jié)構(gòu)、成分及缺陷的分析，無(wú)一不與材料的工藝及分析息息相關(guān)。一不與材料的工藝及分析息息相關(guān)。2022-6-1392.1 微電子材料特性微電子材料特性p 節(jié)省材料；較節(jié)省材料；較“輕、薄、短、小輕、薄

6、、短、小”，所需材料總量不大。，所需材料總量不大。p節(jié)省能源：不僅在使用時(shí)，且在制造上均節(jié)省能源，如節(jié)省能源：不僅在使用時(shí)，且在制造上均節(jié)省能源，如晶體管替代真空管。晶體管替代真空管。p節(jié)省空間：如個(gè)人電腦與早期利用真空管工作的計(jì)算器，節(jié)省空間：如個(gè)人電腦與早期利用真空管工作的計(jì)算器，功能有過(guò)之而無(wú)不及，所占空間大為減小。功能有過(guò)之而無(wú)不及，所占空間大為減小。2022-6-1310第一代使用真空管的計(jì)算器第一代使用真空管的計(jì)算器首次推出全晶體管計(jì)算器首次推出全晶體管計(jì)算器2022-6-1311增進(jìn)性能：如機(jī)器操作自動(dòng)化、新機(jī)件自動(dòng)校準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)診增進(jìn)性能：如機(jī)器操作自動(dòng)化、新機(jī)件自動(dòng)校準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)診斷

7、測(cè)試能力大增。斷測(cè)試能力大增。耐用可靠：如微電子器件相比于真空管控制的家電產(chǎn)品，耐用可靠：如微電子器件相比于真空管控制的家電產(chǎn)品，如收音機(jī)、電視機(jī)。如收音機(jī)、電視機(jī)。價(jià)格低廉；微電子器件制造隨其微小化，生產(chǎn)力逐漸增加，價(jià)格低廉；微電子器件制造隨其微小化，生產(chǎn)力逐漸增加，相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格亦逐漸下降，與一般產(chǎn)品價(jià)格逐年上漲有明相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格亦逐漸下降，與一般產(chǎn)品價(jià)格逐年上漲有明顯差異。顯差異。2022-6-13122.2 微電子材料的應(yīng)用微電子材料的應(yīng)用 民用家電用品民用家電用品： 收錄音機(jī)、音響、電視、錄放機(jī)、激光影收錄音機(jī)、音響、電視、錄放機(jī)、激光影碟機(jī)、電子游戲機(jī)、電子表、洗衣機(jī)、縫紉機(jī)、冷暖空調(diào)

8、、碟機(jī)、電子游戲機(jī)、電子表、洗衣機(jī)、縫紉機(jī)、冷暖空調(diào)、冰箱、微波爐、電子樂(lè)器、計(jì)算器冰箱、微波爐、電子樂(lè)器、計(jì)算器。信息產(chǎn)品信息產(chǎn)品：電話、個(gè)人電腦、因特網(wǎng)、無(wú)線手機(jī)、傳真機(jī)、：電話、個(gè)人電腦、因特網(wǎng)、無(wú)線手機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、通訊廣播設(shè)備、大型電腦及超級(jí)電腦。復(fù)印機(jī)、通訊廣播設(shè)備、大型電腦及超級(jí)電腦。醫(yī)療及工業(yè)設(shè)備醫(yī)療及工業(yè)設(shè)備：各種分析儀器、微傳感器、診斷醫(yī)療設(shè)備、：各種分析儀器、微傳感器、診斷醫(yī)療設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)用機(jī)器人、工業(yè)用電子機(jī)器。監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)用機(jī)器人、工業(yè)用電子機(jī)器。國(guó)防設(shè)備國(guó)防設(shè)備：監(jiān)控系統(tǒng)、武器發(fā)射控制系統(tǒng)。：監(jiān)控系統(tǒng)、武器發(fā)射控制系統(tǒng)。2022-6-13133. 硅集

9、成電路硅集成電路 集成電路是將各種電路器件包括電阻、電容及集成晶體管連集成電路是將各種電路器件包括電阻、電容及集成晶體管連接于半導(dǎo)體表面而形成的電路。接于半導(dǎo)體表面而形成的電路。 集成電路的集成程度可由邊長(zhǎng)為集成電路的集成程度可由邊長(zhǎng)為0.5厘米的方形芯片上所含電厘米的方形芯片上所含電路器件數(shù)目來(lái)劃分，在路器件數(shù)目來(lái)劃分，在1965、1970、1980年代，芯片上電路器年代，芯片上電路器件數(shù)目各達(dá)到件數(shù)目各達(dá)到100、10，000及及100，000個(gè)，被稱(chēng)為中型、大型個(gè)，被稱(chēng)為中型、大型及超大規(guī)模集成電路。及超大規(guī)模集成電路。2022-6-1314 目前則已步入極大規(guī)模集成電路時(shí)代，每一芯片實(shí)

10、際尺寸目前則已步入極大規(guī)模集成電路時(shí)代，每一芯片實(shí)際尺寸約為約為1.5cm1.5cm上含高達(dá)兩千萬(wàn)個(gè)晶體管以上。上含高達(dá)兩千萬(wàn)個(gè)晶體管以上。 美國(guó)、日本與韓國(guó)，目前都已能大量生產(chǎn)每芯片含十億美國(guó)、日本與韓國(guó)，目前都已能大量生產(chǎn)每芯片含十億(1Gb)電路器件的極大規(guī)模集成電路。電路器件的極大規(guī)模集成電路。2022-6-1315硅集成電路工藝硅集成電路工藝(1)(1)單晶成長(zhǎng)。單晶成長(zhǎng)。(2)(2)生成硅晶薄膜。生成硅晶薄膜。(3)(3)生成絕緣層。生成絕緣層。(4)(4)光刻刻蝕形成電路圖形。光刻刻蝕形成電路圖形。(5)(5)摻入電活性雜質(zhì)及熱處理。摻入電活性雜質(zhì)及熱處理。(6)(6)制作金屬表

11、面及互連線。制作金屬表面及互連線。(7)(7)封裝。封裝。2022-6-13163.1半導(dǎo)體半導(dǎo)體3.2導(dǎo)體導(dǎo)體3.3絕緣絕緣體體硅硅集成集成電路材料電路材料3.4電子電子封裝技術(shù)封裝技術(shù)2022-6-13173.1半導(dǎo)體硅晶圓材料半導(dǎo)體硅晶圓材料 硅晶圓材料之所以在諸多元素或化合物半導(dǎo)體材料中脫穎硅晶圓材料之所以在諸多元素或化合物半導(dǎo)體材料中脫穎而出，成為超大規(guī)模集成電路的基本材料，其原因大致可歸而出，成為超大規(guī)模集成電路的基本材料，其原因大致可歸納為以下兩項(xiàng)。納為以下兩項(xiàng)。1)硅元素是地球表面存量豐富的元素之一（地殼中含量第二硅元素是地球表面存量豐富的元素之一（地殼中含量第二高，高，1/4

12、），而其本身的無(wú)毒性，以及具有較寬的能帶間隙則），而其本身的無(wú)毒性，以及具有較寬的能帶間隙則是早期半導(dǎo)體界放棄鍺而轉(zhuǎn)向硅的重要考慮，同時(shí)硅與氧形是早期半導(dǎo)體界放棄鍺而轉(zhuǎn)向硅的重要考慮，同時(shí)硅與氧形成穩(wěn)定的鈍化層成穩(wěn)定的鈍化層-二氧化硅則是集成電路重要的器件電路設(shè)二氧化硅則是集成電路重要的器件電路設(shè)計(jì)。計(jì)。2022-6-1318(2)從制造成本上考慮。絕大部分的集成電路用的晶圓，均從制造成本上考慮。絕大部分的集成電路用的晶圓，均由所謂的柴氏法由所謂的柴氏法(czochralski Method)又稱(chēng)直拉法生長(zhǎng)單又稱(chēng)直拉法生長(zhǎng)單晶，成本較低。晶，成本較低。2022-6-13193.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體體

13、3.1.1 柴氏單晶生長(zhǎng)程序柴氏單晶生長(zhǎng)程序3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型3.1.3 晶圓拋光晶圓拋光3.1.4 晶圓清洗晶圓清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半導(dǎo)體刻蝕半導(dǎo)體刻蝕2022-6-13203.1.1 柴氏單晶生長(zhǎng)程序柴氏單晶生長(zhǎng)程序a. 硅及合金料的熔化硅及合金料的熔化b. 長(zhǎng)頸及長(zhǎng)晶冠長(zhǎng)頸及長(zhǎng)晶冠/肩部肩部c. 長(zhǎng)晶棒主體及收尾長(zhǎng)晶棒主體及收尾2022-6-1321 將一個(gè)全新的石英坩鍋放入石將一個(gè)全新的石英坩鍋放入石墨坩鍋中，再將多晶硅塊及合墨坩鍋中，再將多晶硅塊及合金料放入石英坩鍋里。金料放入石英坩鍋里。 為減少硅塊與坩鍋摩擦造成的為減少硅塊與坩鍋摩擦造成的

14、石英碎粒，放料過(guò)程需小心，石英碎粒，放料過(guò)程需小心，挑直徑大的硅塊放置坩鍋底及挑直徑大的硅塊放置坩鍋底及鍋側(cè)，合金料放置在料堆中心。鍋側(cè)，合金料放置在料堆中心。2022-6-1322熔融液面溫度的微調(diào)，大多是靠晶熔融液面溫度的微調(diào)，大多是靠晶種浸入液面，觀察其融化狀況而完種浸入液面，觀察其融化狀況而完成。以一支特定型態(tài)及結(jié)晶方位的成。以一支特定型態(tài)及結(jié)晶方位的單晶晶種浸入熔融液內(nèi)約單晶晶種浸入熔融液內(nèi)約0.3cm。若該晶種浸泡處被輕易熔化，則需若該晶種浸泡處被輕易熔化，則需降低加熱器輸出功率。若即刻有樹(shù)降低加熱器輸出功率。若即刻有樹(shù)枝狀多晶從浸泡處向外長(zhǎng)出，則需枝狀多晶從浸泡處向外長(zhǎng)出，則需提

15、高輸出功率。提高輸出功率。2022-6-1323 生成一定長(zhǎng)度的晶頸后，降生成一定長(zhǎng)度的晶頸后，降低加熱器輸出功率及晶種上拉低加熱器輸出功率及晶種上拉速度，以逐漸增大新生晶體的速度，以逐漸增大新生晶體的直徑，最后達(dá)到預(yù)定的直徑。直徑，最后達(dá)到預(yù)定的直徑。進(jìn)而逐步升溫，以補(bǔ)償熔液逐進(jìn)而逐步升溫，以補(bǔ)償熔液逐漸減少、散熱率增加的現(xiàn)象。漸減少、散熱率增加的現(xiàn)象。2022-6-13243.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體體3.1.1 柴氏單晶生長(zhǎng)程序柴氏單晶生長(zhǎng)程序3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型3.1.3 晶圓拋光晶圓拋光3.1.4 晶圓清洗晶圓清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半導(dǎo)體刻蝕半導(dǎo)體刻蝕20

16、22-6-13253.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型X光定位切片邊緣磨圓晶面研磨熱處理化學(xué)刻蝕X光定位吸除法2022-6-1326晶圓成型晶圓成型目的目的首要：提高硅單晶棒的利用率首要：提高硅單晶棒的利用率提供晶圓兩個(gè)高平行度提供晶圓兩個(gè)高平行度與平坦化的潔凈表面與平坦化的潔凈表面維持晶圓表面結(jié)晶、化學(xué)與維持晶圓表面結(jié)晶、化學(xué)與電性能等與內(nèi)部材料一致電性能等與內(nèi)部材料一致2022-6-1327切片切片-決定了晶圓的幾個(gè)重要規(guī)格決定了晶圓的幾個(gè)重要規(guī)格 晶面結(jié)晶方向晶面結(jié)晶方向 晶側(cè)厚度晶側(cè)厚度 晶面斜度與曲度晶面斜度與曲度工藝工藝3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1328A

17、晶棒固定（晶棒固定（Mounting） 一般晶體在切片前是以蠟或樹(shù)脂類(lèi)的粘結(jié)劑粘著于與晶一般晶體在切片前是以蠟或樹(shù)脂類(lèi)的粘結(jié)劑粘著于與晶棒相同長(zhǎng)度的石墨條上。棒相同長(zhǎng)度的石墨條上。 石墨條除了具有支撐晶棒的作用外，同時(shí)還有防止鋸片對(duì)石墨條除了具有支撐晶棒的作用外，同時(shí)還有防止鋸片對(duì)晶圓邊緣造成的破片現(xiàn)象和修整鋸片的效果晶圓邊緣造成的破片現(xiàn)象和修整鋸片的效果。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1329B 結(jié)晶定位（結(jié)晶定位（Orientation） 硅單晶棒生長(zhǎng)的方向?yàn)楣鑶尉О羯L(zhǎng)的方向?yàn)榛蚧?，可與其幾何軸向，可與其幾何軸向平行，或偏差一固定角度。因此，晶棒在切片前需利用平行，或

18、偏差一固定角度。因此，晶棒在切片前需利用x光光衍射的方法，來(lái)決定晶棒在切片機(jī)上正確的位置。衍射的方法，來(lái)決定晶棒在切片機(jī)上正確的位置。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-13303.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型X光定位切片邊緣磨圓邊緣磨圓晶面研磨熱處理化學(xué)刻蝕X光定位吸除法2022-6-1331邊緣磨圓邊緣磨圓 (Edge contouring)3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1332邊緣磨圓邊緣磨圓 (Edge contouring)目的目的 A防止晶圓邊緣碎裂。防止晶圓邊緣碎裂。 晶圓在制造與使用的過(guò)程中，常晶圓在制造與使用的過(guò)程中，常會(huì)遭受晶舟、機(jī)械手

19、等的撞擊，而導(dǎo)致晶圓邊緣破裂，形成會(huì)遭受晶舟、機(jī)械手等的撞擊，而導(dǎo)致晶圓邊緣破裂，形成應(yīng)力集中的區(qū)域。而這些應(yīng)力集中的區(qū)域會(huì)使得晶圓在使用應(yīng)力集中的區(qū)域。而這些應(yīng)力集中的區(qū)域會(huì)使得晶圓在使用中不斷釋放污染粒子中不斷釋放污染粒子，進(jìn)而影響產(chǎn)品的優(yōu)良率。進(jìn)而影響產(chǎn)品的優(yōu)良率。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1333B 防止熱應(yīng)力的集中。晶圓在使用時(shí)，會(huì)經(jīng)歷無(wú)數(shù)的高溫防止熱應(yīng)力的集中。晶圓在使用時(shí)，會(huì)經(jīng)歷無(wú)數(shù)的高溫工藝，如氧化、擴(kuò)散、薄膜生長(zhǎng)等，當(dāng)這些工藝中產(chǎn)生工藝，如氧化、擴(kuò)散、薄膜生長(zhǎng)等，當(dāng)這些工藝中產(chǎn)生熱應(yīng)力的大小超過(guò)硅晶格的強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)與層熱應(yīng)力的大小超過(guò)硅晶格的強(qiáng)

20、度時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)與層錯(cuò)等材料缺陷，晶邊磨圓可避免該類(lèi)材料缺陷在晶邊產(chǎn)錯(cuò)等材料缺陷，晶邊磨圓可避免該類(lèi)材料缺陷在晶邊產(chǎn)生。生。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1334C增加外延層光刻膠層在晶圓邊緣的平坦度。在外延工增加外延層光刻膠層在晶圓邊緣的平坦度。在外延工藝中，銳角區(qū)域的生長(zhǎng)速率會(huì)比平面處高，因此使用沒(méi)藝中，銳角區(qū)域的生長(zhǎng)速率會(huì)比平面處高，因此使用沒(méi)有磨圓的晶圓，容易在邊緣產(chǎn)生突起，同樣的，在利用有磨圓的晶圓，容易在邊緣產(chǎn)生突起，同樣的，在利用旋轉(zhuǎn)涂布機(jī)上的光刻膠時(shí)，光刻膠溶液也會(huì)發(fā)生在晶圓旋轉(zhuǎn)涂布機(jī)上的光刻膠時(shí)，光刻膠溶液也會(huì)發(fā)生在晶圓邊緣堆積的現(xiàn)象。這些不平整的邊緣皆

21、會(huì)影響掩模版對(duì)邊緣堆積的現(xiàn)象。這些不平整的邊緣皆會(huì)影響掩模版對(duì)焦的精確性。焦的精確性。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1335X光定位切片邊緣磨圓晶面研磨晶面研磨熱處理化學(xué)刻蝕X光定位吸除法3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1336晶圓晶面研磨晶圓晶面研磨 (Wafer Lapping） 由上述晶圓切片時(shí)所留下的不均勻表面，如傷痕及損傷層等由上述晶圓切片時(shí)所留下的不均勻表面，如傷痕及損傷層等均需進(jìn)一步研磨成較平坦的表面。均需進(jìn)一步研磨成較平坦的表面。 研磨的原理是由鑄鐵制成的上下層研磨盤(pán)，將晶圓用裝載器具研磨的原理是由鑄鐵制成的上下層研磨盤(pán)，將晶圓用裝載器具放

22、置于研磨盤(pán)間，并通以特定粒度及粘性配方的研磨液放置于研磨盤(pán)間，并通以特定粒度及粘性配方的研磨液(slurry)，由研磨盤(pán)互相轉(zhuǎn)動(dòng)由研磨盤(pán)互相轉(zhuǎn)動(dòng)(公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn))并帶動(dòng)裝載器具予以如行星般的自轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)裝載器具予以如行星般的自轉(zhuǎn)，以達(dá)到均勻磨平的目的。以達(dá)到均勻磨平的目的。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-13373.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1338X光定位切片邊緣磨圓晶面研磨熱處理化學(xué)刻蝕化學(xué)刻蝕X光定位吸除法3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1339晶圓刻蝕晶圓刻蝕 (Etching) 晶圓刻蝕的目的在于除去先前各步機(jī)械加工所造成的損傷，晶圓

23、刻蝕的目的在于除去先前各步機(jī)械加工所造成的損傷，同時(shí)獲得干凈且光亮的表面，刻蝕化學(xué)作用可區(qū)分為酸性同時(shí)獲得干凈且光亮的表面，刻蝕化學(xué)作用可區(qū)分為酸性和堿性反應(yīng)方式。和堿性反應(yīng)方式。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1340X光定位切片邊緣磨圓晶面研磨熱處理熱處理化學(xué)刻蝕X光定位吸除法3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1341熱退火熱退火 (Annealing) 用熱退火的方式將雜質(zhì)穩(wěn)定或去除。用熱退火的方式將雜質(zhì)穩(wěn)定或去除。 所謂雜質(zhì)去除所謂雜質(zhì)去除，傳統(tǒng)上是在傳統(tǒng)上是在650-800間將晶圓置于爐間將晶圓置于爐管中施以惰性氣體加熱約管中施以惰性氣體加熱約20分

24、鐘至一小時(shí)后，再在空氣中分鐘至一小時(shí)后，再在空氣中快速冷卻，可以將所有氧雜質(zhì)限制住。快速冷卻，可以將所有氧雜質(zhì)限制住。 這種晶圓的電性這種晶圓的電性(阻值阻值)僅由載流子雜質(zhì)來(lái)控制，從而可僅由載流子雜質(zhì)來(lái)控制，從而可以得到穩(wěn)定的電阻。以得到穩(wěn)定的電阻。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1342X光定位切片邊緣磨圓晶面研磨熱處理化學(xué)刻蝕X光定位吸除法吸除法3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1343 利用晶圓中的晶格缺陷來(lái)控制或消除其他缺陷，稱(chēng)之為利用晶圓中的晶格缺陷來(lái)控制或消除其他缺陷，稱(chēng)之為吸除法。常見(jiàn)的吸除法分為三類(lèi)：吸除法。常見(jiàn)的吸除法分為三類(lèi)：(a) 內(nèi)部

25、吸除法內(nèi)部吸除法利用長(zhǎng)晶過(guò)程的過(guò)飽和氧含量在熱退火利用長(zhǎng)晶過(guò)程的過(guò)飽和氧含量在熱退火后形成析出物以造成晶格缺陷，這些缺陷將吸附器件設(shè)計(jì)區(qū)后形成析出物以造成晶格缺陷，這些缺陷將吸附器件設(shè)計(jì)區(qū)的雜質(zhì)或金屬等缺陷。的雜質(zhì)或金屬等缺陷。3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型2022-6-1344(b)外部吸除法外部吸除法由外在力量造成晶圓背面受機(jī)械應(yīng)力而由外在力量造成晶圓背面受機(jī)械應(yīng)力而形成如位錯(cuò)等各種缺陷來(lái)達(dá)成去除的目的。形成如位錯(cuò)等各種缺陷來(lái)達(dá)成去除的目的。(c)化學(xué)吸除法化學(xué)吸除法該方法有別于上述兩種吸除法，不是通該方法有別于上述兩種吸除法，不是通過(guò)提供缺陷的吸附，而是借由金屬雜質(zhì)與導(dǎo)入含氧的氣氛

26、過(guò)提供缺陷的吸附，而是借由金屬雜質(zhì)與導(dǎo)入含氧的氣氛的化學(xué)反應(yīng)來(lái)消除雜質(zhì)缺陷。的化學(xué)反應(yīng)來(lái)消除雜質(zhì)缺陷。2022-6-13453.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體體3.1.1 柴氏單晶生長(zhǎng)程序柴氏單晶生長(zhǎng)程序3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型3.1.3 晶圓拋光晶圓拋光3.1.4 晶圓清洗晶圓清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半導(dǎo)體刻蝕半導(dǎo)體刻蝕2022-6-13463.1.3 晶圓拋光晶圓拋光從制造程序上分A 邊緣拋光（Edge Polishing)B 晶圓表面拋光（Wafer Polishing)2022-6-1347A 邊緣拋光邊緣拋光 主要目的在降低微粒附著于晶圓的可能性，并使晶圓具主要目的在

27、降低微粒附著于晶圓的可能性，并使晶圓具有較佳的機(jī)械強(qiáng)度，以減低因碰撞而產(chǎn)生碎片的機(jī)會(huì)。有較佳的機(jī)械強(qiáng)度，以減低因碰撞而產(chǎn)生碎片的機(jī)會(huì)。拋光拋光設(shè)備設(shè)備將晶圓傾斜、旋轉(zhuǎn)并加壓于轉(zhuǎn)動(dòng)中的將晶圓傾斜、旋轉(zhuǎn)并加壓于轉(zhuǎn)動(dòng)中的拋光布上拋光布上預(yù)先在拋光輪上做出芯片外緣的形狀預(yù)先在拋光輪上做出芯片外緣的形狀，再進(jìn)行拋光的動(dòng)作，再進(jìn)行拋光的動(dòng)作2022-6-1348B 晶圓表面拋光晶圓表面拋光 拋光是晶圓表面加工的最后一道步驟，去除拋光是晶圓表面加工的最后一道步驟，去除量約量約10-20微米微米，其目的在于改善前期工藝所留其目的在于改善前期工藝所留下的微缺陷，并獲得平坦度極佳的晶圓，以滿下的微缺陷，并獲得平坦

28、度極佳的晶圓，以滿足足IC工藝的需求。工藝的需求。2022-6-1349 拋光時(shí)，先將晶圓用蠟鑲埋或用真空夾持方式固定在拋光拋光時(shí)，先將晶圓用蠟鑲埋或用真空夾持方式固定在拋光盤(pán)上，再將具有盤(pán)上，再將具有SiOSiO2 2的微細(xì)懸浮硅酸膠及的微細(xì)懸浮硅酸膠及NaOHNaOH等拋光劑加等拋光劑加于拋光機(jī)中，開(kāi)始拋光。于拋光機(jī)中，開(kāi)始拋光。2022-6-1350C C 表面缺陷及平坦度檢查表面缺陷及平坦度檢查 造成缺陷的主要原因是因拋光過(guò)程中上蠟情形不造成缺陷的主要原因是因拋光過(guò)程中上蠟情形不佳，或拋光機(jī)臺(tái)環(huán)境太差所致。一般認(rèn)為佳，或拋光機(jī)臺(tái)環(huán)境太差所致。一般認(rèn)為10 m以上的以上的微粒即有造成缺陷

29、的可能性。微粒即有造成缺陷的可能性。 表而缺陷檢查常使用的儀器是表而缺陷檢查常使用的儀器是“魔鏡魔鏡” ，其分辨其分辨率可達(dá)率可達(dá)0.05m深。深。2022-6-1351常見(jiàn)平坦度參數(shù)及其意義：常見(jiàn)平坦度參數(shù)及其意義：TTV（Total Thickness Variation): 晶圓最大及最小的厚度差。晶圓最大及最小的厚度差。TIR(Total Indicator Reading):晶圓表面平坦度與參考平面間最晶圓表面平坦度與參考平面間最高到最低的距離。高到最低的距離。2022-6-1352FPD(Focal Plan Deviation):晶圓表面一點(diǎn)與參考平面間的最大距離晶圓表面一點(diǎn)與參

30、考平面間的最大距離。2022-6-13533.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體體3.1.1 柴氏單晶生長(zhǎng)程序柴氏單晶生長(zhǎng)程序3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型3.1.3 晶圓拋光晶圓拋光3.1.4 晶圓清洗晶圓清洗3.1.5 制備硅晶薄膜制備硅晶薄膜3.1.6 半導(dǎo)體刻蝕半導(dǎo)體刻蝕2022-6-13543.1.4 3.1.4 晶圓清洗晶圓清洗 用化學(xué)方法濕式清洗是晶圓工藝最為有效且符合成本的方法，用化學(xué)方法濕式清洗是晶圓工藝最為有效且符合成本的方法，其中以最廣泛用的其中以最廣泛用的RCARCA溶液為最基本的清洗劑。溶液為最基本的清洗劑。 RCA RCA又分為又分為H H2 2O-HO-H2 2O O2 2-N

31、H-NH4 4OH OH 和和H H2 2O O2 2-HCl -HCl ，而其各成分的配而其各成分的配方比例則依各廠家的開(kāi)發(fā)與經(jīng)驗(yàn)不同。方比例則依各廠家的開(kāi)發(fā)與經(jīng)驗(yàn)不同。 清洗的設(shè)備設(shè)計(jì)，如起聲波、清洗槽的材質(zhì)、化學(xué)槽的濃度清洗的設(shè)備設(shè)計(jì)，如起聲波、清洗槽的材質(zhì)、化學(xué)槽的濃度控制系統(tǒng)以及如臭氧產(chǎn)生的濃度控制等都是完成晶圓清洗的重控制系統(tǒng)以及如臭氧產(chǎn)生的濃度控制等都是完成晶圓清洗的重要管制要點(diǎn)。要管制要點(diǎn)。2022-6-13553.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體體3.1.1 柴氏單晶生長(zhǎng)程序柴氏單晶生長(zhǎng)程序3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型3.1.3 晶圓拋光晶圓拋光3.1.4 晶圓清洗晶圓清洗3.1.5

32、制備硅晶薄膜制備硅晶薄膜3.1.6 半導(dǎo)體刻蝕半導(dǎo)體刻蝕2022-6-13563.1.5 制備硅晶薄膜制備硅晶薄膜A單晶膜單晶膜（外延膜）（外延膜）B多晶膜多晶膜C非晶膜非晶膜2022-6-1357A A 單晶膜（外延膜）單晶膜（外延膜） 指在硅晶圓襯底上生長(zhǎng)出硅單晶膜，其應(yīng)用主要是在含高濃度摻指在硅晶圓襯底上生長(zhǎng)出硅單晶膜，其應(yīng)用主要是在含高濃度摻入雜質(zhì)的硅襯底上，生長(zhǎng)一層低濃度雜質(zhì)的硅薄膜，如入雜質(zhì)的硅襯底上，生長(zhǎng)一層低濃度雜質(zhì)的硅薄膜，如n n型或型或p p型。型。硅外延在雙級(jí)型晶體管中的應(yīng)用2022-6-1358 硅外延生長(zhǎng)的主要目的，是長(zhǎng)出一層缺陷少，但可硅外延生長(zhǎng)的主要目的，是長(zhǎng)出

33、一層缺陷少，但可以控制厚度和摻入雜質(zhì)的硅單晶薄膜，其先決條件是硅以控制厚度和摻入雜質(zhì)的硅單晶薄膜，其先決條件是硅襯底必須干凈無(wú)缺陷，且襯底表面溫度需足夠高，或提襯底必須干凈無(wú)缺陷，且襯底表面溫度需足夠高，或提供非熱能能量，使經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后，吸附原子有足夠的動(dòng)供非熱能能量，使經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后，吸附原子有足夠的動(dòng)能移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，而達(dá)到外延生長(zhǎng)的目的。能移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢茫_(dá)到外延生長(zhǎng)的目的。2022-6-1359 傳統(tǒng)外延生長(zhǎng)，是在高溫下進(jìn)行，以加溫方式提供熱能來(lái)傳統(tǒng)外延生長(zhǎng)，是在高溫下進(jìn)行，以加溫方式提供熱能來(lái)促進(jìn)外延生長(zhǎng)，近來(lái)也有為了減少熱效應(yīng)，增加硅外延應(yīng)用，促進(jìn)外延生長(zhǎng)，近來(lái)也有為了減少熱效

34、應(yīng)，增加硅外延應(yīng)用，而使用低溫硅外延工藝的。而使用低溫硅外延工藝的。 低溫硅外延工藝，可避免例如在器件縮小化時(shí)，摻入雜質(zhì)低溫硅外延工藝，可避免例如在器件縮小化時(shí)，摻入雜質(zhì)因高溫?cái)U(kuò)散而重新分布，破壞了原來(lái)的器件特性，同時(shí)也可減因高溫?cái)U(kuò)散而重新分布，破壞了原來(lái)的器件特性，同時(shí)也可減少芯片因熱效應(yīng)而彎曲，以及可使用不耐高溫的襯底，而增加少芯片因熱效應(yīng)而彎曲，以及可使用不耐高溫的襯底，而增加應(yīng)用范圍。應(yīng)用范圍。2022-6-13602022-6-13612022-6-1362B B 多晶硅生長(zhǎng)多晶硅生長(zhǎng) 多晶硅膜生長(zhǎng)和反應(yīng)機(jī)制，與硅外延生長(zhǎng)類(lèi)似，最大的多晶硅膜生長(zhǎng)和反應(yīng)機(jī)制，與硅外延生長(zhǎng)類(lèi)似，最大的不

35、同在于溫度不同在于溫度較低。較低。 多晶多晶硅的生長(zhǎng)硅的生長(zhǎng)，在，在工業(yè)工業(yè)上以上以低壓化學(xué)氣相淀積方式為主，低壓化學(xué)氣相淀積方式為主，以以SiHSiH4 4為反應(yīng)氣體，約在為反應(yīng)氣體，約在625625度下進(jìn)行度下進(jìn)行，屬于表面反應(yīng)控制屬于表面反應(yīng)控制，該工藝具有該工藝具有均勻性佳均勻性佳，純度高純度高以及以及符合經(jīng)濟(jì)效益符合經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。 多晶硅也可由非晶硅再結(jié)晶而來(lái)，在多晶硅也可由非晶硅再結(jié)晶而來(lái)，在900900-1000-1000再結(jié)晶而再結(jié)晶而成的多晶硅大多沿成的多晶硅大多沿111 ，且其有優(yōu)選方向及晶粒大小再現(xiàn)且其有優(yōu)選方向及晶粒大小再現(xiàn)性好，平均晶粒大小比直接淀積成的多晶

36、還大。性好，平均晶粒大小比直接淀積成的多晶還大。2022-6-1363雜質(zhì)雜質(zhì)的摻入的摻入高溫?cái)U(kuò)散高溫?cái)U(kuò)散離子注入離子注入現(xiàn)場(chǎng)摻入現(xiàn)場(chǎng)摻入2022-6-1364 擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式 是高溫下是高溫下(900-(900-l000)l000)下，在無(wú)摻入雜質(zhì)的多晶硅上下，在無(wú)摻入雜質(zhì)的多晶硅上生長(zhǎng)重?fù)诫s的氧化硅，作為摻入雜質(zhì)的固態(tài)擴(kuò)散源。生長(zhǎng)重?fù)诫s的氧化硅，作為摻入雜質(zhì)的固態(tài)擴(kuò)散源。這種方法的好處是可以得到較高的摻入雜質(zhì)量，甚至因晶界有這種方法的好處是可以得到較高的摻入雜質(zhì)量，甚至因晶界有小雜質(zhì)的聚集，而高于固態(tài)飽和濃度。小雜質(zhì)的聚集，而高于固態(tài)飽和濃度。 該高溫?cái)U(kuò)散步驟也可用來(lái)作多晶退火用，所得的

37、阻值也因而該高溫?cái)U(kuò)散步驟也可用來(lái)作多晶退火用，所得的阻值也因而較低，但是高溫工藝會(huì)造成已摻入雜質(zhì)曲線的再分布，以及表較低，但是高溫工藝會(huì)造成已摻入雜質(zhì)曲線的再分布，以及表面可能變得更粗糙，都是它的缺點(diǎn)。面可能變得更粗糙，都是它的缺點(diǎn)。2022-6-1365 可以對(duì)摻入雜質(zhì)的量及深度作精確控制，可以對(duì)摻入雜質(zhì)的量及深度作精確控制，這種方法所得膜的阻值約為擴(kuò)散的這種方法所得膜的阻值約為擴(kuò)散的1010倍，主要是選擇離子注入倍，主要是選擇離子注入能量，使注入的雜質(zhì)落在膜厚中央，再在約能量，使注入的雜質(zhì)落在膜厚中央，再在約900900溫度下在爐管溫度下在爐管中加溫退火，使植入雜質(zhì)中加溫退火，使植入雜質(zhì)再

38、分布再分布及及活化活化。 退火方式也可用快速退火方式來(lái)完成退火方式也可用快速退火方式來(lái)完成，雖溫度較高，但因時(shí)雖溫度較高，但因時(shí)間短，約間短，約1 1分鐘以?xún)?nèi)，所以可避免已摻入雜質(zhì)曲線的再分布，分鐘以?xún)?nèi)，所以可避免已摻入雜質(zhì)曲線的再分布，這種摻入雜質(zhì)的方法已廣泛被半導(dǎo)體工業(yè)所使用。這種摻入雜質(zhì)的方法已廣泛被半導(dǎo)體工業(yè)所使用。2022-6-1366 現(xiàn)場(chǎng)摻入雜質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)摻入雜質(zhì) 是在長(zhǎng)多晶硅時(shí)直接加入摻入雜質(zhì)氣源于是在長(zhǎng)多晶硅時(shí)直接加入摻入雜質(zhì)氣源于反應(yīng)氣體內(nèi)，而直接長(zhǎng)反應(yīng)氣體內(nèi)，而直接長(zhǎng)N N或或P P型多晶硅型多晶硅。 這種方法雖然直接，但是因?yàn)槟ず瘛饺腚s質(zhì)均勻度、以這種方法雖然直接，但是因?yàn)?/p>

39、膜厚、摻入雜質(zhì)均勻度、以及淀積速率都會(huì)因摻入雜質(zhì)量的不同而有所改變，一般而言及淀積速率都會(huì)因摻入雜質(zhì)量的不同而有所改變，一般而言，加，加B B2 2H H6 6來(lái)長(zhǎng)來(lái)長(zhǎng)P P型多晶，會(huì)造成淀積速率的增加，而用來(lái)長(zhǎng)型多晶，會(huì)造成淀積速率的增加，而用來(lái)長(zhǎng)N N型的型的PHPH3 3及及AsHAsH3 3，則會(huì)降低淀積速率。而且晶粒大小，方向則會(huì)降低淀積速率。而且晶粒大小，方向也會(huì)出現(xiàn)改變。也會(huì)出現(xiàn)改變。2022-6-1367注意：在注意：在后續(xù)退火時(shí)或之前，表面必須蓋上一層氧化層，后續(xù)退火時(shí)或之前，表面必須蓋上一層氧化層，以避免摻入雜質(zhì)由表面向以避免摻入雜質(zhì)由表面向外擴(kuò)散；外擴(kuò)散；若若多晶生長(zhǎng)溫度

40、夠高，且阻值夠低，則可省去高溫退火。多晶生長(zhǎng)溫度夠高，且阻值夠低，則可省去高溫退火。2022-6-1368C 非晶硅生長(zhǎng)非晶硅生長(zhǎng) 非晶硅材料含有硅原子及大量孔隙及缺陷，硅原子間一非晶硅材料含有硅原子及大量孔隙及缺陷，硅原子間一般般并無(wú)有序并無(wú)有序排列，只有局部的區(qū)域含有小于幾十個(gè)埃的有排列，只有局部的區(qū)域含有小于幾十個(gè)埃的有序原子，非晶硅因缺陷多，阻值大，因而在集成電路制造序原子，非晶硅因缺陷多，阻值大，因而在集成電路制造過(guò)程中，經(jīng)歷后序流程的高溫后，會(huì)有再結(jié)晶現(xiàn)象，性質(zhì)過(guò)程中，經(jīng)歷后序流程的高溫后，會(huì)有再結(jié)晶現(xiàn)象，性質(zhì)不穩(wěn)定，因此在半導(dǎo)體器件的應(yīng)用較少。不穩(wěn)定，因此在半導(dǎo)體器件的應(yīng)用較少。

41、2022-6-1369 其主要用途是將其加溫后，使之再結(jié)晶長(zhǎng)大成多晶其主要用途是將其加溫后，使之再結(jié)晶長(zhǎng)大成多晶硅，或應(yīng)用在太陽(yáng)能電池及液晶顯示器中的薄膜晶體管。硅，或應(yīng)用在太陽(yáng)能電池及液晶顯示器中的薄膜晶體管。非晶硅的工藝簡(jiǎn)單，對(duì)需要大量硅晶膜的太陽(yáng)能電池而非晶硅的工藝簡(jiǎn)單，對(duì)需要大量硅晶膜的太陽(yáng)能電池而言，成本較低；而液晶顯示器所用的襯底為透明玻璃材言，成本較低；而液晶顯示器所用的襯底為透明玻璃材料，不能抗高溫，因此很難長(zhǎng)出外延或均勻的多晶硅，料，不能抗高溫，因此很難長(zhǎng)出外延或均勻的多晶硅，因此仍以非晶硅作為薄膜晶體管材料。因此仍以非晶硅作為薄膜晶體管材料。2022-6-13703.1.5

42、 硅晶薄膜硅晶薄膜小結(jié)小結(jié) 硅外延的缺陷少，性質(zhì)佳，對(duì)器件而言，是最佳材料，但硅外延的缺陷少，性質(zhì)佳，對(duì)器件而言，是最佳材料，但其工藝溫度最高，難度最高，因此，在工業(yè)應(yīng)用上有它的其工藝溫度最高，難度最高，因此，在工業(yè)應(yīng)用上有它的限制，一般用在限制，一般用在IC的最前段，的最前段，因低溫因低溫外延工藝一直是它的外延工藝一直是它的研究的方向。研究的方向。2022-6-1371 多晶硅在多晶硅在IC工業(yè)界則應(yīng)用極廣，這要?dú)w功于它的工藝工業(yè)界則應(yīng)用極廣，這要?dú)w功于它的工藝溫度較低，耐高溫，與二氧化硅絕緣層的界面佳，可溫度較低，耐高溫，與二氧化硅絕緣層的界面佳，可靠度好，而對(duì)不平的結(jié)構(gòu)也能覆蓋均勻等優(yōu)點(diǎn)

43、，但更靠度好，而對(duì)不平的結(jié)構(gòu)也能覆蓋均勻等優(yōu)點(diǎn)，但更低溫多晶硅工藝，尤其是用在以玻璃為襯底的液晶顯低溫多晶硅工藝，尤其是用在以玻璃為襯底的液晶顯示器薄膜晶體管上，則仍需更多的研發(fā)工作。示器薄膜晶體管上，則仍需更多的研發(fā)工作。2022-6-1372 非晶硅的缺陷多，一般用在對(duì)缺陷比較不敏感的器非晶硅的缺陷多，一般用在對(duì)缺陷比較不敏感的器件，例如太陽(yáng)能電池，除此之外，在低溫多晶體硅技件，例如太陽(yáng)能電池，除此之外，在低溫多晶體硅技術(shù)尚未成熟前，也是液晶顯示器薄膜晶體管所需的主術(shù)尚未成熟前，也是液晶顯示器薄膜晶體管所需的主要材料之一。要材料之一。2022-6-13733.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體體3.1.1 柴

44、氏單晶生長(zhǎng)程序柴氏單晶生長(zhǎng)程序3.1.2 晶圓加工成型晶圓加工成型3.1.3 晶圓拋光晶圓拋光3.1.4 晶圓清洗晶圓清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半導(dǎo)體刻蝕半導(dǎo)體刻蝕2022-6-13743.1.6 半導(dǎo)體刻蝕半導(dǎo)體刻蝕 在集成電路制造過(guò)程中，常需要在晶圓上定義出極細(xì)微尺在集成電路制造過(guò)程中，常需要在晶圓上定義出極細(xì)微尺寸的圖案寸的圖案，這些圖案主要的形成方式，就是由刻蝕技術(shù)，將這些圖案主要的形成方式，就是由刻蝕技術(shù)，將光刻后所產(chǎn)生的光刻膠圖案忠實(shí)地轉(zhuǎn)印至光刻膠下的材質(zhì)上，光刻后所產(chǎn)生的光刻膠圖案忠實(shí)地轉(zhuǎn)印至光刻膠下的材質(zhì)上，以形成集成電路的復(fù)雜架構(gòu)。因此刻蝕技術(shù)在半導(dǎo)體制造過(guò)

45、以形成集成電路的復(fù)雜架構(gòu)。因此刻蝕技術(shù)在半導(dǎo)體制造過(guò)程中占有極重要的地位。程中占有極重要的地位。 廣義而言，所謂刻蝕技術(shù)，包含了將材質(zhì)整面均勻移除及廣義而言，所謂刻蝕技術(shù)，包含了將材質(zhì)整面均勻移除及圖案選擇性部分去除的技術(shù)圖案選擇性部分去除的技術(shù)，而其中大致可分為濕法刻蝕與而其中大致可分為濕法刻蝕與干法刻蝕兩種技術(shù)。干法刻蝕兩種技術(shù)。2022-6-1375 濕法刻蝕濕法刻蝕 利用特定的化學(xué)溶液將待刻蝕薄膜上利用特定的化學(xué)溶液將待刻蝕薄膜上未被光刻膠覆蓋的部分分解，并轉(zhuǎn)成可溶于此溶液的未被光刻膠覆蓋的部分分解，并轉(zhuǎn)成可溶于此溶液的化合物后加以排除，而達(dá)到刻蝕的目的?；衔锖蠹右耘懦?，而達(dá)到刻蝕的

46、目的。 濕法刻蝕的進(jìn)行主要是借助溶液與待刻蝕材質(zhì)間的濕法刻蝕的進(jìn)行主要是借助溶液與待刻蝕材質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)，因此可借助調(diào)配與選取適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)溶液，化學(xué)反應(yīng)，因此可借助調(diào)配與選取適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)溶液，得到所需的刻蝕速率，以及待刻蝕材料與光刻膠及下得到所需的刻蝕速率，以及待刻蝕材料與光刻膠及下層材質(zhì)良好的刻蝕選擇比層材質(zhì)良好的刻蝕選擇比。2022-6-13762022-6-1377 干法刻蝕干法刻蝕 通常指利用輝光放電的方式，產(chǎn)生包含離子、電通常指利用輝光放電的方式，產(chǎn)生包含離子、電子等帶電粒子及具有高度化學(xué)活性的中性原子與分子反自由基子等帶電粒子及具有高度化學(xué)活性的中性原子與分子反自由基的等離子體來(lái)進(jìn)行圖

47、案轉(zhuǎn)移的刻蝕技術(shù)。的等離子體來(lái)進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移的刻蝕技術(shù)。2022-6-13782022-6-13792022-6-1380 在如今的集成電路制造過(guò)程中，必須精確地控制各種在如今的集成電路制造過(guò)程中，必須精確地控制各種材料的尺寸到亞微米大小，且具有極高的重復(fù)性，而由材料的尺寸到亞微米大小，且具有極高的重復(fù)性，而由于等離子體刻蝕是現(xiàn)今技術(shù)中唯一能極有效率地將該工于等離子體刻蝕是現(xiàn)今技術(shù)中唯一能極有效率地將該工作在優(yōu)質(zhì)下完成，因此等離子體刻蝕便成為集成電路制作在優(yōu)質(zhì)下完成，因此等離子體刻蝕便成為集成電路制造過(guò)程中的主要技術(shù)之一造過(guò)程中的主要技術(shù)之一。2022-6-13813.1半導(dǎo)體半導(dǎo)體3.2導(dǎo)體導(dǎo)

48、體3.3絕緣絕緣體體硅硅集成集成電路材料電路材料3.4電子電子封裝技術(shù)封裝技術(shù)2022-6-13823.2 導(dǎo)體金屬薄膜導(dǎo)體金屬薄膜(1)歐姆接觸：某歐姆接觸：某些金屬和高度摻雜的半導(dǎo)體材料之間可以些金屬和高度摻雜的半導(dǎo)體材料之間可以形成良好的接觸，接觸面的電阻遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料本身的電阻，形成良好的接觸，接觸面的電阻遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料本身的電阻，稱(chēng)為歐姆接觸。稱(chēng)為歐姆接觸。無(wú)論外加的電壓極性如何，電流的增加無(wú)論外加的電壓極性如何，電流的增加(或減或減小小)總是與外加電壓成正比。總是與外加電壓成正比。(2)肖特基接觸：具有明顯的整流特性，當(dāng)加上某一極性的電肖特基接觸：具有明顯的整流特性，當(dāng)加上某一

49、極性的電壓時(shí)，有電流通過(guò)，而當(dāng)把極性反過(guò)來(lái)時(shí)，就幾乎沒(méi)有電流流壓時(shí)，有電流通過(guò)，而當(dāng)把極性反過(guò)來(lái)時(shí)，就幾乎沒(méi)有電流流過(guò)。過(guò)。(3)低阻柵電極低阻柵電極；(4)器件間互連器件間互連。2022-6-13832022-6-13843.2 導(dǎo)體導(dǎo)體-金屬金屬薄膜薄膜3.2.1 金屬接觸金屬接觸3.2.2 柵電極柵電極3.2.3 器件互連器件互連3.2.4 栓塞栓塞3.2.5 擴(kuò)散阻擋層擴(kuò)散阻擋層3.2.6 粘著層粘著層3.2.8 銅金屬化銅金屬化2022-6-13853.2.1 金屬接觸金屬接觸A. Al-Si合金合金 早期的集成電路金屬化工藝選擇早期的集成電路金屬化工藝選擇Al為主要的導(dǎo)電材料，是因

50、為主要的導(dǎo)電材料，是因?yàn)闉锳l具有低電阻值、技術(shù)成熟、附著力強(qiáng)、易刻蝕的特點(diǎn)。具有低電阻值、技術(shù)成熟、附著力強(qiáng)、易刻蝕的特點(diǎn)。B. Al-Si-Cu合金合金 Al薄膜不僅用作接觸，而且用作器件互連。在器件尺寸縮薄膜不僅用作接觸，而且用作器件互連。在器件尺寸縮小時(shí)，器件間互連厚度與寬度也隨之減少，而通過(guò)導(dǎo)線的電小時(shí)，器件間互連厚度與寬度也隨之減少，而通過(guò)導(dǎo)線的電流密度則隨之升高，造成流密度則隨之升高，造成電遷移電遷移的問(wèn)題。的問(wèn)題。 目前在工藝中最常用的解決方法是在目前在工藝中最常用的解決方法是在Al-Si合金中摻入約合金中摻入約1at.Cu。Cu原子分布在原子分布在Al晶粒界面附近，有效的抑制

51、了晶粒界面附近，有效的抑制了電遷移。電遷移。 所謂金屬電遷移失效，通常是指金屬層因金屬離子的遷移在局部區(qū)域由質(zhì)量堆積(Pileup)而出現(xiàn)小丘(Hillock s)或晶須，或由質(zhì)量虧損出現(xiàn)空洞(Voids)而造成的器件或互連性能退化或失效。通常在高溫、強(qiáng)電場(chǎng)下引起。 2022-6-1386C. 金屬硅化物金屬硅化物要求要求與硅晶附著力好與硅晶附著力好電阻低以減小電勢(shì)差電阻低以減小電勢(shì)差與硅接觸電阻低與硅接觸電阻低適當(dāng)?shù)膭?shì)壘高度適當(dāng)?shù)膭?shì)壘高度2022-6-13873.2 導(dǎo)體導(dǎo)體-金屬金屬薄膜薄膜3.2.1 金屬接觸金屬接觸3.2.2 柵電極柵電極3.2.3 器件互連器件互連3.2.4 栓塞栓塞

52、3.2.5 擴(kuò)散阻擋層擴(kuò)散阻擋層3.2.6 粘著層粘著層3.2.8 銅金屬化銅金屬化2022-6-13883.2.2 柵電極柵電極A. 金屬柵電極金屬柵電極B. 多晶硅多晶硅-金屬硅化物金屬硅化物C. 自對(duì)準(zhǔn)硅化物技術(shù)自對(duì)準(zhǔn)硅化物技術(shù)2022-6-1389 低電阻值的金屬，很早就被采用為柵電極材料。低電阻值的金屬，很早就被采用為柵電極材料。如如柵電極寬柵電極寬度為度為2 2微米以上，柵電極氧化層厚度在數(shù)百埃以上時(shí)，鋁柵微米以上，柵電極氧化層厚度在數(shù)百埃以上時(shí)，鋁柵電極相當(dāng)普遍。電極相當(dāng)普遍。所謂多晶硅所謂多晶硅金屬硅化物是指在多晶硅上再淀積一層低電金屬硅化物是指在多晶硅上再淀積一層低電阻值的硅

53、化物，而形成迭層結(jié)構(gòu)。阻值的硅化物，而形成迭層結(jié)構(gòu)。2022-6-13902022-6-1391 隨硅柵工藝的發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)柵與源和漏的隨硅柵工藝的發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)柵與源和漏的自對(duì)準(zhǔn)自對(duì)準(zhǔn)。這種工藝。這種工藝是先在生長(zhǎng)有柵氧化膜的硅單晶片上淀積一層多晶硅，然后在是先在生長(zhǎng)有柵氧化膜的硅單晶片上淀積一層多晶硅，然后在多晶硅上刻蝕出兩個(gè)擴(kuò)散窗口，雜質(zhì)經(jīng)窗口熱擴(kuò)散到硅單晶片多晶硅上刻蝕出兩個(gè)擴(kuò)散窗口，雜質(zhì)經(jīng)窗口熱擴(kuò)散到硅單晶片內(nèi)，形成源和漏擴(kuò)散區(qū)，同時(shí)形成導(dǎo)電的多晶硅柵電極，其位內(nèi)，形成源和漏擴(kuò)散區(qū)，同時(shí)形成導(dǎo)電的多晶硅柵電極，其位置自動(dòng)與源和漏的位置對(duì)準(zhǔn)。按照這種自對(duì)準(zhǔn)工藝，柵與源和置自動(dòng)與源和漏的位置

54、對(duì)準(zhǔn)。按照這種自對(duì)準(zhǔn)工藝，柵與源和漏的覆蓋由雜質(zhì)側(cè)向擴(kuò)散完成，比鋁柵工藝的覆蓋電容要小很漏的覆蓋由雜質(zhì)側(cè)向擴(kuò)散完成，比鋁柵工藝的覆蓋電容要小很多。多。 C. 自對(duì)準(zhǔn)硅化物技術(shù)自對(duì)準(zhǔn)硅化物技術(shù)2022-6-1392 使用自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物技術(shù)（使用自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物技術(shù)（Self aligned silicdation)的優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)除不需另加一道掩模板外，在源點(diǎn)除不需另加一道掩模板外，在源/漏極擴(kuò)散區(qū)的低電阻值硅漏極擴(kuò)散區(qū)的低電阻值硅化物的存在可降低器件的串連電阻值，而且可減少金屬接觸化物的存在可降低器件的串連電阻值，而且可減少金屬接觸窗數(shù)目，增加后續(xù)連接導(dǎo)線布局的方便性，進(jìn)而可縮小整個(gè)窗數(shù)目，增

55、加后續(xù)連接導(dǎo)線布局的方便性，進(jìn)而可縮小整個(gè)器件的擺放面積。器件的擺放面積。2022-6-1393自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝過(guò)程自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝過(guò)程2022-6-13943.2 導(dǎo)體導(dǎo)體-金屬金屬薄膜薄膜3.2.1 金屬接觸金屬接觸3.2.2 柵電極柵電極3.2.3 器件互連器件互連3.2.4 栓塞栓塞3.2.5 擴(kuò)散阻擋層擴(kuò)散阻擋層3.2.6 粘著層粘著層3.2.8 銅金屬化銅金屬化2022-6-13953.2.3 器件互連器件互連(Interconnect) Al薄膜作為器件互連，經(jīng)過(guò)純薄膜作為器件互連，經(jīng)過(guò)純Al、Al-Si合金、合金、Al-Si-Cu合合金，而演變?yōu)榻?，而演變?yōu)锳l-Cu合金。合金

56、。Cu原子分布在原子分布在Al晶粒界面附近，晶粒界面附近，有效的抑止了電遷移。另一方面可能與有效的抑止了電遷移。另一方面可能與Al作用生成電阻率較作用生成電阻率較高的高的Al2Cu。2022-6-1396 鎢有時(shí)應(yīng)用在小范圍的局部金屬導(dǎo)線鎢有時(shí)應(yīng)用在小范圍的局部金屬導(dǎo)線(Local Interconnect) 。這是由于鎢的抗電遷移性好，其可靠性?xún)?yōu)于鋁銅合金。這是由于鎢的抗電遷移性好，其可靠性?xún)?yōu)于鋁銅合金。 做為局部導(dǎo)線，鎢的電阻系數(shù)低于其他用于器件連接的材做為局部導(dǎo)線，鎢的電阻系數(shù)低于其他用于器件連接的材料，比如多晶硅以及合金硅化物料，比如多晶硅以及合金硅化物TiSi2等等。然而長(zhǎng)距離的導(dǎo)線

57、然而長(zhǎng)距離的導(dǎo)線需要較低的電阻，仍以需要較低的電阻，仍以A1-Cu合金為宜。合金為宜。2022-6-1397 由于集成電路尺寸微小化已邁入深亞微米階段，鋁及鋁合由于集成電路尺寸微小化已邁入深亞微米階段，鋁及鋁合金薄膜等傳統(tǒng)金屬化材料已面臨其適用極限。金薄膜等傳統(tǒng)金屬化材料已面臨其適用極限。 Cu薄膜則因電阻低薄膜則因電阻低(比鋁低比鋁低35)及抗電遷移性高，以及其及抗電遷移性高，以及其他一些有利因素，成為下一代金屬化最被看好的材料。目前他一些有利因素，成為下一代金屬化最被看好的材料。目前制造技術(shù)與工藝整合已漸趨成熟，且有幾家公司開(kāi)始量產(chǎn)含制造技術(shù)與工藝整合已漸趨成熟，且有幾家公司開(kāi)始量產(chǎn)含Cu

58、互連芯片?；ミB芯片。2022-6-13983.2 導(dǎo)體導(dǎo)體-金屬金屬薄膜薄膜3.2.1 金屬接觸金屬接觸3.2.2 柵電極柵電極3.2.3 器件互連器件互連3.2.4 栓塞栓塞3.2.5 擴(kuò)散阻擋層擴(kuò)散阻擋層3.2.6 粘著層粘著層3.2.8 銅金屬化銅金屬化2022-6-13993.2.4 栓塞栓塞(Plug) 多層金屬布線使得金屬化系統(tǒng)中出現(xiàn)很多通孔，為了保證多層金屬布線使得金屬化系統(tǒng)中出現(xiàn)很多通孔，為了保證兩層金屬間形成電通路，這些通孔需要用金屬塞來(lái)填充。兩層金屬間形成電通路，這些通孔需要用金屬塞來(lái)填充。 栓塞指用以連接器件各極與金屬層通孔栓塞指用以連接器件各極與金屬層通孔(Via)的鑲

59、入的鑲?cè)?Stud)部部分。分。 雖然用來(lái)制作多重金屬化所需的栓塞技術(shù)有不少種，但是雖然用來(lái)制作多重金屬化所需的栓塞技術(shù)有不少種，但是較具實(shí)用性的，且巳被各集成電路制造廠所使用的，則主要較具實(shí)用性的，且巳被各集成電路制造廠所使用的，則主要有：有：金屬鋁金屬鋁與與鎢栓塞鎢栓塞。2022-6-131002022-6-131013.2.4.1 金屬鋁栓塞金屬鋁栓塞主要工藝主要工藝A. 高溫回流高溫回流 High Temperature Reflow 在該工藝中，鋁先在中在該工藝中，鋁先在中/低溫以高功率淀積所需的厚度，低溫以高功率淀積所需的厚度，然后借助高溫加熱晶圓時(shí)鋁的固態(tài)擴(kuò)散而流入洞中，形成然后

60、借助高溫加熱晶圓時(shí)鋁的固態(tài)擴(kuò)散而流入洞中，形成鋁栓。鋁栓。 該工藝的主要驅(qū)動(dòng)力為鋁的表面張力以減少表面積（表該工藝的主要驅(qū)動(dòng)力為鋁的表面張力以減少表面積（表面能）驅(qū)使鋁流動(dòng)。面能）驅(qū)使鋁流動(dòng)。2022-6-13102B. 冷冷/熱鋁兩段式淀積及平坦化熱鋁兩段式淀積及平坦化 就是把原來(lái)只需一次便可完成的鋁合金層的淀積步驟，分就是把原來(lái)只需一次便可完成的鋁合金層的淀積步驟，分為低溫與高溫兩個(gè)階段來(lái)執(zhí)行的一種方法為低溫與高溫兩個(gè)階段來(lái)執(zhí)行的一種方法。 第一階段的鋁淀積，以濺射的方式，在大約室溫到第一階段的鋁淀積，以濺射的方式，在大約室溫到200 的的低溫下進(jìn)行?；旧?，這一層鋁合金的厚度比較薄，以避