集成电路芯片制造 9787302495529

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1.各章配备了真实的生产操作视频，用二维码链接，帮助学生从理论到实践的认知。
2.完整的生产实际案例，在工作过程的引导下完成微电子器件芯片制造工艺流程的导入。

目录

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第1章概述

1.1微电子器件发展历程

1.1.1电子管的诞生

1.1.2晶体管的诞生

1.1.3集成电路时代

1.2衬底材料的制备

1.3微电子技术发展现状

参考视频

第2章衬底材料

2.1常用半导体材料

素半导体材料

2.1.2化合物半导体材料

2.2硅单晶制备技术

2.3硅中的晶体缺陷

2.4硅片制备

2.4.1整型处理

2.4.2单晶切割

2.4.3研磨

2.4.4刻蚀和抛光

2.4.5清洗

2.4.6硅片检查及包装

2.5砷化镓晶体生长技术简介

2.6质量控制

2.7小结

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第3章微电子器件结构

3.1微芯片中的电阻器

3.2微芯片中的电容器

3.3微芯片中的晶体管

3.3.1标准双极型工艺二极管

3.3.2基于CMOS工艺和BiCMOS工艺的二极管

3.3.3标准双极型工艺三极管

3.3.4基于CMOS工艺和BiCMOS工艺的三极管

3.3.5MOS晶体管

3.4小结

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第4章芯片制造工艺

4.1双极型工艺

4.2CMOS工艺

4.3BiCMOS工艺

4.4小结

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第5章半导体制造中的沾污控制

5.1沾污对器件性能的影响

5.2沾污的类型

5.3沾污的控制

5.3.1环境的控制

5.3.2工艺控制

5.3.3硅片湿法清洗实例分析

5.3.4常用金属材料和器皿的清洗

5.4小结

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第6章光刻工艺

6.1光致抗蚀剂

6.2光学光刻工艺原理

6.2.1气相成底膜

6.2.2涂胶和前烘

6.2.3对准和曝光

6.2.4显影和坚膜

6.3其他曝光技术简介

6.4质量控制

6.5小结

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第7章刻蚀工艺

7.1刻蚀参数

7.1.1刻蚀速率

7.1.2刻蚀剖面

7.1.3刻蚀偏差

7.1.4刻蚀选择比

7.1.5刻蚀残留物

7.2湿法化学腐蚀

7.2.1硅和多晶硅的腐蚀

7.2.2二氧化硅的腐蚀

7.2.3氮化硅的腐蚀

7.2.4铝和铝合金的腐蚀

7.3干法化学刻蚀

7.3.1刻蚀机理

7.3.2等离子体刻蚀系统

7.3.3介质干法刻蚀

7.3.4硅和多晶硅的干法刻蚀

7.3.5金属的干法刻蚀

7.4光刻胶的去除

7.4.1湿法去胶

7.4.2干法去除

7.5刻蚀质量控制

7.6小结

参考视频

第8章掺杂工艺

8.1掺杂工艺概述

8.2扩散原理及方法

8.2.1扩散原理

8.2.2扩散方法

8.3横向扩散

8.4扩散质量控制

8.5离子注入工艺原理

8.5.1离子注入机

8.5.2注入离子在晶格中的运动

8.5.3离子注入的杂质分布

8.5.4沟道效应

8.6注入损伤和退火

8.7注入质量控制

8.8小结

参考视频

第9章薄膜生长工艺

9.1二氧化硅膜的制备

9.1.1二氧化硅膜的用途

9.1.2二氧化硅膜的结构及性质

9.1.3高温制备二氧化硅薄膜的方法

9.1.4热氧化过程中杂质再分布

9.1.5二氧化硅薄膜的质量控制

9.1.6化学气相淀积(CVD)制备二氧化硅膜

9.2多晶硅(POS)介质膜的制备

9.3氮化硅(Si3N4)介质薄膜

9.4外延生长技术

9.4.1硅气相外延的生长机理

9.4.2硅气相外延生长速率

9.4.3硅气相外延层中的掺杂

9.4.4硅气相外延生长过程中的二级效应

9.5氯化氢气相抛光

9.6典型硅气相外延工艺

9.7外延层质量控制

9.8小结

参考视频

第10章表面钝化

10.1Si SiO2系统

10.1.1Si SiO2系统中的电荷

10.1.2Si SiO2系统中的电荷对器件性能的影响

10.1.3Si SiO2结构性质的测试分析

10.2主要的钝化方法

10.2.1集成电路钝化的一般步骤

10.2.2掺氯氧化

10.2.3磷硅玻璃(PSG)和硼磷硅玻璃(BPSG)钝化

10.2.4氮化硅(Si3N4)钝化膜

10.2.5氧化铝(Al2O3)钝化膜

10.2.6聚酰亚胺(PI)钝化膜

10.3钝化膜质量控制

10.4小结

参考视频

第11章集成电路芯片生产实例： 双极型集成电路芯片的制造

思考

参考文献

序言

前言
微电子技术是现代电子信息技术的基础，它的发展有力推动了通信技术、计算机技术和工业自动化/智能化的迅速发展，成为衡量一个国家科技进步的重要标准。近几十年来，电子计算机已历经了几代的更新，而每一代更新都是以存储或处理信息的基本电子学单元的尺度变化为标志的。微电子技术被比喻为工业的心脏和大脑，没有哪个领域能够离开微电子技术。微电子技术给人类带来了半个世纪的繁荣，世界各国争相发展微电子企业。在国家政策的指导下，2010年以后，我国微电子产业数量和生产水平发展迅速。微电子器件芯片生产是微电子行业最重要的一个工作领域。
本书主要包括如下内容。
（1） 微电子技术发展简述。
（2） 微电子器件芯片的基本制造工艺： 半导体衬底材料、热氧化技术、二氧化硅、热氧化模型、热氧化方法、热氧化系统、氧化过程的模拟仿真。
（3） 扩散： 扩散机理、扩散系数、扩散分布的分析、扩散的方法及系统、扩散分布的模拟仿真。
（4） 离子注入： 离子注入原理、注入损伤、注入系统、注入工艺模拟仿真。
（5） 光刻： 光学光刻原理、光刻胶、光刻过程、光刻系统、非光学光刻技术、光刻工艺模拟仿真。
（6） 刻蚀： 湿法刻蚀、干法刻蚀、反应离子刻蚀、刻蚀的模拟仿真。
（7） 薄膜制备技术： 物理气相沉积、化学气相沉积、薄膜制备系统、薄膜制备工艺模拟仿真。
（8） 工艺整合： 双极技术、CMOS技术、BiCMOS技术、工艺整合模拟仿真。
由于本书理论知识涉及面较宽，实际操作要求精准，为了给学生打下坚实的理论基础并使其很好地掌握实际操作技术，本书详细论述了课程理论，同时设计了较多的理论模型，辅助说明空泛的理论。最后引入一个生产实际案例，在工作过程的引导下完成集成电路芯片制造工艺流程的导入。教材配套生产过程全部岗位的微课视频都以二维码形式链接到教材中。学生只要用手机扫描二维码就可以看到每个工作岗位的生产技术。
参加本书编写的老师还有陈国辉、龚红、许晓鹏、何国锋、张成龙等。另外，在编写过程中，还得到了很多企业技术人员的鼎力相助，在此谨向他们致以深深的感谢！
本书可作为微电子类专业本科职教师资培养的教材和应用技术型高校相关专业教学用书及集成电路芯片制造企业职工的培训教材，也可供工程技术人员参考。书中如有疏漏之处，还请各位读者谅解，也可与编著者联系……
杨发顺
2018年3月

文摘

第1章概述
1.1微电子器件发展历程
微电子器件的发展史就像一部传奇史书，从诞生到发展无时不引领世界科技革命的发展。计算机作为电子产品，展示了微电子器件飞速发展推动了一切需要电子器件产品的快速升级的典型实例。
1.1.1电子管的诞生
1904年，英国物理学家弗莱明发明了第一只电子管，世界从此进入了电子时代。1907年，美国发明家德福雷斯特发明了第一只电子三极管。电子管的诞生推动了电子科技的快速发展，在20世纪60年代以前，电子管在电视机、收音机等产品中具有无可取代的地位。在经历了40余年的电子管时代后，电子管的体积笨重、能耗大、寿命短和噪声大等特点越来越成为其弊端，为了解决这些问题，人们一直都在寻求新的电子器件取代它。图11所示为电子管及电子管产品。

图11电子管及电子管产品

1946年，在美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子管计算机,如图12所示,它是个庞然大物： 重30吨，占地150平方米，“肚子”里装有18800只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线，耗电量140千瓦。这台计算机的问世，标志着计算机时代的开始。

图12电子管计算机

1.1.2晶体管的诞生
早在1929年，工程师利莲费尔德就已经取得了一种晶体管的专利，但是由于当时技术水平限制，使得这种晶体管无法制造出来。直到1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组成功研制出一种点接触型的锗晶体管。这种晶体管比电子管功耗低，同时体积很小，因此成为20世纪中的一项重大发明，也为后来的集成电路诞生吹响了号角。图13所示为晶体管及晶体管产品。

图13晶体管及晶体管产品

1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，仅用了800个晶体管。1958年，美国的IBM公司研制成了第一台全部使用晶体管的RCA501型计算机。由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件及快速磁芯存储器，计算机速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量，从几千字节提高到10万字节以上。1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090。1958—1964年，晶体管电子计算机经历了大范围的发展过程。图14所示为晶体管计算机。

图14晶体管计算机

1.1.3集成电路时代
1952年英国雷达研究所的科学家达默在一次会议上提出，可以把电子线路中的分立元器件集中制作在一块半导体晶片上，用一块晶片实现一个完整的电路，这样不仅电子线路的体积可以大大缩小，可靠性也大大提高。正是由于这个设想，1959年，得州仪器工程师Jack Kilby在一块锗半导体材料上制成了一块完整的电路，这就是集成电路。图15所示为集成电路芯片产品。

图15集成电路芯片及产品

集成电路发展中有一个重要定律叫摩尔定侓，该定律是1965年由Intel公司的创始人之一摩尔提出的，几经修改后，成为著名的摩尔定律。摩尔定律认为，集成电路的集成度每三年增长四倍，该定律为集成电路以后的发展趋势提供了理论依据。在集成电路集成度不断提高的情况下，集成电路会向多个器件和电路集成在一起、完成整个系统功能的系统芯片(SOC)发展，而像MEMS(微机电系统)技术、DNA芯片等也会成为集成电路与其他学科相结合发展的新领域。
集成电路芯片的发明和飞速发展为所有电子产品和机电产品带来无限活力。不仅仅是我们感受到的计算机不断升级换代，计算机的体积越来越小巧，功能越来越强大，而且集成电路芯片的飞速发展带给人类自动化、智能化的生活与生产各个领域的飞速发展，因此微电子技术是科技和工业发展的基石。
1.2衬底材料的制备
当前，新一轮科技革命和产业变革与加快转变经济发展方式形成历史性交汇。智能制造是新一轮工业革命的核心技术和创新驱动力，而智能制造设备的关键技术是集成电路芯片的设计与制造等技术。人们所熟悉的中央处理器(CPU)等各种集成电路芯片及普通二极管、三极管等各种电子器件内，都有一块集成了各种电路的芯片。在当今社会，集成电路芯片在各行各业的技术发展都占有非常重要的地位，所以各种电子元件、集成芯片用量非常大。用于制造硅芯片的原材料是沙子，沙子在地球上的储量非常多。
沙子原料(石英)通过熔炼获得硅锭，硅锭切片后就获得制造集成电路芯片的晶圆，俗称“衬底或衬底芯片”。基本制备过程如下所述。
沙子的主要成分是硅，如图16所示，硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

图16沙子

沙子通过复杂的化学和物理加工，多步净化熔炼得到可用于半导体制造的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。通过硅净化熔炼得到大晶体就是硅锭，如图17所示。单晶硅锭呈圆柱形，硅纯度99.9999％。
硅锭经横向切割成圆形的单个硅片，即常说的晶圆，如图18所示。切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。很多生产集成电路芯片的企业自己并不生产这种晶圆，而是直接购买晶圆成品，最早投入批量生产的晶圆尺寸只有2英寸，现在晶圆最大尺寸已经达到18英寸。

图17单晶硅锭

图18单晶硅片

衬底材料的制备是半导体工艺流程的第一步，衬底材料的好坏直接决定最终制作出的器件或集成电路性能的好坏。在进行器件或集成电路的工艺制作之前，要先将用作衬底材料的单晶材料经过切片、研磨、抛光等工序的加工，获得具有一定厚度和晶向、表面高度平整、光洁如镜、没有损伤层的单晶薄片，供后续工艺使用，这种单晶材料的加工过程就称为衬底材料的制备。
1.3微电子技术发展现状
1. 晶圆尺寸增大
制作硅半导体集成电路所用的硅晶片因其形状为圆形，被称为晶圆。在晶圆上制造方形芯片时，会在晶圆边缘处剩余一些不可使用的区域，随着集成度的提高,芯片尺寸也会增大，这种边缘的浪费也会增大。为了弥补这样的损失，就需要采用更大尺寸的晶圆。目前晶圆尺寸多为12英寸，少量为18英寸，同时在向更大尺寸探索。
2. 特征尺寸逐渐减小
特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。从小规模集成电路发展到超大规模集成电路，单个元器件特征尺寸减小起到了重要的推动作用，目前10nm工艺特征尺寸芯片已经投入生产。
3. 缺陷密度减小
随着特征尺寸的减小，在制造工艺中减少缺陷密度和缺陷尺寸就变得非常重要了，一点灰尘都可能对集成电路产生致命的影响。因此，对缺陷密度减小要求越来越高。
4. 集成芯片内部连线水平提高
当一块芯片上元器件的密度增加时，内部留有的布线空间将会变小，这将导致最终无法布线。为了解决这个问题，技术人员不断探索新的连线方法，如在元件形成的表面上使用多层绝缘层和导电层相互叠加的多层连线。
5. 芯片成本下降
随着集成度和芯片工艺的提高，同样功能芯片的成本不断下降。
6. 硅芯片的纳米技术
集成电路芯片遵循摩尔定律，几十年来微芯片技术不断突破工艺极限，从20世纪90年代初起，纳米科技得到迅速发展。纳米是长度单位，原称毫微米，是十亿分之一米或者百万分之一毫米，略等于45个原子排列起来的长度。纳米科学与技术的研究领域为结构尺寸在1~100nm材料的性质和应用。随着更高集成度的发展，终将达到硅晶体不稳定物理上的极限。目前已经有处理器用上了14nm工艺，业内预测到2020年将达到5nm工艺。
参考视频

硅芯片制作.mp4

第2章衬底材料
2.1常用半导体材料
半导体材料是一类导电能力介于导体和绝缘体之间、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料，其电阻率为10-3~10-9Ω/cm。半导体材料对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，从而制造出功能多样的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。常用的半导体材料按化学组成可分为元素半导体和化合物半导体两种。元素半导体是由元素周期表中的四族元素组成的单质材料，硅和锗是两种常用的元素半导体材料； 化合物半导体主要由元素周期表中的ⅢⅤ族或ⅡⅥ族元素组成，常用的有砷化镓、磷化铟、磷砷化镓等。
素半导体材料

元素半导体材料是由单一元素组成的半导体材料，元素周期表中有12种元素具有半

导体

性质，它们分别是

B、C、Si、Ge、灰Sn、P、灰As、黑Sb、S、Se、Te、I，但大多数具有不稳

图21金刚石结构示意图

定或制备困难的缺点，只有锗(Ge)、硅(Si)性质优越，是广泛应用的半导体材料，它们都属于金刚石结构(见图21)。

20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和
抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件，并且硅容易经过氧化得到电绝缘的二氧化硅，在工艺上方便实现选择性掺杂。因此，硅已成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。硅元素虽然分布广泛、富足，但是自然界中不存在硅单质，硅单质只能通过在电炉中加热硅石和碳由人工得到。硅单晶如图22所示。

图22硅单晶棒及单晶片

2.1.2化合物半导体材料
通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即指由两种或两种以上元素确定原子配比形成的化合物，并且具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。包括晶态无机化合物(如ⅢⅤ族、ⅡⅥ族化合物半导体)及其固溶体、非晶态无机化合物(如玻璃半导体)、有机化合物(如有机半导体)和氧化物半导体等。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，主要是二元化合物，如砷化镓、磷化铟、硫化镉、碲化铋、氧化亚铜等； 其次是二元和多元化合物，如铝镓砷、铟镓砷磷、磷砷化镓、硒铟化铜及某些稀土化合物(如SeN、YN、La2S3等)。多采用布里奇曼法(由熔体生长单晶的一种方法)、液封直拉法、垂直梯度凝固法制备化合物半导体单晶，用外延法、化学气相沉积法等制备它们的薄膜和超薄层微结构化合物材料，用于制备光电子器件、超高速微电子器件和微波器件等方面。
在半导体器件制造中，砷化镓(gallium arsenide，化学式GaAs)是一种重要的半导体材料，属ⅢⅤ族化合物半导体，闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，禁带宽度1.4eV。在600℃以下，它能在空气中稳定存在，并且不被非氧化性的酸侵蚀。
砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5~6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频及高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件(体效应器件)。砷化镓是半导体材料中兼具多方面优点的材料，但用它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下易分解，故要生产理想化学配比的高纯单晶材料，在技术上要求还比较高。砷化镓单晶片如图23所示。

图23砷化镓单晶棒及单晶片

2.2硅单晶制备技术
在集成电路或电子线路中所使用的硅晶体管，要求其所选用的硅衬底具有很高的完整性。多晶硅材料因其晶粒间的晶界有缺陷而表现出不足够短的少数载流子寿命； 单晶硅材料具有晶格完整性好、结构均匀等优点，是制作晶体管的理想衬底材料。硅单晶圆片是最常用的半导体材料，它是硅到芯片制造过程中的一个状态，是为了芯片生产而制造出来的集成电路原材料。它是在超净化间里通过各种工艺流程制造出来的圆形薄片，这样的薄片必须两面近似平行且足够平整。硅单晶圆片越大,同一圆片上生产的集成电路就越多,这样既可降低成本，又能提高成品率，但材料技术和生产技术要求会更高。
硅虽然是地壳中含量位居第二的元素，但主要是不纯的二氧化硅(SiO2)和硅酸盐(Si+O+其他元素)，自然界中不存在单质硅。半导体器件制造中使用的单晶硅是用石英砂经过一系列的工艺过程得到的一种人造材料。得到单晶硅的方法主要包括以下几个步骤。
(1) 低品质的硅或硅铁合金在电炉里与碳一起加热，通过碳对不纯的二氧化硅(天然存在的石英砂)进行还原脱氧处理，得到大约98%不纯的元素硅。反应式如下：
SiO2+2CSi+2CO
这样得到的大部分硅主要用于铝中的合金材料或硅酮聚合物，只有一小部分被进一步提炼成超纯硅(也叫作电子级多晶硅)。
(2) 不纯的元素硅研磨成细粉在300℃和气态的HCl反应，生成在室温下呈液态的SiHCl3(或SiCl4)和杂质氯化物(如AlCl3、BCl3)。液态的SiHCl3(或SiCl4)可通过蒸馏法进行提纯。
(3) 通过蒸馏提纯后的超纯SiHCl3(或超纯SiCl4)在氢气环境中用CVD方法进行还原，得到所期望的超纯元素硅。反应式如下：
2SiHCl3(气态)+2H2(气态)2Si(固态) + 6HCl(气态)
SiCl4(气态)+2H2(气态)Si(固态) + 4HCl(气态)
(4) 用Czochralski法(CZ法)将多晶态的超纯硅转变成单晶硅。具体方法： 将超纯的多晶硅放入一个石英坩埚中，在惰性气体的保护下加热使之熔化。在一个金属棒的前端夹上一小块取向符合要求的(如〈111〉或〈100〉晶向)籽晶，使越来越多的单晶硅不断地在籽晶底部固化。这样不断地旋转拉出籽晶，就可得到呈圆柱状的具有特定晶格取向的单晶棒(也称为单晶锭)。85%以上的单晶硅锭是采用CZ法生长出来的。图24示出了由计算机控制的Czochralski单晶炉示意以及拉制出的单晶锭。

图24CZ法设备结构示意和硅单晶锭

综上所述，硅单晶制备工艺流程如图25所示。

图25硅单晶制备工艺流程

2.3硅中的晶体缺陷
在理想完整的晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于受晶体形成条件、原子热运动及其他条件的影响，原子的排列不可能那样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。
晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷几种主要类型。几种典型的晶体缺陷如图26所示。

图26几种典型的晶体缺陷

(1) 点缺陷是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。主要有空位和间隙原

ISBN	9787302495529
出版社	清华大学出版社
作者	杨发顺
尺寸	16