半導體製造工藝

《半導體製造工藝》是機械工業出版社出版的書。作者：張淵。出版時間：2015年8月。簡要介紹了半導體器件基本結構 、半導體器件工藝的發展歷史、半導體材料基本性質及半導體製造中使用的化學品，以典型的CMOS管的製造實例為基礎介紹了積體電路的製造過程及製造過程中對環境的要求及污染的控制。

基本介紹

• 中文名：半導體製造工藝 第2版
• 作　者：張淵
• 出 版 社：機械工業出版社
• 出版時間：2015年8月
• 紙　張：膠版紙
• ISBN：9787111507574
• 包裝：平裝

內容簡介

矽片是一種矽材料通過加工切成一片一片的。矽是一種硬度很高的物質，矽材料看起來像石頭一樣，他要經過清洗乾淨然後用爐子加熱融化形成一個大塊的矽錠，然後再用特定機器來進行細切成一片一片。

主要工藝過程：多晶矽——區熔或直拉——單晶矽棒——滾、切、磨、拋——矽片

矽晶圓silicon wafer) 是一切積體電路晶片的製作母材。既然說到晶體，顯然是經過純煉與

結晶的程式。晶體化的製程，大多是採用「柴可拉斯基」

(Czycrasky) 拉晶法(CZ法)。拉晶時，將特定晶向(orientation) 的晶種(seed)，浸入過飽和的純矽熔湯(Melt) 中，並同時旋轉拉出，矽原子便依照晶種晶向，乖乖地一層層成長上去，而得出所謂的晶棒(ingot)晶棒

的阻值如果太低，代表其中導電雜質 (impurity dopant) 太多，還需經過FZ法 (floating-zone) 的再結晶 (re-crystallization)，將雜質逐出，提高純度與阻值。

輔拉出的晶棒，外緣像椰子樹幹般，外徑不甚一致，需予以機械加工修邊，然後以X光繞射法，定出主切面 (primary flat) 的所在，磨出該平面；再以內刃環鋸，削下一片片的矽晶圓。最後經過粗磨 (lapping)、化學蝕平(chemical etching) 與拋光(polishing) 等程式，得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圓。(至於晶圓厚度，與其外徑有關。) 剛才題及的晶向，與矽晶體的原子結構有關。矽晶體結構是所謂「鑽石結構」(diamond-structure)，系由兩組面心結構 (FCC)，相距(1/4,1/4,1/4) 晶格常數 (lattice constant；即立方晶格邊長) 疊合而成。我們依米勒指針法 (Miller index)，可定義出諸如：{100}、{111}、{110} 等晶面。所以晶圓也因之有 {100}、{111}、{110}等之分野。有關常用矽晶圓之切邊方向等信息，請參考圖2-2。現今半導體業所使用之矽晶圓，大多以 {100} 矽晶圓為主。其可依導電雜質之種類，再分為p型 (周期表III族) 與n型 (周期表V族)。由於矽晶外貌完全相同，晶圓製造廠因此在製作過程中，加工了供辨識的記號：亦即以是否有次要切面 (secondary flat) 來分辨。該次切面與主切面垂直，p型晶圓有之，而n型則闕如。 {100}矽晶圓循平行或垂直主切面方向而斷裂整齊的特性，所以很容易切成矩形碎塊，這是早期晶圓切割時，可用刮晶機 (scriber) 的原因 (它並無真正切斷晶片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整齊斷開之。)事實上，矽晶的自然斷裂面是{111}，所以雖然得到矩形的碎晶片，但斷裂面卻不與{100}晶面垂直！ 以下是訂購矽晶圓時，所需說明的規格：項目說明 晶面 {100}、{111}、{110} ± 1o 外徑(吋) 3 4 5 6 厚度(微米) 300~450 450~600 550~650 600~750(±25) 雜質 p型、n型 阻值(Ω-cm) 0.01 (低阻值) ~ 100 (高阻值) 製作方式 CZ、FZ (高阻值) 拋光面單面、雙面 平坦度(埃) 300 ~ 3,000 北京特博萬德科技有限公司

本教材的編寫簡化了深奧的理論論述，在對基本原理介紹的基礎上注重對工藝過程、工藝參數的描述以及工藝參數測量方法的介紹，並在半導體製造的幾大工藝技術章節中加入了工藝模擬的內容，彌補了實踐課程由於昂貴的設備及過高的實踐費用而無法進行實踐教學的缺憾。在教材編寫過程中，從半導體生產企業獲得了大量的工藝設備、工藝過程及工藝參數方面的素材對教材進行了充實。

本教材根據積體電路的發展趨勢，主要介紹了積體電路工藝的前端部分，即清洗、氧化、化學氣相澱積、金屬化、光刻、刻蝕、摻雜和平坦化等幾個主要工藝，具體每一道工藝中都詳細講述了工藝的基本原理、工藝的操作過程和工藝對應的設備，並加入了部分工藝模擬的操作，力求把當前比較新的工藝介紹給讀者。

本教材主要供高等院校微電子相關專業的高年級本科生或大專生習，也可以作為從事積體電路工藝工作的工程技術人員自學或進修的參考書。

簡要介紹了半導體器件基本結構 、重點介紹了包括清洗、氧化、化學氣相澱積、金屬化、光刻、刻蝕、摻雜、平坦化幾大積體電路製造工藝的工藝原理工藝過程，工藝設備、工藝參數、質量控制及工藝模擬的相關內容。

目錄

前言
第1章緒論

11引言
12基本半導體元器件結構
121無源元件結構
122有源器件結構
13半導體器件工藝的發展歷史
14積體電路製造階段
141積體電路製造的階段劃分
142積體電路時代劃分
143積體電路製造的發展趨勢
15半導體製造企業
16基本的半導體材料
161矽——最常見的半導體
材料
162半導體級矽
163單晶矽生長
164IC製造對襯底材料的
要求
165晶體缺陷
166其他半導體材料
17半導體製造中使用的化學品
18半導體製造的生產環境
181淨化間沾污類型
182污染源與控制
183典型的純水製備方法
本章小結
本章習題

第2章半導體製造工藝概況

21引言
22器件的隔離
221PN結隔離
222絕緣體隔離
23雙極型積體電路製造工藝
24CMOS器件製造工藝
24120世紀80年代的CMOS
工藝技術
24220世紀90年代的CMOS
工藝技術
24321世紀初的CMOS工藝
技術
本章小結
本章習題

第3章清洗工藝

31引言
32污染物雜質的分類
321顆粒
322有機殘餘物
323金屬污染物
324需要去除的氧化層
33清洗方法
331RCA清洗
332稀釋RCA清洗
333IMEC清洗
334單晶圓清洗
335乾法清洗
34常用清洗設備——超音波清洗
設備
341超音波清洗原理
342超音波清洗機
343超音波清洗機的工藝流程
344超音波清洗機的操作流程
345其他清洗設備
35清洗的質量控制
本章小結
本章習題

第4章氧化

41引言
42二氧化矽膜的性質
43二氧化矽膜的用途
44熱氧化方法及工藝原理
441常用熱氧化方法及工藝
原理
442影響氧化速率的因素
45氧化設備
46氧化工藝操作流程
47氧化膜的質量控制
471氧化膜厚度的測量
472氧化膜缺陷類型及檢測
473不同方法生成的氧化膜特性
比較
本章小結
本章習題

第5章化學氣相澱積

51引言
511薄膜澱積的概念
512常用的薄膜材料
513半導體製造中對薄膜的
要求
52化學氣相澱積（CVD）原理
521化學氣相澱積的概念
522化學氣相澱積的原理
53化學氣相澱積設備
531APCVD
532LPCVD
533電漿輔助CVD
54CVD工藝流程及設備操作
規範
55外延
551外延的概念、作用、原理
552外延生長方法
553矽外延工藝
56CVD質量檢測
本章小結
本章習題

第6章金屬化

61引言
611金屬化的概念
612金屬化的作用
62金屬化類型
621鋁
622鋁銅合金
623銅
624阻擋層金屬
625矽化物
626鎢
63金屬澱積
631蒸發
632濺射
633金屬CVD
634銅電鍍
64金屬化流程
641傳統金屬化流程
642雙大馬士革流程
65金屬化質量控制
本章小結
本章習題

第7章光刻

71引言
711光刻的概念
712光刻的目的
713光刻的主要參數
714光刻的曝光光譜
715光刻的環境條件
716掩膜版
72光刻工藝的基本步驟
73正性光刻和負性光刻
731正性光刻和負性光刻的
概念
732光刻膠
733正性光刻和負性光刻的
優缺點
74光刻設備簡介
741接觸式光刻機
742接近式光刻機
743掃描投影光刻機
744分步重複光刻機
745步進掃描光刻機
75光刻工藝機簡介及操作流程
751URE2000/25光刻機
簡介
752光刻機操作流程
76光刻質量控制
761光刻膠的質量控制
762對準和曝光的質量控制
763顯影檢查
本章小結
本章習題

第8章刻蝕

81引言
811刻蝕的概念
812刻蝕的要求
82刻蝕工藝
821濕法刻蝕
822乾法刻蝕
823兩種刻蝕方法的比較
83乾法刻蝕的套用
831介質膜的刻蝕
832多晶矽膜的刻蝕
833金屬的乾法刻蝕
834光刻膠的去除
84刻蝕設備
85乾法刻蝕工藝流程及設備操作
規範
86刻蝕的質量控制
本章小結
本章習題

第9章摻雜

91引言
92擴散
921擴散原理
922擴散工藝步驟
923擴散設備、工藝參數及其
控制
924常用擴散雜質源
93離子注入
931離子注入原理
932離子注入的重要參數
933離子注入摻雜工藝與擴散
摻雜工藝的比較
94離子注入機
941離子注入機的組成及工作
原理
942離子注入工藝及操作
規範
943離子注入使用的雜質源及
注意事項
95退火
96離子注入關鍵工藝控制
97離子注入的套用
971溝道區及阱區摻雜
972多晶矽注入
973源漏區注入
98摻雜質量控制
981結深的測量及分析
982摻雜濃度的測量
983污染
本章小結
本章習題

第10章平坦化

101引言
102傳統平坦化技術
1021反刻
1022玻璃回流
1023旋塗玻璃法
103化學機械平坦化
1031CMP優點和缺點
1032CMP機理
1033CMP設備
1034CMP工藝流程及工藝
控制
1035CMP套用
104CMP質量控制
1041膜厚的測量及非均勻性
分析
1042矽片表面狀態的觀測方法
及分析
本章小結
本章習題
第11章工藝模擬

111引言
1111工藝模型
1112工藝模擬器簡介
1113Athena 基礎
112氧化工藝模擬
113澱積工藝模擬
114光刻工藝模擬
115刻蝕工藝模擬
116摻雜工藝模擬
1161擴散工藝模擬
1162離子注入工藝模擬

參考文獻