半导体器件物理与工艺绪论

1、Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices半导体工艺介绍半导体工艺介绍 或许您不知道，半导体电子零件在您的生活中已存在 了三十多年；在您的周遭，只要是电器用品，或多或少都有 半导体电子零件的影子。这个小精灵的出现大大地改变了人 类的生活；让您有更舒适方便的生活环境；如功能强大的个 人电脑，体积小得可以带着走，出国在外也可以和总公司连 线；四通八达的电信网路，可以和世界任何地方联络；汽车 的电脑控制系统让您安全又方便地操控汽车驾驶之先进功能；学生可以透过光碟电子书学习新知。 这个无所不在的小东西是一种叫作“硅”的物质所制作成的。这

2、种物质在地球上相当丰富，海沙即含有相当高成份的“硅”。半导体的制作过程是一项科技高度整合的作业，结合了化学、物理、电子、电机、机械、自动化、软体工程、电脑辅助设计(CAE/CAD)等，几乎所 有顶尖的技术都被用来制造半导体。从下方这个简单的流程方块图，我们大致可以瞭解半导 体的制程。半导体产业实际上是一个更大实体的子系统高技术产业。制造微芯片生产电子硬件，它伴随着软件集成并控制芯片功能。高技术产业包含正半导体应用中可见的全部硬件和软件（如图所示）。 放大电子信号的三极真空管是有Lee De Forest于1906年发明的。它发展了早期有约翰弗莱明和托玛斯爱迪生在真空管方面的工作。成为现代收音机

3、、电视机和整个电子学领域的主要电子器件，知道20世纪50年代。 一种相对新的材料，称为硅的单晶体，在20世纪出曾被用于将无线电通信信号从交流转换为直流。包含这种材料的“半导体”一词最初在德国采用。然而，真正要发展成为半导体技术势力需要全世界物理化学家和物理学家的参与研究。在半导体特性能被完全解释之前，为了理解电子行为的量子理论，这项研究斯必需的。这些基础工作延续了几十年直到第二次世界大战。 第二次世界大战后，贝尔实验室的科学家们一致努力研究固态硅和锗半导体晶体。领导这项研究的科学家感到需要替换掉真空管，并且可以从固态半导体材料代替真空中受益。1947年12月16日诞生了固态晶体管，发明者是威廉

4、肖克利，约翰巴丁和沃尔特布拉顿。晶体管的名字取自“跨导”和“变阻器”两词，提供了与真空管同样的电功能，但具有固态的显著优点：尺寸小、无真空、可靠、重量轻、最小的发热以及低功耗。这一发现发动了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业。 半导体产业在20世纪50年代开始迅速增长为以硅为基础的商品化晶体管技术。早期的许多先驱者开始在北加利福尼亚州，现在以硅谷著称的地区。1957年，在帕罗阿托市的仙童半导体公司制造出第一个商用平面晶体管。它有一层铝互连材料，这种材料北淀积在硅片的最顶层以连接晶体管的不同部分(见图)。从硅上热氧化生长的一层自然氧化层被用于隔离铝导线。这些层的使用在半导体领域是一重要发展，

5、也是称其为平面技术的原因。 在半导体产业向前迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个硅衬底上。被称为集成电路或简称IC，它是由仙童半导体公司的罗伯特诺伊斯和德州仪器公司的杰克基比尔于1959年分别独自发明的。在一块集成电路的硅表面上可以制造许多不同的半导体器件，例如晶体管、二极管、电阻和电容，他们被连成一个有确定芯片功能的电路。 Robert Noyce(Intel)Clair Kilby (TI) 从20世纪60年代到现在，这是组织半导体产业发展的有用方法（见表）。 半导体器件的制作仅发生在接近硅片表面的几微米。在工艺加工过程中，硅片厚度提供硅片足够的强度。一旦器件在硅片上制作完毕，硅片上的

6、金属线路层将作为器件和芯片外边的各种电信号之间的连接（见图）。现代集成电路的互连概念和材料非常类似于1957年仙童半导体公司第一商品化的原始平面晶体管。单主要差别是今天的芯片更加复杂。 微芯片制造涉及5个大的制造阶段（见图）：硅片制备硅片制造硅片测试/拣选装配与封装终测硅片制备 在第一阶段，将硅从沙土中提炼并纯化。经过特殊工艺产生适当直径的硅锭（见图）。然后将硅锭切割成用于制造微芯片的薄硅片。按照专用的参数规范制备硅片，例如定位边要求和沾污水平。 硅片制造 自硅片开始的微芯片制作是第二阶段，被称为硅片制造。裸露的硅片到达硅片制造厂，然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤。加工完的硅片具有

7、永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。硅片制造的其他名称是微芯片制造和芯片制造。 硅片制造涉及许多复杂工艺步骤的交互，可使用自动化设备在一个甚大规模集成电路硅片上生产几亿个器件。伴随着制造高性能集成电路的复杂性，半导体产业总是处于设备设计和制造技术的前沿。这种创新激励了硅片制造的不断完善。 硅片的测试/拣选 硅片制造完成后，硅片被送到测试/拣选区，在那里进行单个芯片的探测和电学测试。然后拣选出可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷的芯片做标记。不会把硅片测试失效的芯片送给客户，而通过硅片测试的芯片将继续进行以后的工艺。 装配与封装 硅片测试/拣选后，硅片进入装配和封装步骤，以便把单个芯片包装在一个保护

8、管壳内。硅片的背面进行研磨以减小衬底的厚度。一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面，然后，在正面沿着划片线用带金刚石的锯刃将每个硅片上的芯片分开。粘的塑料膜保护硅芯片不脱落。在装配厂，好的芯片被压焊或抽真空形成装配包。稍后，将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。最终的实际封装形式随芯片类型及其应用场合而定（见下图）。 终测 为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数要求。终测后，芯片被发送给客户以便装配到专用场合：例如，将存储器元件安装在个人电脑的电路板上。 甚大规模集成电路设计和制造集成电路所需的快速技术变化，导致新设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，

9、半导体产业就引入新的制造技术。伴随微芯片技术的发展有三个主要趋势：提供芯片性能提高芯片可靠性降低芯片成本 从20世纪60年代早期小规模集成电路时代以来，半导体微芯片的性能已得到了巨大的提供。判断芯片性能的一种通用方法是速度。器件做得越小，在芯片上放置得越密，芯片得速度就会提高，这是因为通过电路得电信号传输距离更短了。提供速度得另一种方法是：使用材料，通过芯片表面得电路和器件来提高电信号得传输。 关键尺寸 芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。描述特征尺寸的另一个术语是电路几何尺寸。特别值得注意的是硅片上的最小特性尺寸，也称为关键尺寸或CD。自半导体制造业开始以来，器件的CD一直在缩小，从20世纪

10、50年代初期以大约125um的CD开始，目前是0.18um或者更小。半导体产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使用的可应用CD。从1um以下的CD实际的和预计的产业技术节点如表2所示。 每块芯片上的元件数 减小一块芯片的特征尺寸使得可以在硅片上制作更多的元件。对于微处理器，芯片表面的晶体管数可以说明通过减小CD来增加芯片的集成度。由于芯片上的晶体管数连年急剧增加，芯片性能也已提高（见图）。 摩尔定律 1964年，戈登摩尔，半导体产业先驱和英特尔公司的创始人，语言在一块芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番。关于微处理器上的晶体管数，如图所示，摩尔定律惊人地准确。 功耗 芯片性能的另一重要是

11、在器件工作过程中的功耗。真空管耗费很大功耗，而半导体器件确实耗用很小的功耗。随着器件的微型化，功耗相应减小。尽管每块芯片上晶体管数迅速增加，芯片的功耗却低得多得速率增加（见图）。这已成为便携式电子产品市场增长得一个关键性能参数。 芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力。技术上得进步已经提高了芯片产品得可靠性（见图）。例如，通过严格得诸如无颗粒空气净化间得使用以及控制化学试剂纯度，来控制沾污。为提高器件可靠性，不间断地分析制造工艺。通过硅片监控和微芯片测试以验证可接受的性能。这样可变成在工作过程中低失效的产品。 半导体微芯片的价格一直持续下降（见图）。到1996年之前的近50年中，半导体微芯片的价格以一亿倍的情况下降。例如，1958年一个质量低劣的硅晶体管价值大约10美元。在今天，10美元可以买到具有超过两千万晶体管的一块存储器芯片、一个等量的其他元件