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第七章 半导体工艺介绍 参考书：半导体制造技术 韩郑生 等译 Semiconductor Manufacturing Technolgy [美] Micheal Quirk Julian Serda 著 1 半导体产业介绍 概述 微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管）问世，50年代中期出现了硅平面工艺，此工艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺，也使得将多个分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为可能，随着制造工艺水平的不断成熟，使微电子从单只晶体管发展到今天的ULSI。 回顾发展历史，微电子技术的发展不外乎包括两个方面：制造工艺和电路设计，而这两个又是相互相成，互相促进，共同发展。 1.1 半导体工业的诞生 电信号处理工业始于上个世纪初的真空管，真空管使得收音机、电视机和其他电子产品成为可能。它也是世界上第一台计算机的大脑。 真空管的缺点是体积大、功耗大，寿命短。当时这些问题成为许多科学家寻找真空管替代品的动力，这个努力在1947年 12月23日得以实现。也 就是第一只Ge合金管的 诞生。如图所示。 1.2 固态器件 固态器件不仅是指晶体管，还包括电阻器和电容器。 Ge合金管的缺点是工作温度低，电性能差。 50年代随着硅平面制造工艺的出现，很快就出现了用硅材料制造的晶体管。 由于硅材料的制造温度(熔点温度1415℃)和硅晶体管的工作温度都优于锗(熔点温度937℃) ，加之SiO2的天然生成使得硅晶体管很快取代了Ge晶体管。 1.3 集成电路 最早的集成电路仅是几个晶体管、二极管、电容器、电阻器组成，而且是在锗材料上实现的，是由德州仪器公司的杰克·基尔比发明的。如图所示。右图是用平面技术制造的晶体管 1.4 工艺和产品趋势 从以开始，半导体工业就呈现出在新工艺和器件结构设计上的持续发展。工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度，更多的数量和更高的可靠性。 尺寸和数量是IC发展的两个共同目标。 芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，将此定义为制造复杂性水平的标准。 通常用微米来表示。一微米为1/10000厘米。 Gordon Moore在1964年预言IC的密度每隔18～24个月将翻一番，------摩尔定律。 一个尺寸相同的芯片上，所容纳的晶体管数量，因制程技术的提升，每18个月到两年晶体管数量会加倍，IC性能也提升1倍。现以1961年至2006年期间半导体技术的发展为例加以说明，IC电路线宽由25微米减至65纳米，晶圆直径由1英寸增为12英寸，每一芯片上由6个晶体管增为80亿个晶体管，DRAM密度增加为4G位，晶体管年销售量由1000万个增加到10的18次方至19次方个，但晶体管平均售价却大幅下降10的9次方倍。 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是： 信号传输距离的缩短和电路速度的提高，芯片或电路功耗更小。 1.5 半导体工业的构成 半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和半导体工业设备及化学品供应五大块。 目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯片。 1.6 器件制造 半导体器件制造分4个不同阶段： 1.材料准备 2.晶体生长与晶圆准备 3.芯片制造 4.封装 第一步 材料准备 第二步晶体生长与晶圆准备 第三步 芯片制造 第四步 封装 3 晶园制备 3.1 概述 在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以及晶园和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶园，最早使用的是1英寸(25mm)，而现在300mm直径的晶园已经投入生产线了。因为晶园直径越大，单个芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正是对晶园生产的一个挑战。 硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如，同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。　　然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远