半导体芯片制造技术

工业和信息产业职业教育教学指导委员会“十二五”规划教材高等职业教育规划教材·微电子技术专业系列 半导体芯片制造技术 杜中一主编 杨天鹏郑远志许毅副主编 PublishingHouseofElectronicsIndustry 北京·BEIJING 内容简介 本书全面系统地介绍了半导体芯片制造技术，内容包括半导体芯片制造概述、多晶半导体的制备、单晶半导体的制备、晶圆制备、薄膜制备、金属有机物化学气相沉积、光刻、刻蚀、掺杂及封装。书中简要介绍了半导体芯片制造的基本理论基础，系统介绍了多晶半导体、单晶半导体与晶圆的制备，详细介绍了薄膜制备、光刻与刻蚀及掺杂等工艺。由于目前光电产业的不断发展，对于化合物半导体的使用越来越多，本书以半导体硅材料芯片制造为主，兼顾化合物半导体材料芯片制造，比如在介绍薄膜制备工艺中，书中用单独的一章介绍了如何通过金属有机物化学气相沉积来制备化合物半导体材料薄膜。 本书针对高职高专学生的特点，以“实用为主、够用为度”为原则，系统地介绍了半导体芯片制造技术。本书可作为微电子、光电子、光伏、电子等相关专业高职高专的教材，也可作为相关专业学生和技术人员的自学参考用书。 未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。 图书在版编目(CIP)数据 半导体芯片制造技术／杜中一主编.—北京：电子工业出版社，2012.2 工业和信息产业职业教育教学指导委员会“十二五”规划教材．高等职业教育规划教材．微电子技术专业系列 ISBN978-7-121-15396-9 I.半…Ⅱ.杜…Ⅲ.①芯片－生产工艺－高等职业教育－教材Ⅳ.①TN430.5中国版本图书馆CIP数据核字（2011）第252564号 策划编辑：王昭松责任编辑：王昭松印刷： 装订： 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱邮编100036 开本：787×10921/16印张：10.25字数：262.4千字印次：2012年2月第1次印刷 印数：3000册定价：25.00元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。 质量投诉请发邮件至zlts@phei.com.cn，盗版侵权举报请发邮件至dbqq@phei.com.cn。服务热线：（010）88258888。 前言 由于半导体产业与光电、光伏产业的不断发展，半导体芯片制造技术显得至关重要。半导体芯片制造涉及到材料、微电子、电子、物理、化学等专业，属于交叉学科，涉及到许多全新的领域，教材及参考书籍较少，适合高职高专的教材更少。很多高职高专院校都迫切希望有一本内容新颖翔实，语言通俗易懂，深入浅出地介绍半导体芯片制造技术的教材。为此，我们编写了《半导体芯片制造技术》一书。 本书全面系统地介绍了半导体芯片制造技术，并有两位非常有经验的半导体芯片制造企业大连美明外延片科技有限公司和大连路美芯片科技有限公司的生产部长共同参与编写，力求反映本领域最先进、最实用的半导体芯片制造技术。 本书内容包括半导体芯片制造概述、多晶半导体的制备、单晶半导体的制备、晶圆制备、薄膜制备、金属有机物化学气相沉积、光刻与刻蚀、掺杂及封装。由于目前光电产业的不断发展，对于化合物半导体的使用越来越多，本书以半导体硅材料芯片制造为主，兼顾化合物半导体材料芯片制造，比如在介绍薄膜制备工艺中，书中用单独的一章介绍了如何通过金属有机物化学气相沉积来制备化合物半导体材料薄膜。 本书由大连职业技术学院杜中一老师担任主编；大连美明外延片科技有限公司杨天鹏部长、大连路美芯片科技有限公司郑远志部长和大连职业技术学院许毅老师任副主编；大连职业技术学院鲍楠老师任参编。全书共分为10章，其中第1、3、4、5、9、10章由杜中一编写；第2章由鲍楠编写；第6章由杨天鹏编写；第7章由郑远志编写；第8章由许毅编写。全书由杜中一负责统稿。 在这里尤其要感谢大连美明外延片科技有限公司杨天鹏部长和大连路美芯片科技有限公司郑远志部长在完成繁忙的工厂生产任务之后，还能够抽出仅有的空余时间，共同参与编写这本书，在此对两位表示由衷的感谢！ 由于半导体芯片制造技术发展迅速，以及作者水平有限，书中难免有不足之处，敬请广大读者批评指正。 编者 2012年1月 目录 第1章半导体芯片制造概述（1） 1.1半导体工业发展概述（1） 1.2半导体材料基础（3） 1.2.1半导体材料的基本性质（3） 1.2.2半导体材料分类（4） 1.2.3晶体（6） 1.3半导体生产污染控制（9） 1.3.1污染物的种类（9） 1.3.2污染物引起的问题（9） 1.3.3超净间的建设（10） 1.3.4超净间标准（11） 1.3.5超净间的维护（12） 1.4纯水的制备（12） 1.4.1纯水在半导体生产中的应用（12） 1.4.2离子交换制备纯水（13） 1.4.3水的纯度测量（15） 小结（15） 第2章多晶半导体的制备（16） 2.1工业硅的生产（16） 2.1.1硅的简介（16） 2.1.2工业硅的制备（16） 2.2三氯氢硅还原制备高纯硅（17） 2.2.1原料的制备（17） 2.2.2三氯氢硅的合成及提纯（18） 2.2.3三氯氢硅还原（20） 2.2.4还原尾气干法分离回收（21） 2.3硅烷热分解法制备高纯硅（21） 2.3.1硅烷概述（21） 2.3.2硅烷的制备及提纯（22） 2.3.3硅烷热分解（22） 小结（23） 第3章单晶半导体的制备（24） 3.1单晶硅的基本知识（24） 3.1.1晶体的熔化和凝固（24） 3.1.2结晶过程的宏观特征（25） 3.1.3结晶过程热力学（25） ·Ⅴ· 3.1.4晶核的形成（25） 3.1.5二维晶核的形成（27） 3.1.6晶体的长大（27） 3.2直拉法制备单晶硅的设备及材料（28） 3.2.1直拉法制备单晶硅的设备（28） 3.2.2直拉单晶硅前的材料准备（31） 3.2.3直拉单晶硅前的材料清洁处理（34） 3.3直拉单晶硅的工艺流程（35） 3.3.1装炉前的准备（35） 3.3.2装炉（35） 3.3.3熔硅（35） 3.3.4引晶（36） 3.3.5缩颈（37） 3.3.6放肩和转肩（37） 3.3.7等径生长（37） 3.3.8收尾（38） 3.3.9停炉（38） 3.4拉单晶过程中的异常情况及晶棒检测（38） 3.4.1拉单晶过程中的异常情况（38） 3.4.2晶棒检测（40） 3.4.3硅晶体中杂质的均匀性分析（41） 3.5悬浮区熔法制备单晶硅（45） 3.6化合物半导体单晶的制备（47） 3.6.1Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体单晶的制备（47） 3.6.2Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体单晶的制备（49） 小结（50） 第4章晶圆制备（51） 4.1晶圆制备工艺（51） 4.1.1 截断（51） 4.1.2 直径滚磨（51） 4.1.3 磨定位面（52） 4.1.4 切片（52） 4.1.5 磨片（54） 4.1.6 倒角（55） 4.1.7 抛光（55） 4.2 晶圆的清洗、质量检测及包装（58） 4.2.1 晶圆的清洗（58） 4.2.2 晶圆的质量检测（59） 4.2.3 包装（60） ·Ⅵ· 4.2.4 追求更大直径晶圆的原因（60） 小结（61） 第5章薄膜制备（62） 5.1氧化法制备二氧化硅膜（62） 5.1.1二氧化硅的性质（62） 5.1.2二氧化硅的作用（63） 5.1.3热氧化法制备二氧化硅膜（63） 5.1.4二氧化硅膜的检测（65） 5.2化学气相沉积法制备薄膜（67） 5.2.1化学气相沉积概述（67） 5.2.2化学气相沉积的主要反应类型（67） 5.2.3化学气相沉积反应的激活能（69） 5.2.4几种薄膜的CVD制备（70） 5.3物理气相沉积法制备薄膜（71） 5.4金属化及平坦化（72） 5.4.1金属化（72） 5.4.2平坦化（74） 小结（76） 第6章金属有机物化学气相沉积（77） 6.1金属有机物化学气相沉积概述（77） 6.1.1金属有机物化学气相沉积简介（77） 6.1.2金属有机物化学气相沉积反应机理（77） 6.2金属有机物化学气相沉积设备（80） 6.2.1金属有机物化学气相沉积设备的组成（80） 6.2.2典型设备的介绍（81） 6.3金属有机物化学气相沉积工艺控制和半导体薄膜的生长（85） 6.4金属有机物化学气相沉积生长的半导体薄膜质量检测（87） 6.4.1X射线衍射（87） 6.4.2光致发光（87） 6.4.3原子力显微镜（88） 6.4.4扫描电子显微镜（89） 6.4.5Hall效应测试（89） 小结（89） 第7章光刻（90） 7.1光刻概述（90） 7.1.1光刻的特点及要求（90） 7.1.2光刻胶（91） 7.1.3光刻板（93） 7.1.4曝光方式（93） 7.2光刻工艺（96） 7.2.1光刻前的晶圆处理（96） ·Ⅶ· 7.2.2涂光刻胶（97） 7.2.3前烘（98） 7.2.4对准（99） 7.2.5曝光（100） 7.2.6显影（102） 7.2.7检查（104） 7.2.8坚膜（105） 7.2.9刻蚀（105） 7.2.10去胶（105） 小结（106） 第8章刻蚀（107） 8.1刻蚀技术概述（107） 8.1.1刻蚀技术的发展（107） 8.1.2刻蚀工艺（107） 8.1.3刻蚀参数（108） 8.1.4超大规模集成电路对图形转移的要求（110） 8.2干法刻蚀（111） 8.2.1刻蚀作用（112） 8.2.2电势分布（113） 8.3等离子体刻蚀（114） 8.3.1等离子体的形成（114） 8.3.2常见薄膜的等离子刻蚀（115） 8.3.3等离子体刻蚀设备（119） 8.4反应离子刻蚀与离子束溅射刻蚀（120） 8.4.1反应离子刻蚀（120） 8.4.2离子束溅射刻蚀（121） 8.5湿法刻蚀（122） 8.5.1硅的湿法刻蚀（122） 8.5.2二氧化硅的湿法刻蚀（123） 8.5.3氮化硅的湿法刻蚀（124） 8.5.4铝的湿法刻蚀（124） 小结（125） 第9章掺杂（126） 9.1热扩散（126） 9.1.1扩散概述（126） 9.1.2扩散形式（126） 9.1.3常用杂质的扩散方法（127） 9.1.4杂质扩散后结深和方块电阻的测量（128） 9.2离子注入技术（131） 9.2.1离子注入技术概述（131） ·Ⅷ· 9.2.2离子注入设备（132） 9.2.3注入离子的浓度分布与退火（134） 小结（136） 第10章封装（137） 10.1封装概述（137） 10.1.1封装的作用（137） 10.1.2封装的分类（137） 10.1.3常见的封装形式（138） 10.2封装工艺（139） 10.2.1封装工艺流程（139） 10.2.2封装材料（140） 10.3互连方法（142） 10.3.1引线键合（142） 10.3.2载带自动键合（144） 10.3.3倒装芯片（146） 10.4先进封装方法（149） 10.4.1多芯片组件（149） 10.4.2三维封装（149） 10.4.3芯片尺寸封装（150） 10.4.4系统级封装（151） 小结（151） 参考文献（152） ·Ⅸ· 第1章半导体芯片制造概述 半导体产业是目前世界上发展最快、最具影响力的产业之一，半导体产业的发展不仅带来了世界经济与技术的飞速发展，而且也带来了整个社会的深刻变革，从日常使用的手机到航天飞机，处处都有半导体产品的身影。 1.1半导体工业发展概述 1.电信号处理工业的诞生 1904年，弗莱明在真空中加热的电丝前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。他把这种装有两个极的电子管称为二极管，利用新发明的电子管，可以给电流整流。 1906年，德佛瑞斯特在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管。真空管有三个元件，由一个栅极和