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半导体材料制造技术 硅和硅片的制造,9.1 集成时代,9.1 集成电路概述,电子管,晶体管,集成电路,9.2 半导体级硅的制备过程,用来制造芯片的硅材料称为半导体级硅。其纯度为99.9999999%。,半导体级硅(Semiconductor Grade Silicon, SGS):,半导体级硅的纯度要求: 含少于百万分之二的碳元素; 少于十亿分之(ppb)级III、V族元素(掺杂元素),,9.2 半导体级硅的制备过程,半导体级硅的制造步骤:,9.2 半导体级硅的制备过程,半导体级硅的制造步骤:,第一步:,在还原气体中,通过加热含碳的硅石(SiO2),来制造冶金级的硅。,SiC (固) + SiO2(固) Si(液) + SiO2(气)+ CO(气),冶金级硅的纯度为98%,这种纯度不能用于制造芯片,,9.2 半导体级硅的制备过程,半导体级硅的制造步骤:,第二步:,将冶金级硅粉碎,并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷。,Si (液) + HCl(气) SiHCl3(气) + H2(气),9.2 半导体级硅的制备过程,半导体级硅的制造步骤:,含硅的三氯硅烷再经过一次化学氢气还原过程,其纯度可达到99.9999999%半导体级硅。,第三步:,SiHCl3 (气) + H2(气) Si(固) + HCl(气),9.2 半导体级硅的制备过程,半导体级硅的制造步骤:,第三步是在一个称为西门子反应器中进行,这种工艺又称为西门子工艺。,将SiHCl3气体与H2气体一起通入西门子反应器中,然后在加热的超纯硅棒(硅棒温度为1100 左右)上,经过几天的化学反应,得到高纯硅。,为什么需要半导体级单晶硅?,9.3、单晶硅的生长:,为什么需要半导体级单晶硅?,1、首先为什么用硅Si?而没有选择锗(Ge),Ge是20世纪40年代和50年代第一个用于半导体的材料,但是它被后来的Si所替代,其原因:,1) 硅的储量大,占地球各种元素的25%; 2)更高的熔点(1412 ,Ge 937 ),允许更高的工艺容限 3)更宽的工作温度范围 4)氧化硅的自然生成,SiO2具有与Si相似的机械性能,并保护Si不受污染,为什么需要半导体级单晶硅?,5)单晶硅的(100)面有利于MOS器件的开态与关态的阈值电压; 6)单晶硅的(111)面为密排面,生长速度最快,经常用于双极器件; 7)砷化镓技术用(100)晶面,硅掺杂:,1)纯硅状态的硅在半导体技术应用极少; 2)一般需要经过掺杂来改变纯硅的电阻率 3)例如纯硅的电阻率接近 2.5X105-cm。如果每一百万个硅原子中有一个硅原子被一个砷原子取代,其电阻率将下降到0.2 -cm ,电导率增加了1250000倍,硅掺杂,14,9.3、单晶硅的生长:,将半导体级的多晶硅转化成一块大尺寸的单晶硅,即所谓硅锭。,9.3.1 CZ法Czochralski法,CZ是目前普遍应用的方法,是20世纪90年代初期才出现的方法。,将熔化的高纯硅转化成具有正确晶体取向的,且被掺杂的n型和p型固体硅锭。 85%以上的硅锭是采用该方法制造的。,15,9.3.1 CZ法Czochralski法,单晶炉示意图,掺杂:,掺杂元素(B或P)在拉单晶之前加入硅溶液中,拉单晶,16,9.3.2 区熔炼法:,区熔炼炉示意图,区熔炼法所生产的硅锭含氧量非常低,它是20世纪50年代发明的。该法所生产的硅单晶纯度最高。,该方法不需要坩埚,所以纯度高,主要生产125mm的硅片。,17,9.3.3 硅锭尺寸:,硅锭尺寸由1950年代的25mm, 增加到300mm.,18,9.4 硅片制备,9.4.1 整形,去两端,径向研磨,定位边研磨,9.4.1 整形,9.4.2 切片,9.4.3 磨片和倒角,9.4.4 刻蚀,9.4.5 抛光(化学机械平整化),For 200mm Si plate : 仅对上表面抛光,下表面保留化学刻蚀后表面,便于运输。,For 300mm Si plate : 双面抛光。,9.4.6 清洗,所有硅片必须经过清洗,才能送芯片生产车间。,9.4.7 硅片检验,9.4.8 包装,片架放在充氮气的密封盒内,避免氧化和污染。,9.5 质量检查,9.5.1 物理尺寸,直径、厚度、晶向位置和尺寸。,9.5.2 平整度,9.5.3 微粗糙度,微粗糙度是实际表面与规定平面的粗糙度小数值范围的篇差。 微粗糙度非常重要,因为在芯片制造过程中,它对于表面介质层的击穿有很大影响。,平整度是硅片的主要常数之一。,9.5 MOS 集成电路的制备简介,MOS集成电路是以金属-氧化物-半导体(MOS)场效应晶体管为主要元件构成的集成电路。,9.5 CMOS 集成电路的制备简介,9.5 MOS 集成电路的制备简介,9.5 MOS 集成电路的制备简介,主要完成: 氧化、扩散、沉积、退火,9.5 MOS 集成电路的制备简介,在硅片上没有光刻胶的条件下,在硅片上进行图形的制作的工艺,9.5 MOS 集成电路的制备简介,主要的作用: 对硅片进行掺杂,如: 砷、 P、 B 等元素的掺杂,9.5 MOS 集成电路的制备简介,薄膜生长: 负责制作电介质层或金属。,9.5 MOS 集成电路的制备简介,光刻胶,9.5 MOS 集成电路的制备简介,9.5 MOS 集成电路的制备简介,9.5 MOS 集成电路的制备简介,9.5 MOS 集成电路的制备简介,
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