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1、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) + Si
2、O2(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
3、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
4、,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
5、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
6、.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
7、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,
