《功能材料制備與成形》課件第九章 半導(dǎo)體硅片的制造技術(shù)

1、第 九 章 半導(dǎo)體材料制造技術(shù)硅和硅片的制造9.1 集成時(shí)代9.1 集成電路概述電子管晶體管集成電路9.2 半導(dǎo)體級硅的制備過程用來制造芯片的硅材料稱為半導(dǎo)體級硅。其純度為99.9999999%。半導(dǎo)體級硅（Semiconductor Grade Silicon, SGS）：半導(dǎo)體級硅的純度要求：含少于百萬分之二的碳元素；少于十億分之（ppb）級III、V族元素（摻雜元素），9.2 半導(dǎo)體級硅的制備過程半導(dǎo)體級硅的制造步驟：9.2 半導(dǎo)體級硅的制備過程半導(dǎo)體級硅的制造步驟：第一步：在還原氣體中，通過加熱含碳的硅石（SiO2），來制造冶金級的硅。SiC (固) + SiO2(固) Si（液） +

2、 SiO2（氣）+ CO(氣) 冶金級硅的純度為98%，這種純度不能用于制造芯片，9.2 半導(dǎo)體級硅的制備過程半導(dǎo)體級硅的制造步驟：第二步：將冶金級硅粉碎，并通過化學(xué)反應(yīng)生成含硅的三氯硅烷。Si (液) + HCl(氣) SiHCl3（氣） + H2（氣）9.2 半導(dǎo)體級硅的制備過程半導(dǎo)體級硅的制造步驟： 含硅的三氯硅烷再經(jīng)過一次化學(xué)氫氣還原過程，其純度可達(dá)到99.9999999%半導(dǎo)體級硅。第三步：SiHCl3 (氣) + H2(氣) Si（固） + HCl（氣）9.2 半導(dǎo)體級硅的制備過程半導(dǎo)體級硅的制造步驟： 第三步是在一個(gè)稱為西門子反應(yīng)器中進(jìn)行，這種工藝又稱為西門子工藝。 將SiHCl

3、3氣體與H2氣體一起通入西門子反應(yīng)器中，然后在加熱的超純硅棒（硅棒溫度為1100 左右）上，經(jīng)過幾天的化學(xué)反應(yīng)，得到高純硅。為什么需要半導(dǎo)體級單晶硅？9.3、單晶硅的生長：為什么需要半導(dǎo)體級單晶硅？1、首先為什么用硅Si？而沒有選擇鍺（Ge） Ge是20世紀(jì)40年代和50年代第一個(gè)用于半導(dǎo)體的材料，但是它被后來的Si所替代，其原因：1） 硅的儲量大，占地球各種元素的25%；2）更高的熔點(diǎn)（1412 ，Ge 937 ），允許更高的工藝容限3）更寬的工作溫度范圍4）氧化硅的自然生成 SiO2具有與Si相似的機(jī)械性能，并保護(hù)Si不受污染為什么需要半導(dǎo)體級單晶硅？5）單晶硅的（100）面有利于MOS器

4、件的開態(tài)與關(guān)態(tài)的閾值電壓；6）單晶硅的（111）面為密排面，生長速度最快，經(jīng)常用于雙極器件；7）砷化鎵技術(shù)用（100）晶面硅摻雜：1）純硅狀態(tài)的硅在半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用極少；2）一般需要經(jīng)過摻雜來改變純硅的電阻率3）例如純硅的電阻率接近 2.5X105-cm。如果每一百萬個(gè)硅原子中有一個(gè)硅原子被一個(gè)砷原子取代，其電阻率將下降到0.2 -cm ，電導(dǎo)率增加了1250000倍硅摻雜149.3、單晶硅的生長： 將半導(dǎo)體級的多晶硅轉(zhuǎn)化成一塊大尺寸的單晶硅，即所謂硅錠。9.3.1 CZ法Czochralski法 CZ是目前普遍應(yīng)用的方法，是20世紀(jì)90年代初期才出現(xiàn)的方法。 將熔化的高純硅轉(zhuǎn)化成具有正確晶體取

5、向的，且被摻雜的n型和p型固體硅錠。 85%以上的硅錠是采用該方法制造的。159.3.1 CZ法Czochralski法單晶爐示意圖摻雜： 摻雜元素（B或P）在拉單晶之前加入硅溶液中 拉單晶169.3.2 區(qū)熔煉法：區(qū)熔煉爐示意圖 區(qū)熔煉法所生產(chǎn)的硅錠含氧量非常低，它是20世紀(jì)50年代發(fā)明的。該法所生產(chǎn)的硅單晶純度最高。 該方法不需要坩堝，所以純度高，主要生產(chǎn)125mm的硅片。179.3.3 硅錠尺寸：硅錠尺寸由1950年代的25mm, 增加到300mm.189.4 硅片制備9.4.1 整形去兩端徑向研磨定位邊研磨9.4.1 整形9.4.2 切片9.4.3 磨片和倒角9.4.4 刻蝕9.4.5

6、 拋光（化學(xué)機(jī)械平整化）For 200mm Si plate ： 僅對上表面拋光，下表面保留化學(xué)刻蝕后表面，便于運(yùn)輸。For 300mm Si plate ： 雙面拋光。9.4.6 清洗所有硅片必須經(jīng)過清洗，才能送芯片生產(chǎn)車間。9.4.7 硅片檢驗(yàn)9.4.8 包裝片架放在充氮?dú)獾拿芊夂袃?nèi)，避免氧化和污染。9.5 質(zhì)量檢查9.5.1 物理尺寸直徑、厚度、晶向位置和尺寸。9.5.2 平整度9.5.3 微粗糙度 微粗糙度是實(shí)際表面與規(guī)定平面的粗糙度小數(shù)值范圍的篇差。 微粗糙度非常重要，因?yàn)樵谛酒圃爝^程中，它對于表面介質(zhì)層的擊穿有很大影響。平整度是硅片的主要常數(shù)之一。9.5 MOS 集成電路的制備簡介 MOS集成電路是以金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)晶體管為主要元件構(gòu)成的集成電路。9.5 CMOS 集成電路的制備簡介9.5 MOS 集成電路的制備簡介9.5 MOS 集成電路的制備簡介主要完成：氧化、擴(kuò)散、沉積、退火9.5 MOS 集成電路的制備簡介在硅片上沒有光刻膠的條件下，在硅片上進(jìn)行圖形的制作的工藝9.5 MOS 集成電路的制備簡介主要的作用： 對硅片進(jìn)行摻雜，如： 砷、 P、 B 等元素的摻雜9.5 MOS 集成電路的制備簡介