制造芯片硅晶體原理和過程方法

1、關(guān)于制造芯片的硅晶體的原理和過程方法第1頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 基本概念 1.什么是硅晶體 2.什么是芯片二制造芯片的原理和過程方法 1.原理 2.過程和方法三芯片的發(fā)展第2頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四一基本概念 1.什么是硅晶體 硅在元素周期表中是第主族元素，它的原子最外層有四個電子，所以硅在化合物中呈四價。半導(dǎo)體硅主要有多晶硅和單晶硅，在單晶硅中所有的硅原子按一定規(guī)律整齊排列，結(jié)構(gòu)完全是金剛石型的。每個原子和鄰近的四個原子以共價鍵結(jié)合。組成一個正四面體，每個硅原子可以看成是四面體第3頁，共25頁，2022年，5月20日，12

2、點10分，星期四的中心。常壓下，金剛石構(gòu)型的硅在低于1414時是穩(wěn)定的。所以通常用的硅都是單晶硅 用掃描隧道顯向鏡觀察到的硅晶體表面的原子排列(Si(m)7結(jié)構(gòu))第4頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 硅的價電子分布是3S3P。一個3S軌道上的電子激發(fā)到3P軌道上形成新的SP雜化軌道。硅原子的雜化軌道決定了硅晶體必為金剛石結(jié)構(gòu)。四個最鄰近的原子構(gòu)成四面體，硅晶體中所有的價電子束縛在共價鍵上沒有自由移動的電子，不能導(dǎo)電。只有當電子激發(fā)脫離共價鍵，成了自由移動的電子才能導(dǎo)電激發(fā)脫離共共價鍵的電子越多導(dǎo)電性越強，這也就是半導(dǎo)體性。 第5頁，共25頁，2022年，5月20日，1

3、2點10分，星期四2 什么是芯片 芯片，準確地說就是硅片，也叫集成電路。是微電子技術(shù)的主要產(chǎn)品。所謂微電子是相對強電弱電等概念而言的。指他處理的電子信號極其微小。它是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。計算機芯片是一種用硅材料制成的薄片，大小僅有手指甲的一半。一個芯片是有幾百個微電路連在一起的，體積很小，第6頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 在芯片上布滿了產(chǎn)生脈沖電流的微電路。計算機內(nèi)的電路很小，使用的電流也很小所以也稱芯片為微電子器件。 微型計算機中的主要芯片有微處理芯片、接口芯片、存儲器芯片等。制造芯片的硅晶體的原理和過程方法 1 原理 硅片的平整度、表面顆粒度、委屈電阻率均勻性

4、控制第7頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 等方面對芯片的功能和成品率都有很大影響。 如果硅片的平整度不夠，由于光的衍射作用，線條的精確度無法保證而且硅片中央與邊沿的光刻精度一致性會變差。 硅片表面硅片表面吸附的微小雜質(zhì)顆粒，我們無法用肉眼發(fā)現(xiàn)，必須借助電子顯微鏡在暗場下觀察。暗場下的亮點象天上的星星一樣，它是芯片的天敵，可以導(dǎo)致器件失效，嚴重影響器件的可靠性。微小雜質(zhì)顆粒的來源主要是化學(xué)試劑、氣體及環(huán)境。第8頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 硅晶體的提純 正是由于低純度的硅對芯片的功能和成品率有如此重大的影響，所以工業(yè)生產(chǎn)就要求高純硅，以滿足

5、器件質(zhì)量的需求。在半導(dǎo)體材料的提純工藝流程中，一般說來，化學(xué)提純在先， 物理提純在后。原因是：一方面化學(xué)提純可以從低純度的原料開始，而物理提純必須使用具有較高純度的原料；另一方面是化學(xué)提純難免引入化學(xué)試劑的污染，而物理提純則沒有這些污染。 工業(yè)硅，一般指95% 99%純度的硅 ，又稱粗硅，或稱結(jié)晶硅。這種硅是石英砂在電爐中用碳還原方法冶煉而成的，其反應(yīng)式為：第9頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 工業(yè)硅中所含雜質(zhì)主要有Fe、Al、C、B、P、Cu 等， 其中Fe 含量最多。工業(yè)硅的純化最常用的方法是酸浸（酸洗）。第10頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，

6、星期四 由石英砂（SiO2）制備多晶硅的流程：第11頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 在粗四氯化硅中含有雜質(zhì)如硼、磷、鈦、鐵、銅等的氯物， 提純的目的就是最大限度的出去這些雜質(zhì)。常用精餾提純。 在粗四氯化硅中含有雜質(zhì)如硼、磷、鈦、鐵、銅等的氯物， 提純的目的就是最大限度的出去這些雜質(zhì)。常用精餾提純。 在11001200 C 下還原 SiHCl3 沉積多晶硅，也是目前多晶硅材料生產(chǎn)的主要方法。因為氫氣易于凈化，而且在硅中的溶解度極低。反應(yīng)方程式為： 2 芯片的制造 要在大約5 平方毫米的薄硅片上制作數(shù)百個電路，需要非常精密的生產(chǎn)技術(shù)。芯片上的元件是用微米測量的，定位時的

7、精密度為1-2 毫米。芯片是在超凈化的工廠內(nèi)，使用由具有 第12頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四專門技術(shù)的計算機控制的機器制造的。在制造過程中需要用高倍顯微鏡對芯片進行觀察。 制造芯片時，將元件和電路連線置于硅片的表面和內(nèi)部，形成9-10 個不同的層次。在真空中生成圓柱形的純硅晶體，然后將其切成0.5 毫米厚的圓片，將圓片的表面磨得極其光滑。利用存儲在電子計算機存儲器里的電路設(shè)計程序，為芯片的各層制造一組“光掩?！保@種掩模是正方形的玻璃。用照相處理的辦法或電子流平板印刷技術(shù)將每一層的電路圖形印在每一塊玻璃掩模式上，因而玻璃僅有部分透光。當上述圓片被徹底清洗干凈后，再

8、放入灼熱的氧化爐內(nèi)，使其表面生成二氧化硅薄絕緣層。然后再涂上一層軟的易感光的塑料（稱為光刻膠或光致第13頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四抗蝕劑）。將掩模放在圓片的上方，使紫外線照射在圓片上，使沒有掩模保護的光刻膠變硬。用酸腐蝕掉沒有曝光部分的光刻膠及其下面的二氧化硅薄層，裸露的硅區(qū)部分再做進一步處理。 用離子植入法將摻雜物摻入硅中構(gòu)成元件的n 型和p型部分，在硅片上形成元件。第14頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四此時硅片上部是鋁連接層，兩層連接層之間被二氧化硅絕緣層隔開。鋁連接層由蒸發(fā)工藝生成， 有掩模確定它的走線。 當整個制造過程完成以后，

9、使用電探針對每一個芯片進行檢驗。將不合格的產(chǎn)品淘汰， 其它產(chǎn)品進行封裝后在不同溫度及環(huán)境條件下的檢驗，最終成為出廠的芯片。三 芯片的發(fā)展 19501960 年的空中競爭非常激烈。美國為了在飛船有限的空間內(nèi)做更多的事要求設(shè)備的體積小而再小，以便在很小的空間內(nèi)能裝更多的電子設(shè)備，從而發(fā)展芯片。許多生產(chǎn)者很快利用芯片體積小，消耗電流少的優(yōu)點，進一步生產(chǎn)了微型計算器和微型計算機。自從第一臺電子管計算機發(fā)明后，1974 年，三個美國科學(xué)家巴丁、肖克萊和布拉坦發(fā)明了晶體管。最早的晶體管是用鍺半導(dǎo)體制成的，后來才使用第15頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四硅半導(dǎo)體晶體管。大約1953

10、 年晶體管才開始用于計算機。1958 年在美國得克薩斯儀器公司工作的美國人杰克吉爾比提出將兩個晶體管放在一片芯片上的設(shè)想，從而發(fā)明了第一個集成電路。隨著技術(shù)進步，集成電路規(guī)模越來越大，功能越來越強。 現(xiàn)在的計算機要靠硅芯片。硅芯片所記錄的信息是被描述上去的。硅芯片愈小，精確地記錄信息就愈難。但是，晶體芯片能夠以容納電荷的形式容納信息，并且能夠更加有效地編排信息?；怂拐f，利用這種分子技術(shù)所生產(chǎn)的芯片體積小得 第16頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四像塵粒一樣。他還說：“你一走進房間，它就可以把電視調(diào)到你最喜歡的頻道上。也就是說，免得你來來回回操縱鼠標而患腕關(guān)節(jié)不適之綜合

11、癥狀，把你的手指變成了鼠標。” 在半導(dǎo)體制造業(yè)發(fā)展的幾十年中，硅原料本身的自然屬性一直沒有對芯片運行速度的等方面對行騙的功能和成品率都有很大影響。 提高產(chǎn)生任何阻礙作用。但是，隨著芯片制造技術(shù)的不斷改進，硅原料自身的一些不足之處逐漸成為了芯片運行速度進一步提高的絆腳石。為此涌現(xiàn)出一系列的制程技術(shù)用來改進這種狀況，包括銅互連（copper interconnects）技術(shù)，低介電薄膜（low-k dielectrics）技術(shù)和硅晶絕緣體（silicon on insulator，SOI）技術(shù)等等。第17頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四其中銅互連技術(shù)用于提高速度，而另外兩

12、項技術(shù)主要用于控制電能泄漏和減少電能需求（由于更有效的利用了電能，從而降低了芯片的發(fā)熱量，這也同樣有助于運行速度的提升）。盡管有了這些技術(shù)，但是許多年來，制作芯片的硅襯底本身在本質(zhì)特性上并未發(fā)生任何變化。目前在一些實驗中采用了單一同位素硅（100 的硅28，沒有 摻雜任何硅29 和硅30 的成分， 該材料號稱“最純潔的硅元”）做原料，大大改善了芯片的發(fā)熱和能耗問題。盡管這種純同位素材料與現(xiàn)在的混和同位素材料相比能夠帶來高達60%的性能提升，但是其高昂的制造成本也使得該材料被大規(guī)模使用的可能性變得微乎其微。第18頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 幾十年來，全球電子業(yè)制造

13、半導(dǎo)體芯片都是采用傳統(tǒng)的硅晶體材料，硅芯片的概念在人們頭腦中已經(jīng)根深蒂固。但實際上，采用硅晶體制造芯片工藝十分復(fù)雜，制造成本也非常昂貴。因此，半導(dǎo)體芯片的售價多年來一直居高不下。為了解決這一問題，科學(xué)家們千方百計另辟蹊徑，尋找硅晶體的替代物來制造電子芯片。塑料芯片的出現(xiàn)令電子業(yè)界為之一振。 最近，科學(xué)家已經(jīng)成功地利用成本低廉的塑料來取代用于制造集成電路芯片的硅晶體。這是一項歷史性的突破。而目前在大規(guī)模量產(chǎn)中真正可行的改進方案就是應(yīng)變硅技術(shù)。其基本原理是:如果能夠迫使硅原子的間距加大，就可以第19頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四減小電子通行所受到的阻礙，也就相當于減小了電阻，這樣一來發(fā)熱量和能耗都會降低，而運行速度則得以提升。而實現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵是能否找到一種成本相對較低， 可大規(guī)模應(yīng)用的方法來加大硅原子距。 右圖是硅與硅鍺兩種材料的晶格對比?？梢钥吹?，通過向硅原料中摻入鍺的方式可以擴大原子距，這就是IBM 開發(fā)的鍺原料.第20頁，共25頁，2022年，5月20日，12點10分，星期四 這種材料又稱作“應(yīng)變硅”（“strained” silicon）。 右圖即是純硅在發(fā)生原子間力應(yīng)變后晶體結(jié)構(gòu)線性擴張的示意圖 而作為晶狀硅雛形的非晶硅，雖然價格也比較低廉，但由于晶狀硅芯片與非晶狀硅芯片都很硬脆、易碎、比重大，都不是可供消費電子產(chǎn)品選擇的佳品。因此取代非晶硅