制造芯片的硅晶体的原理和过程方法ppt课件

1、制造芯片的硅晶体的原理和过程方法 王晓艳. 根本概念 1.什么是硅晶体 2.什么是芯片二制造芯片的原理和过程方法 1.原理 2.过程和方法三芯片的开展.一根本概念 1.什么是硅晶体 硅在元素周期表中是第主族元素，它的原子最外层有四个电子，所以硅在化合物中呈四价。半导体硅主要有多晶硅和单晶硅，在单晶硅中一切的硅原子按一定规律整齐陈列，构造完全是金刚石型的。每个原子和临近的四个原子以共价键结合。组成一个正四面体，每个硅原子可以看成是四面体.的中心。常压下，金刚石构型的硅在低于1414时是稳定的。所以通常用的硅都是单晶硅 用扫描隧道显向镜察看到的硅晶体外表的原子陈列(Si(m)7构造). 硅的价电子

2、分布是3S3P。一个3S轨道上的电子激发到3P轨道上构成新的SP杂化轨道。硅原子的杂化轨道决议了硅晶体必为金刚石构造。四个最临近的原子构成四面体，硅晶体中一切的价电子束缚在共价键上没有自在挪动的电子，不能导电。只需当电子激发脱离共价键，成了自在挪动的电子才干导电激发脱离共共价键的电子越多导电性越强，这也就是半导体性。 .2 什么是芯片 芯片，准确地说就是硅片，也叫集成电路。是微电子技术的主要产品。所谓微电子是相对强电弱电等概念而言的。指他处置的电子信号极其微小。它是现代信息技术的根底。计算机芯片是一种用硅资料制成的薄片，大小仅有手指甲的一半。一个芯片是有几百个微电路连在一同的，体积很小，. 在

3、芯片上布满了产生脉冲电流的微电路。计算机内的电路很小，运用的电流也很小所以也称芯片为微电子器件。 微型计算机中的主要芯片有微处置芯片、接口芯片、存储器芯片等。制造芯片的硅晶体的原理和过程方法 1 原理 硅片的平整度、外表颗粒度、冤枉电阻率均匀性控制. 等方面对芯片的功能和废品率都有很大影响。 假设硅片的平整度不够，由于光的衍射作用，线条的准确度无法保证而且硅片中央与边沿的光刻精度一致性会变差。 硅片外表硅片外表吸附的微小杂质颗粒，我们无法用肉眼发现，必需借助电子显微镜在暗场下察看。暗场下的亮点象天上的星星一样，它是芯片的天敌，可以导致器件失效，严重影响器件的可靠性。微小杂质颗粒的来源主要是化学

4、试剂、气体及环境。. 硅晶体的提纯 正是由于低纯度的硅对芯片的功能和废品率有如此艰苦的影响，所以工业消费就要求高纯硅，以满足器件质量的需求。在半导体资料的提纯工艺流程中，普通说来，化学提纯在先， 物理提纯在后。缘由是：一方面化学提纯可以从低纯度的原料开场，而物理提纯必需使器具有较高纯度的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染，而物理提纯那么没有这些污染。 工业硅，普通指95% 99%纯度的硅 ，又称粗硅，或称结晶硅。这种硅是石英砂在电炉中用碳复原方法冶炼而成的，其反响式为：. 工业硅中所含杂质主要有Fe、Al、C、B、P、Cu 等， 其中Fe 含量最多。工业硅的纯化最常用的方法是酸浸酸

5、洗。. 由石英砂SiO2制备多晶硅的流程：. 在粗四氯化硅中含有杂质如硼、磷、钛、铁、铜等的氯物， 提纯的目的就是最大限制的出去这些杂质。常用精馏提纯。 在粗四氯化硅中含有杂质如硼、磷、钛、铁、铜等的氯物， 提纯的目的就是最大限制的出去这些杂质。常用精馏提纯。 在11001200 C 下复原 SiHCl3 堆积多晶硅，也是目前多晶硅资料消费的主要方法。由于氢气易于净化，而且在硅中的溶解度极低。反响方程式为： 2 芯片的制造 要在大约5 平方毫米的薄硅片上制造数百个电路，需求非常精细的消费技术。芯片上的元件是用微米丈量的，定位时的精细度为1-2 毫米。芯片是在超净化的工厂内，运用由具有 .专门技

6、术的计算机控制的机器制造的。在制造过程中需求用高倍显微镜对芯片进展察看。 制造芯片时，将元件和电路连线置于硅片的外表和内部，构成9-10 个不同的层次。在真空中生成圆柱形的纯硅晶体，然后将其切成0.5 毫米厚的圆片，将圆片的外表磨得极其光滑。利用存储在电子计算机存储器里的电路设计程序，为芯片的各层制造一组“光掩模，这种掩模是正方形的玻璃。用照相处置的方法或电子流平板印刷技术将每一层的电路图形印在每一块玻璃掩方式上，因此玻璃仅有部分透光。当上述圆片被彻底清洗干净后，再放入灼热的氧化炉内，使其外表生成二氧化硅薄绝缘层。然后再涂上一层软的易感光的塑料称为光刻胶或光致.抗蚀剂。将掩模放在圆片的上方，使

7、紫外线照射在圆片上，使没有掩模维护的光刻胶变硬。用酸腐蚀掉没有曝光部分的光刻胶及其下面的二氧化硅薄层，裸露的硅区部分再做进一步处置。 用离子植入法将掺杂物掺入硅中构成元件的n 型和p型部分，在硅片上构成元件。.此时硅片上部是铝衔接层，两层衔接层之间被二氧化硅绝缘层隔开。铝衔接层由蒸发工艺生成， 有掩模确定它的走线。 当整个制造过程完成以后，运用电探针对每一个芯片进展检验。将不合格的产品淘汰， 其它产品进展封装后在不同温度及环境条件下的检验，最终成为出厂的芯片。三 芯片的开展 19501960 年的空中竞争非常猛烈。美国为了在飞船有限的空间内做更多的事要求设备的体积小而再小，以便在很小的空间内能

8、装更多的电子设备，从而开展芯片。许多消费者很快利用芯片体积小，耗费电流少的优点，进一步消费了微型计算器和微型计算机。自从第一台电子管计算机发明后，1974 年，三个美国科学家巴丁、肖克莱和布拉坦发明了晶体管。最早的晶体管是用锗半导体制成的，后来才运用.硅半导体晶体管。大约1953 年晶体管才开场用于计算机。1958 年在美国得克萨斯仪器公司任务的美国人杰克吉尔比提出将两个晶体管放在一片芯片上的想象，从而发明了第一个集成电路。随着技术提高，集成电路规模越来越大，功能越来越强。 如今的计算机要靠硅芯片。硅芯片所记录的信息是被描画上去的。硅芯片愈小，准确地记录信息就愈难。但是，晶体芯片可以以包容电荷

9、的方式包容信息，并且可以更加有效地编排信息。基克斯说，利用这种分子技术所消费的芯片体积小得 .像尘粒一样。他还说：“他一走进房间，它就可以把电视调到他最喜欢的频道上。也就是说，免得他来来回回支配鼠标而患腕关节不适之综合病症，把他的手指变成了鼠标。 在半导体制造业开展的几十年中，硅原料本身的自然属性不断没有对芯片运转速度的等方面对行骗的功能和废品率都有很大影响。 提高产生任何妨碍作用。但是，随着芯片制造技术的不断改良，硅原料本身的一些缺乏之处逐渐成为了芯片运转速度进一步提高的绊脚石。为此涌现出一系列的制程技术用来改良这种情况，包括铜互连copper interconnects技术，低介电薄膜lo

10、w-k dielectrics技术和硅晶绝缘体silicon on insulator，SOI技术等等。.其中铜互连技术用于提高速度，而另外两项技术主要用于控制电能走漏和减少电能需求由于更有效的利用了电能，从而降低了芯片的发热量，这也同样有助于运转速度的提升。虽然有了这些技术，但是许多年来，制造芯片的硅衬底本身在本质特性上并未发生任何变化。目前在一些实验中采用了单一同位素硅100 的硅28，没有 掺杂任何硅29 和硅30 的成分， 该资料号称“最纯真的硅元做原料，大大改善了芯片的发热和能耗问题。虽然这种纯同位素资料与如今的混和同位素资料相比可以带来高达60%的性能提升，但是其高昂的制造本钱也使

11、得该资料被大规模运用的能够性变得微乎其微。. 几十年来，全球电子业制造半导体芯片都是采用传统的硅晶体资料，硅芯片的概念在人们头脑中曾经根深蒂固。但实践上，采用硅晶体制造芯片工艺非常复杂，制造本钱也非常昂贵。因此，半导体芯片的售价多年来不断居高不下。为理处理这一问题，科学家们千方百计另辟蹊径，寻觅硅晶体的替代物来制造电子芯片。塑料芯片的出现令电子业界为之一振。 最近，科学家曾经胜利地利用本钱低廉的塑料来取代用于制造集成电路芯片的硅晶体。这是一项历史性的突破。而目前在大规模量产中真正可行的改良方案就是应变硅技术。其根本原理是:假设可以迫使硅原子的间距加大，就可以.减小电子通行所遭到的妨碍，也就相当于减小了电阻，这样一来发热量和能耗都会降低，而运转速度那么得以提升。而实现该技术的关键是能否找到一种本钱相对较低， 可大规模应用的方法来加大硅原子距。 右图是硅与硅锗两种资料的晶格对比。可以看到，经过向硅原料中掺入锗的方式可以扩展原子距，这就是IBM 开发的锗原料.