制造芯片的硅晶体的原理和过程方法

制造芯片的硅晶体的原理和过程方法王晓艳

基本概念

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发展一基本概念1.什么是硅晶体硅在元素周期表中是第Ⅳ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，在单晶硅中所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全是金刚石型的。每个原子和邻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

用扫描隧道显向镜观察到的硅晶体表面的原子排列(Si(m)７×7结构)硅的价电子分布是3S²3P²。一个3S轨道上的电子激发到3P轨道上形成新的SP³杂化轨道。硅原子的杂化轨道决定了硅晶体必为金刚石结构。四个最邻近的原子构成四面体，硅晶体中所有的价电子束缚在共价键上没有自由移动的电子，不能导电。只有当电子激发脱离共价键，成了自由移动的电子才能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。指他处理的电子信号极其微小。它是现代信息技术的基础。计算机芯片是一种用硅材料制成的薄片，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起的，体积很小，在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，使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理芯片、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、表面颗粒度、委屈电阻率均匀性控制

等方面对芯片的功能和成品率都有很大影响。如果硅片的平整度不够，由于光的衍射作用，线条的精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。硅片表面硅片表面吸附的微小杂质颗粒，我们无法用肉眼发现，必须借助电子显微镜在暗场下观察。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成品率有如此重大的影响，所以工业生产就要求高纯硅，以满足器件质量的需求。在半导体材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯在先，物理提纯在后。原因是：一方面化学提纯可以从低纯度的原料开始，而物理提纯必须使用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，而物理提纯则没有这些污染。工业硅，一般指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还原方法冶炼而成的，其反应式为：

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（酸洗）。由石石英英砂砂（（SiO2）制制备备多多晶晶硅硅的的流流程程：：在粗粗四四氯氯化化硅硅中中含含有有杂杂质质如如硼硼、、磷磷、、钛钛、、铁铁、、铜铜等等的的氯氯物物，，提提纯纯的的目目的的就就是是最最大大限限度度的的出出去去这这些些杂杂质质。。常常用用精精馏馏提提纯纯。。在粗四氯氯化硅中中含有杂杂质如硼硼、磷、、钛、铁铁、铜等等的氯物物，提提纯的目目的就是是最大限限度的出出去这些些杂质。。常用精精馏提纯纯。在1100~1200C°°下还还原SiHCl3沉积多晶晶硅，也也是目前多晶硅硅材料生生产的主主要方法法。因为为氢气易易于净化化，而且在硅中中的溶解解度极低低。反应应方程式式为：2芯片片的制造造要在大约约5平平方毫米米的薄硅硅片上制制作数百百个电路路，需要要非常精精密的生生产技术术。芯片片上的元元件是用用微米测测量的，，定位时时的精密密度为1-2毫毫米。。芯片是是在超净净化的工工厂内，，使用由由具有专门技术术的计算算机控制制的机器器制造的。在在制造过过程中需需要用高高倍显微镜对对芯片进进行观察察。制制造芯片时，将将元件和和电路连连线置于于硅片的表面面和内部部，形成成9-10个个不同的层次次。在真真空中生生成圆柱柱形的纯硅晶晶体，然然后将其其切成0.5毫米厚的的圆片，，将圆片片的表面面磨得极其光光滑。利利用存储储在电子子计算机存储储器里的的电路设设计程序序，为芯芯片的各各层制造造一组““光掩模模”，这这种掩模模是正方方形的玻玻璃。用用照相处处理的办办法或电电子流平平板印刷刷技术将将每一层层的电路路图形印印在每一一块玻璃璃掩模式式上，因因而玻璃璃仅有部部分透光光。当上上述圆片片被彻底底清洗干干净后，，再放入入灼热的的氧化炉炉内，使使其表面面生成二二氧化硅硅薄绝缘缘层。然然后再涂涂上一层层软的易易感光的的塑料（（称为光光刻胶或或光致抗蚀剂））。将掩掩模放在在圆片的的上方，，使紫外外线照射射在圆片片上，使使没有掩掩模保护护的光刻刻胶变硬硬。用酸酸腐蚀掉掉没有曝曝光部分分的光刻刻胶及其其下面的的二氧化化硅薄层层，裸露露的硅区区部分再再做进一一步处理理。用用离子植植入法将将掺杂物物掺入硅硅中构成成元件的的n型型和p型型部分，，在硅片片上形成成元件。。此时硅片片上部是是铝连接接层，两两层连接接层之间间被二氧氧化硅绝绝缘层隔隔开。铝铝连接层层由蒸发发工艺生生成，有有掩模模确定它它的走线线。当当整个制制造过程程完成以以后，使使用电探探针对每每一个芯芯片进行行检验。。将不合合格的产产品淘汰汰，其其它产品品进行封封装后在在不同温温度及环环境条件件下的检检验，最最终成为为出厂的的芯片。。三芯芯片的发发展1950~1960年年的空空中竞争争非常激激烈。美美国为了了在飞船船有限的的空间内内做更多多的事要要求设备备的体积积小而再再小，以以便在很很小的空空间内能能装更多多的电子子设备，，从而发发展芯片片。许多多生产者者很快利利用芯片片体积小小，消耗耗电流少少的优点点，进一一步生产产了微型型计算器器和微型型计算机机。自从从第一台台电子管管计算机机发明后后，1974年年，三三个美国国科学家家巴丁、、肖克莱莱和布拉拉坦发明明了晶体体管。最最早的晶晶体管是是用锗半半导体制制成的，，后来才才使用硅半导体体晶体管管。大约约1953年晶体管管才开始始用于计计算机。。1958年在在美国得得克萨斯斯仪器公司工作作的美国国人杰克克吉尔比提出将将两个晶晶体管放放在一片芯片上上的设想想，从而而发明了第一个个集成电电路。随随着技术进步，，集成电电路规模模越来越大，功功能越来来越强。。现在的计计算机要要靠硅芯芯片。硅芯片所所记录的的信息是是被描述述上去的的。硅芯芯片愈小小，精确确地记录录信息就就愈难。。但是，，晶体芯芯片能够够以容纳纳电荷的的形式容容纳信息息，并且且能够更更加有效效地编排排信息。。基基克斯斯说，利利用这种种分子技技术所生生产的芯芯片体积积小得像尘粒一一样。他他还说：：“你一一走进房房间，它它就可以以把电视视调到你你最喜欢欢的频道道上。也也就是说说，免得得你来来来回回操操纵鼠标标而患腕腕关节不不适之综综合症状状，把你你的手指指变成了了鼠标。。”在半导体体制造业业发展的的几十年年中，硅硅原料本本身的自自然属性性一直没没有对芯芯片运行行速度的的等方面对对行骗的的功能和和成品率率都有很很大影响响。提高产生生任何阻阻碍作用用。但是是，随着着芯片制制造技术术的不断断改进，，硅原料料自身的的一些不不足之处处逐渐成成为了芯芯片运行行速度进进一步提提高的绊绊脚石。。为此涌涌现出一一系列的的制程技技术用来来改进这这种状况况，包括括铜互连连（copperinterconnects）技术术，低介介电薄膜膜（low-kdielectrics）技术术和硅晶晶绝缘体体（silicononinsulator，SOI）技技术等等等。其中铜互互连技术术用于提提高速度度，而另另外两项项技术主主要用于于控制电电能泄漏漏和减少少电能需需求（由由于更有有效的利利用了电电能，从从而降低低了芯片片的发热热量，这这也同样样有助于于运行速速度的提提升）。。尽管有有了这些些技术，，但是许许多年来来，制作作芯片的的硅衬底底本身在在本质特特性上并并未发生生任何变变化。目目前在一一些实验验中采用用了单一一同位素素硅（100％％的硅硅28，，没有掺掺杂任任何硅29和和硅30的成成分，该该材料料号称““最纯洁洁的硅元元”）做做原料，，大大改改善了芯芯片的发发热和能能耗问题题。尽管管这种纯纯同位素素材料与与现在的混混和同位位素材料料相比能能够带来来高达60%的的性能提提升，但但是其高高昂的制制造成本本也使得得该材料料被大规规模使用用的可能能性变得得微乎其其微。几十年来来，全球球电子业业制造半半导体芯芯片都是是采用传传统的硅硅晶体材材料，硅硅芯片的的概念在在人们头头脑中已已经根深深蒂固。。但实际际上，采采用硅晶晶体制造造芯片工工艺十分分复杂，，制造成成本也非非常昂贵贵。因此此，半导导体芯片片的售价价多年来来一直居居高不下下。为了了解决这这一问题题，科学学家们千千方百计计另辟蹊蹊径，寻寻找硅晶晶体的替替代物来来制造电电子芯片片。塑料料芯片的的出现令令电子业业界为之之一振。。最最近近，科学学家已经经成功地地利用成成本低廉廉的塑料料来取代代用于制制造集成成电路芯芯片的硅硅晶体。。这是一一项历史史性的突突破。而而目前在在大规模模量产中中真正可可行的改改进方案案就是应应变硅技技术。其其基本原原理是:如果能能够迫使使硅原子子的间距距加大，，就可以以减小电子子通行所所受到的的阻碍，，也就相当当于减小小了电阻阻，这样样一来发热热量和能能耗都会会降低，，而运行速速度则得得以提升升。而实实现该技技术的的关键键是能能否找找到一一种成本本相对对较低低，可可大大规模模应用的方方法来来加大大硅原原子距距。右图是是硅与与硅锗锗两种种材料料的晶晶格对比