微电子工程-2教材

1微电子工程学第2章 电子器件微细加工的要求2第2章 电子器件微细加工的要求大规模和超大规模集成电路的成品率和可靠性一直是人们十分关心和追逐的指标。影响大规模集成电路成品率和可靠性的因素是很多的，包括设计、工艺和材料等诸因素。其中工艺因素，从广义来说，不仅是指电路制作过程中各工序的严格性、合理性和设备的先进性、完善性，而且还包括电路制作环境这一重要条件在内。3第2章 电子器件微细加工的要求即使对于中、小规模集成电路来说，材料和制作环境都是重要的物质基础。大规模、特别是超大规模集成电路对材料和制作环境提出了远较中、小规模电路苛刻的要求。这是因为随着电路图形的不断细微化，由材料质量和制作环境不完善性而引起的影响将愈益严重。4第2章 电子器件微细加工的要求

大量工艺实践业已表明，单晶材料的某些微缺陷，并不足以影响一般集成电路的成品率，但对于超大规模集成电路，却上升为至关重要的指标。再如直径小于0.5微米的灰尘粒子，对一般中、小规模集成电路的成品率并不构成严重的威胁，但对超大规模集成电路来说，0.5微米的尘粒已成为横在电路图形上的“大梁”了。5第2章 电子器件微细加工的要求大规模和超大规模集成电路的工艺基础是精细和超精细加工技术大规模和超大规模集成电路用的材料特点将是“超纯”电路的生产制作环境的特点将是“超净”。本章单就大规模和超大规模集成电路对所用主要材料和制作环境提出的特殊要求，作一概括论述和介绍。因为此两者极大地左右大规模和超大规模集成电路的成品率和可靠性。6第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.2超纯水2.3超纯气体和超纯试剂2.4对半导体材料的要求7第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求微电子器件制作工艺的完善性并不仅仅限于生产过程中每一道工序的严格性和合理性，还应包括极为洁净的制作环境这一重要条件在内。所谓制作环境，这里是指生产过程中的周围环境条件，诸如周围气氛条件（温度、湿度条件），特别是空气中灰尘或其它杂质粒子的浓度。8第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求

洁净的制作环境是制备任何微电子器件所必须具备的条件。这是因为各种微电子器件的制作过程，归根结底，是控制晶片（芯片）内部杂质类型和浓度的过程，也就是使晶片内部的各个微小区域出现人们所预期的杂质导电类型和杂质浓度。如果制作环境的空气中含有大量的尘埃和各种杂质粒子，那么在器件制作过程中就将有大量的、不可控的外来杂质进入晶片内部，破坏器件的结构。为此必须对制作环境进行净化，于是兴起了一门新的技术--净化技术。9第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求由于微电子器件具有非常高的集成度和极为精细的图形，任何细小的尘埃和不可溶的微粒，都足以影响其成品率和可靠性。另外，随着电路芯片面积的增大，遭受外来尘埃或杂质破坏的概率也随之增大。所以制作环境的洁净与否在很大程度上左右大规模和超大规模集成电路的成品率和可靠性。从1960年前后开始兴起的净化技术，到60年代后半期已日臻成熟。各集成电路制造厂家纷纷建立了所谓净化室和使用了净化工作台，这样才为大规模集成电路进入工业生产阶段创造了良好的前提。到70年代中期，随着净化技术的进一步发展完善，各种高效率新型净化设备的使用和超净工作环境的建立，才有可能迎来了超大规模集成电路的诞生。10第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求集成电路生产环境与控制技术，洁净技术又称微污染控制技术(MicrocontaminationControlTech.)生产环境分类

包括影响生产的有害物质，以及影响工作人员情绪和设备正常工作的因素11第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求12第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.1空气净化的必要性包围地球表面的大气层中充满了尘埃和各种杂质微粒；即使是被人们认为洁净的太平洋中央区域上空，每一升空气中的尘埃和微粒数目尚且高达20万个，而地面上空气的污染程度将是上述数字的100倍。对于一般的器件或中、小规模电路的制作，一般认为只有当尘粒的直径大于0.5微米时才会影响器件或电路的成品率。表2-1示出了地球上不同区域的空气污染情况。从表中可见：大城市空气污染程度比未遭受工业污染的农村大10倍以上。13第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.1空气净化的必要性表2-1污染比较表总尘粒数（个/升）0.5微米以上（个/升）5微米以上（个/升）400Km高空区10Km高空区大洋上空农村（非污染）城市（非污染）城市（污染）5,20035,000210,00017,700,0007202,50030,000177,000350,000

2828696914第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.1空气净化的必要性悬浮在空气中的尘粒主要是尘土、各种棉纺织品的绒毛、金属的硝屑、烟灰和油烟、人皮肤的细屑、微小的砂粒和包含微生物或细菌的颗粒质点等。即使是不含有杂质的尘粒，在电路整个制作过程中也会酿成灾难性的破坏作用。如在外延工序前或在外延过程中，晶片表面被尘粒沾污，则将严重地影响外延膜的质量，出现位错和层错一类的缺陷。如在扩散前，在待扩散的晶片上有不溶性的尘粒落在其上，那么经扩散工序后，电路中某些待制作的晶体管结构将遭受破坏。当晶片在氧化工序中被尘沾粘，那么氧化后在片子表面尘粒所在处将出现氧化膜针孔。特别是集成电路生产中要经历多次曝光，如果在光刻涂胶前或涂胶时晶片表面有不溶性尘粒沾污，则当曝光时，在尘粒下方的胶膜未经曝光，显影时将被溶去，再经腐蚀后在该处将形成针孔。15第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.1空气净化的必要性在制版时，由于尘粒的沾污，在掩模版上将留下小孔（针孔）；或者在透明处残留多余的微小黑点。只要一套版子中某一块掩模版上每一个电路图形的要害处皆残留一、二个微小的针孔或黑点，那么将有可能制不出一块合格的电路。如果空气中的尘粒含有有害杂质微粒，或者一些有害杂质微粒依附在灰尘、砂粒等一类尘粒上，那么显然将出现更大的危害性。对微电子器件的制备危害性最大的，是含有P2O5或纯粹是P2O5的微粒，以及包含各种金属离子，尤其是钠离子的微粒。由于现在农业用的磷化肥量大量增加，空气中含磷量也随之上升,对于微电子器件的制备更构成严重的威胁。由此可见，空气中尘粒的破坏作用几乎渗透到电路工艺的每一道工序中，因此对电路制作场所的空气进行净化和建立超净制作环境，已成为发展微电子技术的主要关键之一。16第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.2净化的等级1960年前后，为了军事工程的需要，美国首先研制和建立了适应电子工业和半导体器件发展需要的净化设备和净化室，并陆续拟订了衡量空气洁净度的等级标准。现在许多国家都沿用这些标准。表2-2是美国空军在早期制定的关于空气洁净度（净化室）的四级标准。按照各工序对空气洁净度的不同要求，它将洁净室分为四个等级。其中I级净化室是供装配一般电子设备和校正普通仪表用的；II级净化室是供装配比较精密的仪器、仪表用的；III级和IV级则是专供电子器件（包括集成电路）生产操作用的。17第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.2净化的等级表2-2净化室等级18第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.2净化的等级美国于1966年对净化室的净化等级进行了修改，将原先的四级标准改为三级，即100级、10,000级和100,000级三个级别。其中100级表示每一立方英尺空气中0.5微米直径的尘粒总数不超过100个（相当于每升空气中尘粒含量不超过3.5个）；10,000级表示每一立方英尺空气中超过0.5微米直径的尘粒总数不超过10,000个（相当于每升空气中尘粒含量不超过350个）;100,000级表示每一立方英尺空气中0.5微米直径的尘粒总数不超过100,000个（相当于每升空气中尘粒含量不超过3,500个）。由此而引伸的净化室级别尚有10级和1,000级（分别相当于每一立方英尺空气中尘粒数目不超过10个和1,000个，或者每升空气中尘粒含量不超过0.35个和35个）。19第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.2净化的等级表2-3是早期比较通用的美国联邦标准209a的主要内容。该标准对100级、10,000级和100,000级三个级别作了具体的规定。表中对湿度提出的要求是由于空气中尘粒的数目与湿度有关的缘故。后来发展的FS209d、209e在此基础上细化为1-10-100-1000和M1、M1.5、M2、M2.5---M7。表2-3美国联邦标准209a主要内容20第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.2净化的等级在微电子工业中，各个工序对净化的要求差别很大。表2-4是一般器件制作中各主要工序对净化室（或净化工作台）提出的大致要求。由表可见，要求最严格的是掩模版制备和光刻工艺。表2-4主要工序的净化要求21第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.2净化的等级在大规模集成电路制作中，必须严格地限制净化室内人员的活动。采用各种过滤器可以滤除从外部空间进入净化室的空气中尘粒，但人员的频繁活动会成为新的尘粒源，从人们的衣服里会不断地排出人皮肤的碎屑、绒毛或矿物的尘粒。特别是当进入净化室的人员穿戴非尼龙织物的衣帽时，情况更为严重。表2-5列出了操作或参观人员的不同动作而产生的尘粒数据。如果说制备中、小规模集成电路的场所尚且需要限制人员活动的话，那么对大规模和超大规模集成电路的制备来说，必须使净化室内操作人员减少到最低限度，而且严禁无关人员进入一些关键性工序的场所。从这点来说，自动化和封闭式的管道生产线，对于超大规模集成电路具有更重要的意义。22第2章 电子器件微细加工的要求2.1对环境的要求2.1.2净化的等级表2-5人的动作产生的尘粒数23第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水在干法工艺全面登上微电子工业舞台之前，超纯水仍将是制备超大规模集成电路的最重要辅助材料。因为在电路制作过程中，由于芯片极易沾染上尘埃和各种化学离子，而这些尘埃和化学离子对电路有极大的破坏作用。如果不设法除去，就不可能制造出一块合格的电路。特别是当集成度提高到一定程度后，一条1微米线度的尘埃就会破坏整块电路的机构。在芯片经受各种强酸性腐蚀剂腐蚀后，也必须设法除去残留在片子表面的腐蚀液。现在有效地消除芯片污染的办法是在每道工序前后都用超纯水冲洗芯片。显然，水的纯度直接决定了冲洗去污染的效果。在半导体和集成电路制造历史上，由于水质不纯而造成大批半成品报废的事例是很多的。发展到大规模和超大规模集成电路阶段后，超纯水更成为集成度提高的关键性材料。24第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水2.2.1水中常见的杂质所谓超纯水，就是指已设法将水中各种杂质减少到最低程度的水。普通的水（未经提纯的水）含有大量的杂质，主要有：1.尘粒：对于一般的集成电路，0.5微米以上的尘粒才会影响电路的成品率，但对于大规模和超大规模集成电路来说，0.3-0.5微米的尘粒也足以危及电路的制备。尘粒主要包括空气尘埃（尘土）、各种棉纺织品的绒毛、金属的碎屑、微小的砂粒、粉末、粘土和金属氧化物等。可以用微孔过滤器预先滤除水中的尘埃，但必须注意到，大规模和超大规模集成电路用的纯水制备应采用小孔径规格的微孔过滤器。应用通常的蒸馏法也能去除水中的一部分尘埃。25第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水2.2.1水中常见的杂质2.溶解的无机物：这类无机物以等量的阴离子和阳离子形式出现，其中阴离子如各种酸根（（SO4）2-、（NO3）-、（HCO3）-、（CO3）2-和氯离子（Cl-）；阳离子则多为各种金属离子，如K+、Na+、Ca++、Mg++、Fe++等。水中无机物的多少可以通过测量水的电阻率反映出来，而用离子交换法可以有效地去除这类无机物。3.溶解的有机物：这是指有机酸、有机碱、有机铁和碳水化合物一类物质。应用蒸馏法可消除一部分有机物质。4.微生物：这是指活的有机物质。主要有细菌、浮游生物等。可采用各种杀菌方法（如紫外线杀菌法、臭氧杀菌法）处理之。26第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.2超纯水的指标随着集成电路的日益微型化，对超纯水水质提出了愈来愈严格的要求。器件的微型化和水质的提高是互相促进的。随着水质检验技术的发展，以及反渗透、超过滤等先进工艺引入纯水制备过程，人们已不但能制取18兆超纯水，同时对非电解质也能采取一定办法去除，使超纯水制造工艺水平不断提高。目前还没有微电子工业超纯水水质的统一标准。许多国家都是借鉴ASTM的标准。经过多年的生产实践，人们对微电子工业用的超纯水的性能指标（标准）业已明确。一般认为应从以下六个方面对超纯水进行研究。27第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.2超纯水的指标1.电阻率：水的电阻率很灵敏地反映出溶解于水中的无机物质的数量。未经纯化处理的普通水，在室温下，其电阻率一般为0.003兆欧厘米。通过离子交换和电渗析或反渗透等方法，可以制造出微电子工业适用的、电阻率高于15兆欧厘米的高纯水。2.尘粒含量：一般要求每毫升超纯水中线度小于0.5微米的尘粒数量不超过130个。通常认为，造成集成电路性能破坏的微粒粒径为该电路相邻线条或元器件间距的五分之一到十分之一。因此一般要求超纯水中尘粒粒径小于集成电路相邻线距的十分之一。28第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.2超纯水的指标3.总电解质含量：通常在衡量纯水中电解质含量时，多以对电路危害最大的活动离子--钠离子或氯化钠的含量作为标准。采用反渗透、离子交换、活性炭和微孔过滤器纯化的高纯水，钠离子含量已可低达0.02ppb。一般集成电路用超纯水中氯化钠含量标准定为35ppb以下。表2-6列出采用不同纯化方法而得到的各种水中钠离子浓度。4.有机物：微电子工业用的超纯水中的有机物含量通常以二氧化碳生长量表示，应小于1ppb。5.溶解的气体：总量应不大于200ppm。6.微生物：每毫升微电子工业用超纯水中的微生物总个数应小于9个。29第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.2超纯水的指标表2-6采用不同纯化方法而得到的各种水中钠离子浓度。30第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.2超纯水的指标表2-7美国五家公司制订的集成电路工业用的超纯水技术标准31第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.3超纯水制造系统随着微电子工业对水质要求的提高，超纯水制造系统也在不断完善。除电阻率外，也着眼于对有机物、微粒和细菌的去除。图2-1为超纯水制造系统示意图。整个系统由一次系统和二次系统（后处理装置）组成。由于天然水中存在着铝、铁等金属的氢氧化物、高分子有机物等各种胶体及细小悬浊物微粒，为防止这些微粒堵塞反渗透膜而应对原水进行预处理，以大大减少这些胶体及细小悬浊物微粒的数量。预处理有加药（凝聚剂、助凝剂）、凝聚、沉淀、过滤、活性炭吸附、微孔膜过滤等。32第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.3超纯水制造系统图2－1超纯水制造系统原理框图

33第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.3超纯水制造系统经过预处理的水进入反渗透装置。反渗透装置在一次系统中是不可缺少的，使用它的目的是：除去原水中的尘粒、微生物、金属胶体、有机物等杂质以提高水质；利用它的脱盐能力，可减少离子交换装置的规模；可防止原水中的有机物对阴离子交换树脂的污染。一般常用25-30Kg/cm2左右（中压）的醋酸纤维素制成的管式膜作反渗透膜。应用离子交换装置可除去通过反渗透膜的盐类离子。应用一次纯水系统可除去原水中大部分有机物，得到电阻率10兆以上，微粒在每立方厘米1000个以下程度的水质。在二次纯水系统或终端装置中，普遍常用了紫外线杀菌和超过滤装置。紫外线可有效地杀死细菌。超过滤装置是一种膜分离技术，可用来除去离子交换树脂破碎物、细菌、从槽、塔溶入的微粒等。超滤膜可以近100%地除去亚微米粒子。由于超滤装置是在低压运转，所以在装置的结构和处理方面比较容易。可以用耐热性、耐化学性较好的聚砜中空纤维膜制成超滤元件。

34第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.4超纯水中杂质的检测超纯水系统运行中的重要一点就是对水质的分析。在超纯水情况下，杂质含量极低，水质指标常接近分析仪器的极限。为得出精确的结果，应具备精密的分析仪器、净化环境和有经验的分析人员。对超纯水来说，制造、监测、分析和管理每一个环节都是不容忽视的。目前对微电子工业超纯水的检验主要有以下方面：35第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.4超纯水中杂质的检测1.电阻率的测量它是水中电解质浓度的指标。理论纯水的电阻率，25℃时为18.25MΩcm。一般应用电导仪测量纯水的电阻率就可计算出电解质离子的数量。2.微粒的测量一般可有三类方法：直接测量法，即用液体中微粒自动计数器或颗粒测定仪等仪器直接测量；滤膜---镜检法，是将被测水样用微孔滤膜过滤，水中微粒被截留在滤膜上，在1500倍显微镜下观察计数总微粒数；Index法（指数法）。3.微生物的测量一般常用菌落计数法。目前较好的方法是常用膜过滤培养法。先用膜过滤器过滤一定量的试样水，然后将液体培养基供给膜过滤器作细菌培养，培养后再计算菌落，其定量下限值能达到数个/100毫升。36第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.4超纯水中杂质的检测4.总有机碳（TOC）的测量超纯水中微量TOC成分对微电子产品的合格率有很大影响，其指标应为ppb级。以往采用高温干式氧化法，空白值高，分析定量下限为2ppm。高温湿式氧化法定量下限为0.1ppm，但操作繁杂。应用低温紫外线氧化法，也使定量下限达0.1ppm。5.微量金属离子的测量目前多采用无火焰原子分光光度法进行测量。6.总二氧化硅测量超纯水中总二氧化硅的测量至为重要。微电子工业用的超纯水，二氧化硅的含量限定为小于5毫克/升。7.阴离子的测量一般多用离子选择电极方法。为了适应痕量阴离子分析的需要，又发展了离子色谱技术。利用高速离子色谱，可以测定多种阴离子如Cl-、NO3-等。37第2章 电子器件微细加工的要求2.2超纯水

2.2.4超纯水中杂质的检测8.化学耗氧量（COD）的测量有机物普遍具有还原性，当与强氧化剂接触时即被氧化，因此可根据耗氧量来表征水中有机物。根据使用的强氧化剂的不同，有高锰酸钾法、重铬酸钾法等。目前国内用得较多的是高锰酸钾法。国外已有专门生产的溶解氧测定仪，可检测至ppb，具有快速、准确、操作方便的特点。38第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.1超纯气体

同超纯水一样，超纯气体也是微电子工业的重要基础材料，因为无论是单晶生长和气相外延，或是氧化、扩散和光刻等工序，以及化学汽相淀积、合金和表面钝化等工艺，都无一例外地使用多种超纯气体。气体的纯度直接影响所制作的微电子器件的成品率。如果所用气体中混入较多杂质、尘埃和金属离子（特别是钠离子），那么就会造成整批电路的报废。对于微电子器件的制备，气体的纯度更是至关重要的问题。39第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.1超纯气体在微电子工业中，最常使用的超纯气体（或混合气体）有氮、氧、氢、氩四种。微电子工业所用的超纯气体都应有一定的纯度级别。现在已经定级的超纯气体有130种。表2-8是日本各微电子制造厂家所使用的四种最常用超纯气体的指标。表2-8日本各厂家使用的四种常用超纯气体指标40第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.1超纯气体电子级纯度的气体，氢、氧、氮和氩气的纯度都在99.9995%以上，钠含量低于0.5ppm。国外有的公司已生产供外延生长用的、纯度为99.99999%的超纯氢气，超纯氧气的纯度也可高达99.9995%。超纯气体的纯度指标明确后，还必须有可靠的运载工具或运载气体的系统来保证超纯气体的纯度。如果使用压缩钢瓶来运载超纯气体，当钢瓶内部已被沾污时，那么有可能使所运送气体的纯度降低1-2个数量级。41第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.1超纯气体钢瓶内部应经抛光和镀镍，或涂上合适的有机薄膜，并在使用时经气体过滤器滤除可能混入的杂质和尘粒，这样才能保证气体的纯度要求。另外，不能应用一般的铁管作为运送高纯气体的管道，而应当用不锈钢管。由于运载工具或管道系统极易沾污所输送的气体，所以大规模和超大规模集成电路用的氮、氧和氩气体往往改为液态形式的运送方法。42第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.1超纯气体表2-9大规模集成电路用的四种常用气体的最低纯度指标43第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.2超纯试剂微电子工业中大量应用各种超纯化学试剂和化学品。大规模和超大规模集成电路仍沿用湿法工艺，因此超纯试剂和化学品在电路制作中更不失其重要意义。微电子工业适用的各种化学试剂或化学品的“超纯”的涵义并非一概排斥所有杂质，以致要求所有各类化学品的杂质含量微而再微，材料纯而又纯。这里“超纯”应理解为对于危及器件或电路成品率的有害杂质和尘粒含量要求减少到一定值以下。由于不同杂质对器件或电路的危害性不同，因此需分别制订允许的杂质含量标准。44第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.2超纯试剂微电子工业用的超纯化学试剂和化学品的种类很多，其中最主要的大致可以划分成以下诸大类：1.腐蚀剂这类化学腐蚀剂主要作用是在光刻后，在芯片表面腐蚀出微细的图形。现在通用的湿法腐蚀工艺中最常用的液体腐蚀剂有硝酸、醋酸、双氧水、氢氧化钠、氟化铵、氢氟酸和磷酸混合溶液等。气体腐蚀剂有四氟化碳和四氟化碳与氧的混合物等。2.清洗剂在微电子器件制备中每一道工序前后，几乎都要使用各种清洗剂对芯片进行漂洗、清洗或脱水。最常用的有硫酸、盐酸、丙酮、甲苯、二甲苯、异丙醇和甲醇等。45第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.2超纯试剂3.掺杂剂对于大规模集成电路，无论是杂质扩散工艺，还是离子注入掺杂工艺，以及外延膜的制备，都要应用各种导电类型的掺杂剂。常用的液态掺杂剂有三氯氧磷、三溴化硼和硼酸三甲脂等；气态掺杂剂有乙硼烷、磷化氢和砷化氢等。后来发展起来的二氧化硅乳胶源是一类新型的杂质扩散源，在二氧化硅乳胶中可方便地掺入各类需要的杂质。46第2章 电子器件微细加工的要求2.3超纯气体和超纯试剂2.3.2超纯试剂4.光致抗蚀剂和与其配套的化学品大规模和超大规模集成电路的最显著特点是集成度高和图形微细化，这在相当大程度上有赖于光刻工艺的改进，而光致抗蚀剂的质量直接关系到光刻的质量。与光致抗蚀剂配套的化学品有增感剂、交联剂、稳定剂、显影剂、晶片表面处理剂、去膜剂和粘附剂等。除了上述几大类化学试剂或化学品外，供集成电路制备用的，尚有真空镀膜材料、电镀材料、焊接材料、封装材料和晶片研磨抛光材料，不过它们大多已不属于超纯材料范畴了。47第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求虽然微电子器件不一定限于应用硅单晶制造，但现阶段几乎都是应用硅单晶制造的。在可预见的将来，硅单晶仍然是制造微电子器件的最重要的基础材料。所以本节仅以硅单晶为代表讨论微电子器件制造对半导体材料的要求。微电子器件发展到大规模和超大规模集成阶段后，过去中、小规模集成电路用的硅单晶技术指标，如导电类型、上截面与下截面电阻率、少子寿命、位错密度和晶向等指标，已不足以全面反映硅单晶的内在质量和适应大规模和超大规模集成电路的材料要求。48第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求一般来说，大规模和超大规模集成电路对硅单晶材料提出如下要求：（1）增大直径；（2）严格控制杂质含量；（3）晶体结构的高度完整性和减少微缺陷；（4）杂质分布和电阻率的均匀性；（5）硅片的标准化、系列化。49第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求1.增大直径不断增大制作电路芯片的硅圆片直径，这既是微电子技术发展的主要趋向，也是人们为了提高单块芯片的元器件密度而在现代工业技术基础上采取的主要措施。为了使一块硅大圆片经过一次工艺流程后制得更多的电路芯片，必须扩大硅片的直径。实际上这个要求对超大规模集成电路来说，更显得重要。因为与中、小规模电路相比，超大规模集成电路的芯片面积已明显增大，如果仍沿用小直径的硅片，那么一片硅片上所包含的电路芯片数将显著下降。50第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求1.增大直径硅片直径的不断增大，为大规模和超大规模集成电路的生产创造了良好的前提。工艺实践表明：硅片面积和电路芯片面积的比值对大规模和超大规模集成电路的成品率是有影响的。比值愈大，在其它条件相同时，成品率愈高。所以使用大直径硅片生产大规模和超大规模集成电路时，不仅可以提高生产效率，而且可以提高成品率。这是因为一块硅晶片的边缘部分由于不平整性和存在大量缺陷，在实际制作电路时，可资利用的部分仅是晶片的中间部分。硅片直径愈大，有效使用面积所占的比例也愈大。例如当硅片直径从2英寸增大到3英寸时，可用面积从3平方英寸增大到7平方英寸；使用5英寸的硅片时，有效面积扩大到19平方英寸。51第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求1.增大直径表2-10示出了直径为50、75和100毫米的硅片上不同管芯面积的电路管芯数增长情况（以2英寸硅片作为基准）。从表中数据可以看出，电路芯片面积愈大，则扩大硅片直径后效果愈明显。表2-10不同直径硅片的电路芯片增长情况52第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求1.增大直径实践表明：使用75毫米的硅片比35毫米的硅片可提高效率5倍；而用100毫米的硅片将比35毫米硅片提高效率10倍。如果采用50毫米以下的硅片制作大规模集成电路，则电路成品率不会超过50%。而由NEC提出的成本分析报告认为，硅片直径从200毫米增大到300毫米将提高30-40%的效益。随着硅片尺寸的不断增大，加工、处理硅片的一系列工艺装备也随之相应地发生变化。如光刻设备的承片台，扩散和其它高温炉的炉管、炉膛，离子注入的工作室，以及硅单晶的切、磨、抛设备，也都相应地增大。这不仅是微电子生产设备需要不断地更迭替换的主要缘由之一，而且也是集成度不断提高的必然结果。53第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求2.严格控制杂质含量不管是哪一种微电子器件，其制作过程无非是按照人们的意愿，将晶体的各个特定微小区域改变为具有人们预期的杂质浓度和导电类型的区域。实现上述目标的首要条件，显然必须严格控制原始硅片内部的杂质含量，特别是将有害杂质含量降低的最低程度。由于超大规模集成电路结构的微细化（已发展到亚微米尺度），硅单晶中的杂质含量更会影响到电路的成品率。54第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求2.严格控制杂质含量已经证明，硅单晶中的氧、碳和氮等杂质含量最严重地影响大规模集成电路的成品率。例如硅单晶中所含的氧杂质，在热处理加工过程中形成氧施主，致使硅单晶的电阻率发生变化。氧杂质还影响硅单晶中的少子寿命，并促使硅中重金属杂质产生快速扩散，引起电路内部各管子耐压性能的退化。55第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求2.严格控制杂质含量用于大规模集成电路的硅单晶，氧含量要求小于

超大规模集成电路要求更低的氧含量。只有选用氧含量很低的硅多晶材料，并控制所拉制单晶与坩埚的直径比和在高真空或大流量高纯氩气氛下拉晶，才有可能拉制出适合大规模集成电路的直拉单晶。硅中的碳杂质有与氧杂质相似的危害性。它可能与硅反应生成碳化硅，可能诱生微缺陷。56第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求3.提高晶体结构的完整性和减少微缺陷除了氧、碳杂质外，硅单晶中的金属杂质也是影响成品率和可靠性的重要因素，特别是其中的一些所谓的快扩散重金属杂质，如铜、铁、金、镍等元素，危害性更大。在中、小规模集成电路制作中，人们努力减少硅单晶材料的位错，包括原生单晶的位错和完善工艺以减少热处理过程中产生的新的位错。发展到大规模集成阶段后，人们发现单纯致力于硅单晶材料位错的减少，并无助于电路成品率的提高。在实践中，人们发现无位错单晶材料中存在的“微缺陷”极其严重地影响大规模，特别是超大规模集成电路的成品率。57第2章 电子器件微细加工的要求2.4对半导体材料的要求3.提高晶体结构的完整性和减少微缺陷硅中的微缺陷是一种微米尺度的缺陷，它实质上是空位、金属杂质和氧、碳的复合物。虽然这种复合物大的也只有1-10微米，但其密度很高，可达。这种微缺陷对中、小规模电路的成品率并不构成严重的威胁，但对大规模、特别是超大规模集成电路，由于缺陷的尺度已可与电路图形的线条宽度相比拟，因此将严重地影响到电路的成品率。58第2章 电子器件微