微电子制造科学原理与技术(1+2)

微电子制造科学原理与技术选用教材：

《微电子材料与器件制备技术》王秀峰、伍媛婷等编，化学工业出版社，2008年。主要参考书目:（1）《微加工导论》[芬兰]SamiFranssila著，陈迪，刘景全，朱军等译，电子工业出版社，2006年；（2）《微电子材料与制程》陈力俊，复旦大学出版社，2005年；（3）《芯片制造》[美]PeterVanZant著，赵树武，朱践知，于世恩等译：电子工业出版社，2004年；

（4）《半导体器件电子学》

[美]R.M.WarnerB.L.Grung著，吕长志等译，电子工业出版社，2005年；（5）《微电子技术概论》贾新章，郝跃著，国防工业出版社,1995年。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月第一章概述

伍媛婷微电子制造科学原理与技术莆田学院现代教育技术中心2004年8月1.1微电子技术

20世纪60年代，电子学产生了一个新的学科分支，研究如何利用固体内部的微观特性以及一些特殊工艺，在一块半导体材料上制作大量的元件，从而在一个微小面积中制造出复杂的电子系统，即微系统电子学（微电子学，Microelectronics）。微电子学中各项工艺技术的总称便是微电子技术。这个领域中最主要的就是集成电路（IntegratedCircuits,IC）技术。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月1947年美国电话电报公司（AT＆T）贝尔实验室的三位科学家巴丁、布赖顿和肖克莱制成第一支晶体管（Transistor）以取代电子管。1958年出现了第一块集成电路板。集成电路经历了小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路四个阶段。莆田学院现代教育技术中心2004年8月集成度是标志集成电路水平的指标之一。集成度是指在一定尺寸的芯片上能做出多少个元件。为了达到更高的集成度，还可以生长出更大的硅片，而硅片也随着材料制备工艺的发展而越来越大，目前生产的硅片直径可达500mm左右。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月1.2微电子材料及其应用微电子材料中主要为两大部分，一部分是晶圆片，另一部分则是薄膜。无论是晶圆片还是薄膜材料都可以是单晶、多晶或无定形态。硅和锗是最初两种重要的晶圆片材料。第一个晶体管是由锗制造的，但由于锗的熔点不高（937℃），限制了高温工艺，并且它的表面缺少自然氧化形成的氧化膜而容易漏电。而硅的优点使其成为了微加工的主体材料。晶圆片的还可以是氧化硅、碳化硅、蓝宝石、砷化镓、玻璃、氧化铝、塑料，等等。莆田学院现代教育技术中心2004年8月薄膜单元素薄膜（如硅、铝、铜等）化合物薄膜（如氧化硅、氮化硅、氮化钛、硅化物等）在微电子材料中，值得注意的是金属与贵金属，它们也被广泛应用与微加工产业中。莆田学院现代教育技术中心2004年8月1.3工艺集成电路制造流程图

莆田学院现代教育技术中心2004年8月微加工工艺步骤主要包括以下几个主要内容：

（1）单晶生长；（2）薄膜生长；（3）图形化（光刻、刻蚀）；（4）掺杂及热处理；（5）层间转移和键合；（6）表面处理及清洗。

以上的工艺步骤并不存在绝对的先后顺序，需要根据不同器件的要求专门进行工艺设计。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月电子集成技术（工艺方法）单片集成电路（以硅平面工艺为基础）薄膜集成电路（以薄膜技术为基础）厚膜集成电路（以丝网印刷技术为基础）

莆田学院现代教育技术中心2004年8月1.4器件电子元器件经历了经典电子元器件时代（以电子管为代表）、小型化电子元器件时代（以半导体分立器件为代表）和微电子元器件时代（以高频和高速处理集成电路为代表）。莆田学院现代教育技术中心2004年8月1.5未来趋势

集成电路芯片的发展规律基本上遵循了Inter公司创始人之一的CordonEMoore1965年的预言（摩尔定律）：集成电路的集成度（每个微电子芯片上集成的器件数），每三年左右为两代，每代增加4倍，特征尺寸缩小2倍。

1974年，IBM的Dennard等人提出了按比例缩小原理（ScalingDownPrinciple）。即特征线条越窄，IC的工作速度越快，单元功能消耗的功率越低，从而在原理上确定了微电子“越小，越密，越快，越省电，越廉价”这一发展优势，为Moore定律建立了理论根据。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月莆田学院现代教育技术中心2004年8月第二章单晶莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.1概述晶体：原子在某种材料内部周期重复排列成固定的结构

多晶单晶非晶体（无定形）：原子没有固定的周期性排列的材料莆田学院现代教育技术中心2004年8月非晶、多晶和单晶示意图莆田学院现代教育技术中心2004年8月第一代半导体晶体是锗（Ge）单晶和硅单晶（Si）第二代半导体晶体为Ⅲ一V族化合物，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）、氮化镓（GaN）等单晶。目前已发展到三元或多元化合物的半导体晶体从提高硅集成电路成品率、降低成本方面考虑，增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后发展的总趋势。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.2硅硅是自然界中最丰富的元素，地壳成分中27.8%是硅元素构成的。（石英、玛瑙、燧石、多种岩石和普通的滩石）真正能用于半导体生产用的原料都来源于高纯硅石（即石英矿）。用作半导体材料的硅是经还原提纯的高纯硅，它有非晶、多晶、单晶三种形态。硅具有易于提纯、价格低廉等特点。而且硅器件易于实现平面工艺，效率高、寿命长、体积小、导热好、耐高温、可靠性高，大多数半导体器件都选用硅作原料。硅是大多数半导体和微电子芯片的主要原料。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.3硅的晶体结构与性能硅的晶体结构（CrystalStructure）是由18个硅原子所构成的金刚石型晶格结构。每个硅原子周围都有四个硅，硅原子之间形成共价键。其晶胞（CrystalCell/UnitCell）可以看做是由两个面心立方体晶格插在一起形成的，晶胞的边长a为5.43095Å，两个原子之间的距离是(3/4a)1/2，半径是(3/8a)1/2。硅属金刚石型晶格结构，晶格常数为5.42×10-10m，熔点为1417℃，性脆易碎，密度小而硬度大，是呈银灰色金属光泽的非金属材料。莆田学院现代教育技术中心2004年8月18个原子中，处于顶点的8个硅原子被8个晶胞所分，处于面上的6个硅原子则被两个相邻的晶胞所分，而分布在立方体内的四个小立方体的中心的硅原子则完全属于这一个晶胞，则这个晶胞中所占有的硅原子个数为8×1/8+6×1/2+4=8，硅原子在晶胞中只占34％的体积，这种体积占有率很小的开放型的结构对于硅的扩散是相当重要的。莆田学院现代教育技术中心2004年8月两个在硅晶圆中最通常使用的晶向是（100）和（111）晶面。（100）晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路，而（111）晶向的晶圆用来制造双极型器件和电路。（100）晶面有一个正方形，而（111）晶面有一个三角形。

当晶圆破碎时这些定向会展现出来。（100）晶向的晶圆碎成四方形或正好90度角破裂，而（111）晶向的晶圆碎成三角形。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.4硅晶体中的缺陷和非理想状态

晶体缺陷会产生不平均的二氧化硅膜生长、差的外延膜的淀积、晶圆里不均匀的掺杂层及其它问题从而导致工艺问题。

生长引入缺陷：与原料（杂质）以及硅拉拔工艺（如空缺、填隙、沉积、位错）有关

加工引入缺陷：与切片加工（如工具中的杂质、机械变形）和晶圆片加工（如晶体缺陷、沉积、机械变形）相关

根据缺陷的来源莆田学院现代教育技术中心2004年8月零维缺陷（点缺陷）：来源于晶体里杂质原子挤压晶体结构引起应力所致（置换杂质缺陷和间隙杂质缺陷）一维或线性缺陷（位错）：面缺陷：（堆垛层错、晶界和双晶界）

体缺陷空隙：某些工艺（如晶体拉拔）中空位的聚集晶体生长条件、晶格应力以及制造过程中的物理损坏

晶体结构的某个位置上缺失了原子：空位沉淀

：硅锭冷却过程中杂质含量和掺杂浓度超过固溶度，多余的不溶杂质和掺杂物析出

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5硅的晶体生长及设备外延法：能够生长和单晶衬底原子排列同样的单晶薄膜直拉法：适宜于生长低电阻大直径单晶，其径向杂质分布均匀，适宜作低压硅器件和集成电路的材料。区熔法：区熔单晶径向杂质分布均匀性较直拉法差，但氧、碳含量低，用高阻区熔单晶经过中子辐照可得杂质分布均匀性相当满意的单晶材料，适宜于制作高压大功率器件。影响单晶质量的关键因素是晶格缺陷和杂质。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.1硅的纯化硅的纯化工艺

硅的纯化工艺是硅晶圆制备中的第一步莆田学院现代教育技术中心2004年8月碳和原本二氧化硅中的氧结合，留下或多或少熔融状态的硅。（这种硅被称为多晶硅，也被称为冶金级硅）（杂质和混乱的晶体结构使这冶金级别的多晶硅不适合制造半导体）

SiO2+C→Si+2C↑进一步提纯冶金级硅能产生特别纯净的半导体级别物质。

Si+3HCl→SiHCl3+H↑

经过反复的蒸馏后，用氢气把特别纯的三氯硅烷还原为硅。（具有非常高的纯度了，被称为电子级硅）

2SiHCl3+2H2→2Si+6HC↑

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.2直拉法生长单晶硅直拉法生长单晶硅示意图莆田学院现代教育技术中心2004年8月拉单晶分三段，先引出直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，最后是收尾。为了实现均匀生长、均匀掺杂、完美晶体和直径控制，籽晶和坩埚（伴随着拉速）在整个晶体生长过程中是以相反的方向旋转的。

工艺控制需要一套复杂的反馈系统，综合转速、拉速及熔融物温度参数。莆田学院现代教育技术中心2004年8月拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈，是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。大直径硅单晶的收颈是为了抑制位错大量地从籽晶向颈部以下单晶延伸，收颈是靠增大提拉速度来实现的。最终的单晶硅称为硅锭。由于熔融硅存在很大的表面张力，所形成的硅碇为圆柱形。莆田学院现代教育技术中心2004年8月在熔硅阶段石英坩埚位置的调节：开始时，坩埚位置很高，待下部多晶硅熔化后，坩埚逐渐下降至正常拉晶位置。熔硅时间不宜过长，否则掺入熔融硅中的多晶硅会挥发，而且石英坩埚也容易被熔蚀。自动化系统可以控制融化物质的温度和晶体生长的速度。莆田学院现代教育技术中心2004年8月晶体中的掺杂浓度可以通过把少量的掺杂多晶硅加到熔融状态的硅中进行控制。石英坩锅里的氧和加热物质中的碳会溶解到熔融状态的硅中，从而混入生长中的晶体。这些杂质会改变最终硅的电学特性。由于在生长过程中，晶体一起是旋转的，中间层和边缘层的厚度是不同的，使得掺杂呈辐射状及氧的浓度的不均一性。所以，对于整个硅锭而言，掺杂度和氧浓度是不确定的。莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.3区熔法生长单晶硅区熔法（FloatZone,FZ）是在20世纪50年代提出，采用这种方法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电力电子器件。区熔法与直拉法生长的晶体相比较，具有较高的位错密度，其成本也较高，并且所生产的晶圆片尺寸比较小。区熔法不需使用石英坩埚，避免了从坩埚中引入金属杂质，且能够生长出低氧的高纯晶体，其机械强度比直拉法所制备的硅要小。莆田学院现代教育技术中心2004年8月区熔法中所使用的掺杂剂也与直拉法不同，可以通过中子嬗变掺杂来得到高电阻率的晶圆片，即一个硅原子核捕捉一个中子，然后通过β衰变而转变为一个新的原子核。

区熔法包括水平区熔法和悬浮区熔法。莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.3.1水平区熔法水平区熔法主要用于材料的物理提纯，也用来生长单晶体硅在熔融状态下有很强的化学活性，几乎没有不与它作用的容器，使单晶的纯度受到限制。目前不用水平区熔法制取纯度更高的单晶硅。莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.3.2悬浮区熔法熔融硅有较大的表面张力和较小的密度，悬浮区熔法依靠表面张力支持正在生长的单晶和多晶棒之间的熔区。加热温度不受坩埚熔点限制，可以用来生长熔点高的材料，如单晶钨等。莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.4外延法外延是指在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上，通过排列时控制有关工艺条件，形成具有一定的导电类型、电阻率及厚度的新单晶层的过程。外延生长法（EpitaxialGrowth）能生长出和单晶衬底原子排列同样的单晶薄膜。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.5生长设备2.5.5.1石英坩埚单晶硅生长所用盛装原料多晶硅的坩埚是由玻璃质二氧化硅制成的。石英坩埚的原料为石英玻璃，它在许多方面接近石英玻璃的特点，其抗冲击性能好于石英玻璃，可以制成大规格及形状各异的坩埚产品。莆田学院现代教育技术中心2004年8月石英坩埚具有以下几点主要性能：①石英坩埚的热膨胀系数为0.5×10-61/℃，可在1700℃以下灼烧，其在1100℃～20℃温度水冷急变下三次不炸裂。②石英坩埚的体积密度为1.9～

1.95g/cm3，气孔率<15%，耐压强度>45MPa。③石英坩埚耐盐酸、硫酸、氯气、磷酸侵蚀，但不能和HF接触，高温时，极易和苛性碱及碱金属的碳酸盐作用。④石英坩埚的电击穿强度为16～20KV/mm，介电常数为3.17～3.42（20～1300℃）。莆田学院现代教育技术中心2004年8月影响石英坩埚质量的因素包括坩埚气孔大小和分布、材料韧性关系、热传导性质等等。选用坩埚的直径大小由长晶炉的大小而定。石英坩埚不仅要拥有好的表面的清洁度，而且其纯度要更高。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月2.5.5.2长晶炉支撑石英坩锅的基座及整个热区则采用高纯度石墨为材料。

长晶炉的热场分布状况以及长晶工艺条件和质量受石墨的材质、热传系数及形状的影响。莆田学院现代教育技术中心2004年8月为了避免硅在高温下氧化，炉子必须在惰性的氩气气氛下操作。石英坩埚在高温且惰性的气氛下逐渐脱氧：

SiO2→O+SiO

Si+SiO2→2SiO氧原子以气态一氧化硅的形式进入氩气气流中排出长晶炉，或溶入硅融液中成为硅晶棒氧杂质的来源。一氧化硅可与石墨反应生成碳化硅颗粒：

SiO+C→SiC+CO

莆田学院现代教育技术中心2004年8月为了控制单晶棒的杂质成份免于各种污染源，不论是晶棒拉伸腔室或是石墨加热区域，真空或惰性气氛环境是长晶炉最基本的要求。拉晶速度、转速、液面位置以及温度等是影响单晶尺寸的主要控制参数。

监测设施一般用非接触式的光学或是电子学技术间接方法来测量。在某固定直径的长晶条件下，融液温度瞬间变高将导致晶棒直径有变小的倾向，进而造成钨丝线上升速率急速变慢，反之则变快。温度的不稳定会引起钨丝线上升速率交互跳动，从而造成晶体质量不良。

莆田学院现代教育技术中心2004年8月（一）GaAs和InPGaAs具有类似金刚石结构的硫化锌晶体结构（闪锌矿结构）。GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。2.6其它单晶

GaAs结构莆田学院现代教育技术中心2004年8月特点直接带隙材料电子饱和漂移速度高耐高温抗辐照应用激光通信移动通信及全球定位系统卫星接收非掺杂半绝缘GaAs单晶是高速数字电路、微波单片电路、大功率器件、低噪声器件和功率模块的基础材料发展趋势：增大晶体直径、提高材料的电学和光学微区均匀性、降低单晶的缺陷密度（特别是位错）等莆田学院现代教育技术中心2004年8月液体掩盖直拉法（LEC）用来生长GaAs晶体

LEC为GaAs做了重要改进。一方面是给单晶炉加压来抑制砷的挥发，另一方面是液体掩盖直拉法工艺。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。莆田学院现代教育技术中心2004年8月（二）GaN

特点耐高压、高温特性、高频特性

直接带隙宽化学稳定性好热传导性能优良击穿电压高介电常数低应用光电子领域和高温高频电子蓝光LED及蓝/紫LD紫外探测器

高温、大功率、高频器件莆田学院现代教育技术中心2004年8月GaN体单晶衬底的生长方法卤化物汽相外延（HVPE）气相传输法高压氮气溶液法（HNPSG）助溶剂法氨热法提拉法HVPE工艺简单、生长速率快，是目前生长GaN体材料较常用，也是实用化程度较高的方法

莆田学院现代教育技术中心2004年8月将激光从蓝宝石衬底射入，激光能量将被GaN/Al2O3界面吸收，局部温度瞬间升高，使GaN分解为N2和液体Ga，通过激光束的扫描，就可以将蓝宝石和GaN分开。激光剥离是利用了GaN在高温下分解的特性莆田学院现代教育技术中心2004年8月一种直接宽带隙半导体光电材料，在探测器、新型大功率微波器件等领域具有应用潜力。具有的光学、电学和结构特性优于GaN、SiC等宽禁带材料，具有很好的抗辐照性能、对可见光透明、适合进行湿法化学加工处理等优点。这些特性使得ZnO光电器件在发用方面可用于超高密度光存储、全色显示、激光打印、污染检测仪、紫外光控制器、紫外光谱仪以及透明大功率电子器件等，在军用方面可用于激光器、飞机和导弹尾焰紫外探测、生化战剂监测和紫外报警器等。（三）ZnO

莆田学院现代教育技术中心2004年8月ZnO还具有优异的压电特性和体敏特性，可用于制备高性能的声换能器、声表面波器件和可燃气体传感器件。ZnO还是绿色环保的透明电极材料，可替代传统的ITO电极用于太阳能电池和OLED显示器。莆田学院现代教育技术中心2004年8月

0001）面蓝宝石晶体（α-Al2O3单晶）是目前最常用的InN的外延衬底材料，其具有良好的高温稳定性和机械力学性能，且由于对其研究较多，生产技术较为成熟，而且价格较便宜，现在仍然是应用最为广泛的衬底材料。（四）蓝宝石

莆田学院现代教育技术中心2004年8月

晶圆是指硅半导体体电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。

2.7晶圆制备莆田学院现代教育技术中心2004年8月

SOI（Silicon-on-insulator）技术：一种芯片制造技术，它使晶体管裹在二氧化硅薄膜里，与圆片衬底隔离，从而能更有效的控制电子。与CMOS芯