集成电路原理制造工艺及原理技术--期末论文.ppt

1、1,1.半导体材料的主要特点 2.硅的晶体结构 3.硅单晶材料的加工制造过程 4.直拉法生长单晶过程 5. 集成电路的发展对硅片的要求,2,半导体材料 目前用于制造半导体器件的材料有： 元素半导体（Si Ge） 化合物半导体（GaAs ） 本征半导体： 不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（810个9）。 掺杂半导体： 半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷( P )或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍。,3,硅的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,4,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱

2、离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,5,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴,N型半导体（主要载流子为电子+，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴-，空穴半导体）,6,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,7,空穴,P型半导体,硼原子,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,8,2.负电阻温度系数 Si：T=30

3、0K =2 x 105 cm T=320K =2 x 104cm 3.具有整流效应, 电阻率:电阻率可在很大范围内变化,1.1、 半导体的主要特征,9,4.光电导效应,在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。,10,1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。,5.具有光生伏特效应,11,物质分为晶体(

4、单晶，多晶)和非晶体 单晶体:由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。 （1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断； （2）周期性是晶体结构最基本的特征 多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则 非晶体：原子排列无序,1.2半导体材料硅的结构特征,12,晶体的特点,1）均匀性,原子周期性排列. 2）各向异性,也叫非均质性.(各个方向上物理和化学性质不同) 3）有明显确定的熔点 4）有特定的对称性 5）使X射线产生衍射,13,硅的晶体结构：金刚石结构,金刚石结构 每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡

5、献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。 共价键夹角：10928,14,平面是单晶晶圆中最常用的方向。 的晶圆较常用来作金属氧化物半导体集成电路 方向的晶圆则通常用来制造双极型晶体管和集成电路，因为方向的原子表面密度高，故该面较为坚固且比较适合高功率的元件。,15,1.5半导体硅材料及硅衬底晶片的制备,制备原材料多晶硅（polysilicon） 多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级。 1、冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si 高达 99.8% 以上。 2、太阳能级硅 (SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一

6、般认为含Si在 99.99 % 99.9999%（46个9）。主要用于太阳能电池芯片的生产制造 3、电子级硅（EG）：一般要求含Si 99.9999 %以上，超高纯达到99.9999999%99.999999999%（911个9）。其导电性介于 10-4 1010 欧厘米。主要用于半导体芯片制造。,16,多晶硅的制备 单晶硅制备 单晶硅性能测试 单晶硅加工，形成晶圆,17,多晶硅的制备方法,四氯化硅还原法 三氯氢硅氢还原法 硅烷热分解法,18,石英砂的主要成份是二氧化硅 从沙到冶金级硅 (MGSmetallurgical grade(MG) silicon纯度9899) MGS 粉末放进反应炉

7、和氯化氢反应生三氯硅烷(TCS) 经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷 三氯硅烷和氢气反应生成电子级硅材料(EGS) EGS熔化和晶体提拉制备单晶硅 直拉法 悬浮区熔法,四氯化硅还原法（从砂到硅）,19,四氯化硅还原法（从砂到硅）,20,制备TCS（三氯硅烷）,Si + HCl TCS,矽粉末,氯化氫,過濾器,冷凝器,純化器,99.9999999%純度的三氯矽烷,反應器, 300 C,21,电子级硅材料,22,反应室,液態三氯矽烷,H2,載送氣體的氣泡,氫和三氯矽烷,製程反應室,TCS+H2EGS+HCl,電子級矽材料,23,电子级硅材料,24,1.直拉法：晶体主流生长技术 1）设备：石英坩埚、高频

8、加热线圈等 2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶 3）条件：（1）结晶温度（2）结晶中心,单晶硅的制备,1.7 直拉法生长硅单晶,25,26,直拉法:切克洛斯基(CZ)法,石墨坩堝,單晶矽矽棒,單晶矽種晶,石英坩堝,加熱線圈,1415 C,融熔的矽,27,直拉法生长单晶硅,資料來源: ,28,工艺过程(掌握),1.引晶：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时 要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”，又称“下种”。 2.缩颈：“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的

9、多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm,29,3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征棱的出现可帮助我们判别，方向应有对称三条棱，方向有对称的四条棱。 4.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。 5.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。,30,一 单晶硅的切割 1 切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾

10、部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度 2 直径滚磨：把不均匀的直径变得均匀一致 3 晶体定向定面、电导率和电阻率的检查 1）检查是否得到所需要的晶向晶面 2）检查半导体被掺杂后的电导率，以保证掺杂类型的正确。 4 切片,硅单晶的加工：切割 研磨 抛光,31,32,二 硅单晶的研磨,1 目的：去除切片中残留的表面损伤，晶圆表面完全平整； 2 磨片：研磨晶圆，精调到半导体使用的要求。,33,化學機械研磨製程,研磨液,研磨墊,壓力,晶圓夾具,晶圓,34,35,三 硅单晶片的抛光,1 抛光目的：晶圆表面光滑，像镜面一样亮。 2 抛光的过程：化学和机械两种过程同时进行。 3 化学腐蚀液：用于腐蚀晶圆表面 4 机械摩擦：同时去掉不平整的区域，获得最平整的晶圆表面。,36,1.集成电路的特征尺寸逐渐减小，芯片面积逐渐增大 (1) 微缺陷对芯片的影响增大 (2) 器件参数对单晶硅中杂质和缺陷的 密度，分布特点，电活性等更加敏感,集成电路的发展对硅片的要求,37,2.为了降低成本，硅圆