半导体材料制造技术

到99.9999999%半导体级硅。
SiHCl3 (气) + H2(气) —— Si（固） + HCl（气）
9.2 半导体级硅的制备过程
半导体级硅的制造步骤：
第三步是在一个称为西门子反应器中进行，这种工艺又称为西 门子工艺。
将SiHCl3气体与H2气体一起通 入西门子反应器中，然后在加热的 超纯硅棒（硅棒温度为1100 ℃ 左 右）上，经过几天的化学反应，得 到高纯硅。
MOS集成电路是以金属-氧化物-半导体（MOS ）场效应晶体管为主要元件构成的集成电路。
9.5 CMOS 集成电路的制备简介
9.5 MOS 集成电路的制备简介
9.5 MOS 集成电路的制备简介
主要完成：
氧化、扩散、 沉积、退火
9.5 MOS 集成电路的制备简介
在硅片上没有光刻胶的条件下，在硅片上进行图形的制 作的工艺
半导体材料制造技术 ——硅和硅片的制造
9.1 集成电路概述
9.1 集成时代
电子管
晶体管
集成电路
9.2 半导体级硅的制备过程
半导体级硅（Semiconductor Grade Silicon, SGS）：
用来制造芯片的硅材料称为半导体级硅。其纯度 为99.9999999%。
半导体级硅的纯度要求：
含少于百万分之二的碳元素； 少于十亿分之（ppb）级III、V族元素（掺杂元素），
硅原子中有一个硅原子被一个砷原子取代，其电阻率将 下降到0.2 Ώ-cm ，电导率增加了1250000倍
硅掺杂
9.3、单晶硅的生长：
将半导体级的多晶硅转化成一块大尺寸的单晶硅 ，即所谓硅锭。
9.3.1 CZ法——Czochralski法 CZ是目前普遍应用的方法，是20世纪90年代初期
才出现的方法。
9.4.5 抛光（化学机械平整化）
For 200mm Si plate ： 仅对上表面抛光，下表面保留化学刻蚀后表面， 便于运输。
For > 300m百度文库 Si plate ： 双面抛光。
9.4.6 清洗
所有硅片必须经过清洗，才能送芯片生产车间。
9.4.7 硅片检验
9.4.8 包装
片架放在充氮气的密封盒内，避免氧化和污染。
9.2 半导体级硅的制备过程 半导体级硅的制造步骤：
第二步： 将冶金级硅粉碎，并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷。
Si (液) + HCl(气) —— SiHCl3（气） + H2（气）
9.2 半导体级硅的制备过程 半导体级硅的制造步骤：
第三步： 含硅的三氯硅烷再经过一次化学氢气还原过程，其纯度可达
该方法不需要坩埚，所以纯度 高，主要生产125mm的硅片。
区熔炼炉示意图
16
9.3.3 硅锭尺寸：
硅锭尺寸由1950年代的25mm, 增加到300mm.
17
9.4 硅片制备
18
9.4.1 整形
去两端 径向研磨 定位边研磨
9.4.1 整形
9.4.2 切片
9.4.3 磨片和倒角
9.4.4 刻蚀
9.5 MOS 集成电路的制备简介
主要的作用： 对硅片进行掺杂，如： 砷、 P、 B 等元素 的掺杂
9.5 MOS 集成电路的制备简介
薄膜生长： 负责制作电介质层或金属。
9.5 MOS 集成电路的制备简介
光刻胶
9.5 MOS 集成电路的制备简介
9.5 MOS 集成电路的制备简介
9.5 MOS 集成电路的制备简介
9.5 MOS 集成电路的制备简介
SiO2具有与Si相似的机械 性能，并保护Si不受污染
为什么需要半导体级单晶硅？
5）单晶硅的（100）面有利于MOS器件的开态与关态的 阈值电压；
6）单晶硅的（111）面为密排面，生长速度最快，经 常用于双极器件；
7）砷化镓技术用（100）晶面
硅掺杂：
1）纯硅状态的硅在半导体技术应用极少； 2）一般需要经过掺杂来改变纯硅的电阻率 3）例如纯硅的电阻率接近 2.5X105Ώ-cm。如果每一百万个
9.5 质量检查
9.5.1 物理尺寸
直径、厚度、晶向位置和尺寸。
9.5.2 平整度
平整度是硅片的主要常数之一。
9.5.3 微粗糙度
微粗糙度是实际表面与规定平面的粗糙度小数值范 围的篇差。
微粗糙度非常重要，因为在芯片制造过程中，它对 于表面介质层的击穿有很大影响。
9.5 MOS 集成电路的制备简介
9.2 半导体级硅的制备过程 半导体级硅的制造步骤：
9.2 半导体级硅的制备过程 半导体级硅的制造步骤：
第一步： 在还原气体中，通过加热含碳的硅石（SiO2），来制造冶金级的硅。
SiC (固) + SiO2(固) —— Si（液） + SiO2（气）+ CO(气)
冶金级硅的纯度为98%，这种纯度不能用于制造芯片，
9.3、单晶硅的生长：
为什么需要半导体级单晶硅？
为什么需要半导体级单晶硅？
1、首先为什么用硅Si？而没有选择锗（Ge）
Ge是20世纪40年代和50年代第一个用于半导体的材料，但 是它被后来的Si所替代，其原因：
1） 硅的储量大，占地球各种元素的25%； 2）更高的熔点（1412 ℃ ，Ge 937 ℃ ），允许更高的工艺容限 3）更宽的工作温度范围 4）氧化硅的自然生成
将熔化的高纯硅转化成具有正确晶体取向的，且
被掺杂的n型和p型固体硅锭。 85%以上的硅锭是采用
该方法制造的。
14
9.3.1 CZ法——Czochralski法
• 拉单晶
单晶炉示意图
掺杂：
掺杂元素（B或P）在 拉单晶之前加入硅溶液中
15
9.3.2 区熔炼法：
区熔炼法所生产的硅锭含氧量非常低，它是20世纪50年代发 明的。该法所生产的硅单晶纯度最高。