《半导体材料的制备》PPT课件
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半导体材料制备 ppt课件
最佳生长温度
生长速度
1150
小
1100
中
1050
大
1000
中
空气中反应
高温热分解
冒烟
小
冒烟
小
着火
中
着火
大
硅外延生长步骤
（1）硅片清洗 （2）装硅片 （3）通氢排气 （4）升温 （5）高温处理 （6）气相抛光 （7）通氢排气 （8）外延生长 （9）通氢排气 （10）降温 （11）开炉取片
（1）硅片清洗
10.5 半导体外延生长技术
外延生长技术对于半导体器件具有重要意义 在外延生长过程中，衬底起到籽晶的作用，外延层则保持 了与衬底相同的晶体结构和晶向 如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质外延 如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异质外延
外延生长的优点
外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地 通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而 不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶 生长需要进行杂质掺杂。 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的 外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件 的制备尤为重要。 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备， 如GaN
（4）升温
升到反应所需要的温度
注意升温速率
（5）高温处理
温度升到12000C时，保温10分钟，进行高温 处理
目的是对衬底进一步清洁： 1. 除去吸附在衬底表面的杂质； 2. 除去表面的薄层SiO2，生成的SiO易挥发
SiO2 Si 2SiO
（6）气相抛光
气相抛光的目的是对衬底表面进行腐蚀， 以除去衬底表面1um的薄层，使硅表面以纯 净的硅原子，晶格较完整的状态进行外延 生长
半导体制程简=PPT课件
– 例如：硅、硅化 物、金属导线等 等。
– 另外，在去除光 阻止后，通常还 需要有一步清洗， 以保证晶园表面 的洁净度。
-
30
2.7 金属蚀刻
• Metal Etch
– 金属蚀刻用于制作芯片中的金属导线。 – 导线的形状由Photo制作出来。 – 这部分工作也使用等离子体完成。
-
31
2.8 薄膜生长
– Develop & Bake
• 曝光完毕之后，晶园送回Track进行显影，洗掉被曝 过光的光阻。
• 然后再进行烘烤，使没有被洗掉的光阻变得比较坚硬 而不至于在下一步蚀刻的时候被破坏掉。
-
24
2.4 酸蚀刻
• Acid Etch
– 将没有被光阻覆盖的薄膜腐蚀掉，是酸蚀刻的 主要任务。
– 蚀刻完毕之后，再将光阻洗去。
• 一般而言通常使用 正光阻。只有少数 层次采用负光阻。
-
20
• 曝光
– Exposure
• 曝光动作的目的是将光罩上的图形传送到晶园上。 • 0.13um，0.18um就是这样做出来的。 • 曝光所采用的机台有两种：Stepper和Scanner。
-
21
• 左图是当今 市场占有率 最高的ASML 曝光机。
半导体制程简介
——芯片是如何制作出来的
-
1
基本过程
• 晶园制作 – Wafer Creation
• 芯片制作 – Chip Creation
• 后封装 – Chip Packaging
-
2
第1部分 晶园制作
-
3
1.1 多晶生成
• Poly Silicon Creation 1
– 目前半导体制程所使用的主要原料就是晶园 (Wafer)，它的主要成分为硅(Si)。
– 另外，在去除光 阻止后，通常还 需要有一步清洗， 以保证晶园表面 的洁净度。
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30
2.7 金属蚀刻
• Metal Etch
– 金属蚀刻用于制作芯片中的金属导线。 – 导线的形状由Photo制作出来。 – 这部分工作也使用等离子体完成。
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31
2.8 薄膜生长
– Develop & Bake
• 曝光完毕之后，晶园送回Track进行显影，洗掉被曝 过光的光阻。
• 然后再进行烘烤，使没有被洗掉的光阻变得比较坚硬 而不至于在下一步蚀刻的时候被破坏掉。
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2.4 酸蚀刻
• Acid Etch
– 将没有被光阻覆盖的薄膜腐蚀掉，是酸蚀刻的 主要任务。
– 蚀刻完毕之后，再将光阻洗去。
• 一般而言通常使用 正光阻。只有少数 层次采用负光阻。
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20
• 曝光
– Exposure
• 曝光动作的目的是将光罩上的图形传送到晶园上。 • 0.13um，0.18um就是这样做出来的。 • 曝光所采用的机台有两种：Stepper和Scanner。
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21
• 左图是当今 市场占有率 最高的ASML 曝光机。
半导体制程简介
——芯片是如何制作出来的
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1
基本过程
• 晶园制作 – Wafer Creation
• 芯片制作 – Chip Creation
• 后封装 – Chip Packaging
-
2
第1部分 晶园制作
-
3
1.1 多晶生成
• Poly Silicon Creation 1
– 目前半导体制程所使用的主要原料就是晶园 (Wafer)，它的主要成分为硅(Si)。
半导体8 半导体材料制备
基本原理
籽晶杆及其传动组件； 坩埚杆及其传动组件； 进气、排气系统； 功率加热系统；
直pter 8
盛于（石英）坩埚中多晶硅被（电阻）加热熔化，待 其温度在熔点附近并稳定后，将籽晶浸入熔体，并与 其熔接好后以一定速度向上提拉籽晶（同时旋转）引 出晶体（即引晶）。生长一定长度的细颈（细颈以防 籽晶中位错延伸到晶体中），经过“放肩”，“转肩” （晶体逐渐长大到所需直径），等（直）径生长，收 尾，降温，就完成一根单晶锭的拉制。
用一种惰性液体（覆盖 剂B2O3）覆盖着被拉制 材料的熔体，生长室内 冲入惰性气体，使其压 力大于熔体的离分压力， 以抑制熔体中挥发性组 元的蒸发损失，然后按 CZ拉制。
覆盖剂必须满足的条件：
密度小于所拉制材料，使之能浮于熔体表面；
对人体和坩埚在化学上必须是惰性的，不能与熔 体混合，但必须浸润晶体及坩埚； 熔点要低于被拉制材料的熔点，且蒸气压很低； 有较高纯度，熔融状态下透明。 B2O3： 密度1.8g/cm2、软化点450℃、
3. 组分过冷 重掺杂情况下，且K＜1，生长过程中杂质不断 “排”向熔体，使熔体中杂质浓度越来越高，从 而造成熔体内部的过冷度大于扩散层附近熔体过 冷度，，而且离固液界面越远，过冷度越大，这 将使固液界面不稳定，甚至导致枝蔓生长。
降低杂质浓度，提高温度梯度，降 低结晶速度，防止发生组分过冷
4、多晶硅 由砂即（二氧化硅）开始，经由电弧炉的 提炼还原成 冶炼级的硅，再经由盐酸氯 化，产生三氯化硅，经蒸馏纯化后，透 过慢速分 解过程，制成棒状或粒状的多 晶硅。
RCA1 RCA2
5H2O : 1H2O2 : 1NH4OH 有机物 5H2O : 1H2O2 : 1HCl 金属离子
七、晶片的几何参数和参考面
半导体材料制备技术一 ppt课件
S i 2 H C l S iH 2 C l2 (微 量 )
抑制副反应 催化剂:用Cu5％的硅合金;并用惰性气体或氢气 稀释氯化氢，以及控制适宜的温度。 西门子法：产量大、质量高、成本低。故应用广
14
4、 精馏提纯
氯化硅中还含有游离氯。提纯的目的就是要除 去粗三氯氢硅和粗四氯化硅的杂质
精馏是蒸馏时所产生的蒸冷汽凝器
SiCl4用H2还原制取多晶硅的反应式为 SiCl4＋2 H2＝Si＋4HCl 方法比较简单， 制备过8～9个“9”的高纯硅 易于掌握 SiHCI3用氢还原法制取多晶的反应式为 SiHCI3＋H2＝Si＋3HCl （温度900度） 6、硅烷热分解法制取多晶硅 外延生长
S iH 4 4 0 0 ~ 5 0 0 0 CS i 2 H 2 1 1 .9 k c l/m o l
第三章 半导体材料制备技术
1
3.1 晶体生长技术
晶体生长通常指单晶锭的生长
单晶锭通常在特殊装置中通过熔体的定向 缓慢冷却获得
3.1.1．布里奇曼从法一（端Br开id始gm沿a固n）定
1、原理
Ge，
GaAs
方向一按渐点籽凝一晶固点的地晶列逐体取向排
2
2、布里奇曼法的特点
装置和方法都比较简单，典型的正常凝固过程 晶锭截面形状与石英舟相同 导致舟壁对生长材料的严重玷污 存在高密度的晶格缺陷 （热膨胀系数不同，热应力） 水平布里奇曼法产生的热应力低于立式（熔体的开
1、 工业硅制备 硅铁
工业硅，一般是指95～99％纯度的硅，又称粗 硅，或称结晶硅。原料：石英砂、焦炭
S iO 2 3 C 1 6 0 0 ~ 1 8 0 0 0 CS iC 2 C O
2 S iC S iO 2 3 S i 2 C O
抑制副反应 催化剂:用Cu5％的硅合金;并用惰性气体或氢气 稀释氯化氢，以及控制适宜的温度。 西门子法：产量大、质量高、成本低。故应用广
14
4、 精馏提纯
氯化硅中还含有游离氯。提纯的目的就是要除 去粗三氯氢硅和粗四氯化硅的杂质
精馏是蒸馏时所产生的蒸冷汽凝器
SiCl4用H2还原制取多晶硅的反应式为 SiCl4＋2 H2＝Si＋4HCl 方法比较简单， 制备过8～9个“9”的高纯硅 易于掌握 SiHCI3用氢还原法制取多晶的反应式为 SiHCI3＋H2＝Si＋3HCl （温度900度） 6、硅烷热分解法制取多晶硅 外延生长
S iH 4 4 0 0 ~ 5 0 0 0 CS i 2 H 2 1 1 .9 k c l/m o l
第三章 半导体材料制备技术
1
3.1 晶体生长技术
晶体生长通常指单晶锭的生长
单晶锭通常在特殊装置中通过熔体的定向 缓慢冷却获得
3.1.1．布里奇曼从法一（端Br开id始gm沿a固n）定
1、原理
Ge，
GaAs
方向一按渐点籽凝一晶固点的地晶列逐体取向排
2
2、布里奇曼法的特点
装置和方法都比较简单，典型的正常凝固过程 晶锭截面形状与石英舟相同 导致舟壁对生长材料的严重玷污 存在高密度的晶格缺陷 （热膨胀系数不同，热应力） 水平布里奇曼法产生的热应力低于立式（熔体的开
1、 工业硅制备 硅铁
工业硅，一般是指95～99％纯度的硅，又称粗 硅，或称结晶硅。原料：石英砂、焦炭
S iO 2 3 C 1 6 0 0 ~ 1 8 0 0 0 CS iC 2 C O
2 S iC S iO 2 3 S i 2 C O
半导体制造工艺课件(PPT 98页)
激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格 位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到 杂质的作用
消除损伤
退火方式：
炉退火
快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激 光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨 加热器、红外设备等)
氧化工艺
氧化：制备SiO2层 SiO2的性质及其作用 SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，
去掉氮化硅层
P阱离子注入，注硼
推阱
去掉N阱区的氧化层 退火驱入
形成场隔离区
生长一层薄氧化层 淀积一层氮化硅
光刻场隔离区，非隔离区被 光刻胶保护起来
反应离子刻蚀氮化硅 场区离子注入 热生长厚的场氧化层 去掉氮化硅层
形成多晶硅栅
生长栅氧化层 淀积多晶硅 光刻多晶硅栅 刻蚀多晶硅栅
掺杂的均匀性好 温度低：小于600℃ 可以精确控制杂质分布 可以注入各种各样的元素 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
离子注入系统的原理示意图
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
退火
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的 在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都 可以称为退火
Salicide工艺
淀积多晶硅、刻蚀 并形成侧壁氧化层；
淀积Ti或Co等难熔 金属
RTP并选择腐蚀侧 壁氧化层上的金属；
最后形成Salicide 结构
形成硅化物
淀积氧化层 反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层 淀积难熔金属Ti或Co等 低温退火，形成C-47相的TiSi2或CoSi 去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Co 高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或CoSi2
氧化层刻蚀掉，并去掉光刻胶 进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层
消除损伤
退火方式：
炉退火
快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激 光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨 加热器、红外设备等)
氧化工艺
氧化：制备SiO2层 SiO2的性质及其作用 SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，
去掉氮化硅层
P阱离子注入，注硼
推阱
去掉N阱区的氧化层 退火驱入
形成场隔离区
生长一层薄氧化层 淀积一层氮化硅
光刻场隔离区，非隔离区被 光刻胶保护起来
反应离子刻蚀氮化硅 场区离子注入 热生长厚的场氧化层 去掉氮化硅层
形成多晶硅栅
生长栅氧化层 淀积多晶硅 光刻多晶硅栅 刻蚀多晶硅栅
掺杂的均匀性好 温度低：小于600℃ 可以精确控制杂质分布 可以注入各种各样的元素 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
离子注入系统的原理示意图
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
退火
退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的 在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都 可以称为退火
Salicide工艺
淀积多晶硅、刻蚀 并形成侧壁氧化层；
淀积Ti或Co等难熔 金属
RTP并选择腐蚀侧 壁氧化层上的金属；
最后形成Salicide 结构
形成硅化物
淀积氧化层 反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层 淀积难熔金属Ti或Co等 低温退火，形成C-47相的TiSi2或CoSi 去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Co 高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或CoSi2
氧化层刻蚀掉，并去掉光刻胶 进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层
第四章半导体材料-PPT课件
h
并非所有半导体都能发光。Si、Ge不发光。由能 带结构决定。间接能带结构的半导体不发光。直接能带 结构的半导体才发光。（发光材料一章介绍） Si、Ge是间接能带结构。Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAs、 InP是直接能带，可以发光，被用作激光器和发光管。
目前，科学家正努力寻找Si发光的方法，如Si纳米 结构、超晶格。若成功，将使微电子器件和光电子器 件集中在一个硅片上，能大大提高效率、降低成本， 称为光电集成。
统称为半导体微结构材料（人工材料）
A B 异质结—两种不同半导体材料组成的结 量子阱—两个同样异质结背对背 ABA B ABA B 超晶格—两种或以上薄层周期性交替 生长。
半导体中自由电子局限于一个平面内运动——二维 电子气 理论上证明：二维运动电子发射光比 体材料三维运动电子发光更集中，更适合 做激光器，还有其他应用。 可以选择不同材料，设计具有不同禁带宽度和光 学性质的量子阱、超晶格制作新型光电器件——称为能 带裁剪工程。 二、超晶格种类 1、组分超晶格 不同半导体材料薄膜堆垛而成。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P
施主
P
P
n型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
当T升高，电子激发到 导带，在价带留下空穴。在 电场作用下，导带中电子和 价带中空穴均导电，称为本 征导电。
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
精选课件ppt
6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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精选课件ppt
25
精选课件ppt
26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
精选课件ppt
40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
教学课件PPT基本半导体材料及晶圆制备
由在外延层上还是在衬底上制造器件可分为 正外延和负外延（反外延）；
由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气 相外延和分子束外延；由外延过程中的生长 机构可分为直接外延和间接外延。
“切克劳斯基法”生长单晶 硅
单晶硅生长
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接 着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生 成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶 体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需 要花费三天时间生长。
掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获 得期望的电阻率
杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性， 要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚 金属沾污，但要适量。
半导体的电导率：σ =μ n*n+ μ p*p μ n 电子迁移率。 μ p 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比
4、本征硅半导体的 结构
1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。
3多晶和单晶
多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排 列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似， 每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具 有多晶结构。
。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测 的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可 预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾， 晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的 晶元是至关重要的
3. 电阻率和迁移率
1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的
能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为
倒数。
R
由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气 相外延和分子束外延；由外延过程中的生长 机构可分为直接外延和间接外延。
“切克劳斯基法”生长单晶 硅
单晶硅生长
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接 着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生 成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶 体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需 要花费三天时间生长。
掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获 得期望的电阻率
杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性， 要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚 金属沾污，但要适量。
半导体的电导率：σ =μ n*n+ μ p*p μ n 电子迁移率。 μ p 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比
4、本征硅半导体的 结构
1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。
3多晶和单晶
多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排 列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似， 每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具 有多晶结构。
。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测 的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可 预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾， 晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的 晶元是至关重要的
3. 电阻率和迁移率
1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的
能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为
倒数。
R
半导体材料 ppt课件
1.2.3 固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质， 就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导 体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体， 但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比 所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及 有关性质也随之变化。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也 可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取 代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体 等（见表1.1 ）。
表1.1 半导体材料分类及其开发情况 * 此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。
半导体制造流程PPT课件
2019/9/10
3
晶圆处理制程
融化（MeltDown）
颈部成长（Neck Growth）
晶柱成长制程
晶冠成长（Crown Growth）
晶体成长（Body Growth）
尾部成长（Tail Growth）
2019/9/10
4
晶圆处理制程
切片 （Slicing）
圆边 （Edge Polishin
2019/9/10
16
晶圆处理制程
• 离子注入是另一种掺杂技术，离子注入掺杂也分为两 个步骤：离子注入和退火再分布。离子注入是通过高 能离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被 注入硅本体，在其他部位，杂质离子被硅表面的保护 层屏蔽，完成选择掺杂的过程。进入硅中的杂质离子 在一定的位置形成一定的分布。通常，离子注入的深 度(平均射程)较浅且浓度较大，必须重新使它们再分 布。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺 杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。
• 一个现代的IC含有百万个以上的独立组件，而其尺寸通 常在数微米，在此种尺寸上，并无一合适的机械加工机 器可以使用，取而代之的是微电子中使用紫外光的图案 转换(Patterning),这个过程是使用光学的图案以及光感 应膜來将图案转上基板,此种过程称为光刻微影 (photolithography）
2019/9/10
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晶圆处理制程
曝光（exposure） • 在光刻微影过程，首先为光阻涂布，先将适量光阻滴上基
板中心，而基板是置于光阻涂 布机 的真空吸盘上，转盘 以每分钟數千转之转速，旋转30-60秒，使光阻均匀涂布 在 基板上，转速与旋转时间，依所需光阻厚度而定。 • 曝照于紫外光中，会使得光阻的溶解率改变。紫外光通过 光罩照射于光阻上，而在光照及阴影处产生相对应的图形 ，而受光照射的地方，光阻的溶解率产生变化，称之 为光 化学反应， 而阴影处的率没有变化，这整个过称之为曝光 （exposure）。
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减小缺陷密度是提高硅片成品率的重要方面
点缺陷：空位缺陷，间歇缺陷，弗朗克缺陷
位错 在晶胞形成重复性结构时，发生错位。可以再晶 体生长和硅片制备中的任意一个阶段产生。
层错 与晶体结构相关，经常发生在晶体生长过程中
感谢下 载
晶体缺陷
颗粒 晶体表面的颗粒数量应加以控制，使在芯片制造中 的成品率损失降到最底，
体电阻率硅锭的体电阻率依赖于在晶体生长前掺杂到熔体 中的杂质浓度
单晶制备过程中的缺陷
在单晶制备和器件制造过程中，造成的硅单晶中一些原子 的排列发生错乱称为单晶缺陷。
主要来自于晶体生长条件的不良影响造成的位错缺陷、 微缺陷、晶粒间界等
装置：筛板塔
组成部分
蒸馏釜体 精馏塔柱 冷凝器 回流管
用于盛装原料 是装置的核心部分 内部由筛板组成
气化物质进过冷凝为液化
出料口
精馏塔装置示意图
晶体的生长方式
固相生长方式
通过固——固相转变完成的晶体生长
方式的过程，如石墨变成金刚石。
液相生长方式 包括溶液中生长和熔体中生长GaAs外延为 溶液中生长，硅单晶为熔体中生长。
缩颈 通常采用高温熔接低温快速细长缩颈 放肩阶段 指从缩颈到要求长度后将晶体放大到所需直
径的这一段时间的操作过程 等经生长 放肩至接近所需直径时，适当升温、增加提拉
速度，使晶体圆滑的转入等直径生长 收尾阶段
直拉单晶生长工艺步骤
籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢的拉起，它的方向 与坩埚的旋转方向相反，熔体上的液体因为表面张力而提 高
粗硅的形成： 高温炭还原
Si O2 2C Si CO
1600 ~ 1800 四氯化硅的形成：
高温氯化
Si 2C L2 SiC L4
500 ~ 700
高纯多晶硅的形成：
高温氢还原
SiC L4 2H 2 Si 4HCL
1000 ~ 1200
高纯四氯化硅的提纯
采用精馏提纯技术 基本原理，将待提纯的原料置于一被 称为 “精馏塔”的装置中，对其进行反复的蒸馏 ，根据 杂质的沸点不同，具有不同的挥发能力，进而实现各元素 的分离。
半导体材料的制备
半导体级硅
用来做芯片的高纯硅称为半导体级硅，有时也称为 电子级硅，硅是做半导体器件的一种很好的材料。
为了器件的需要，就要把它制作成想要的晶向、适 量的掺杂浓度和半导体硅片制备所需的物理尺寸。
单晶硅材料制备流程
原料（石英石-二氧化硅）——粗硅——四氯化 硅——高纯四氯化硅——高纯多晶硅——单晶硅 硅棒——单晶定向切片——研磨——抛光——清 洗——检查——包装
优点：较稳定，能产生平整的切面
研磨和倒角
研磨：去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平 行及平坦，复合平整度要求的硅片
倒角：获得平滑的半径周线，在硅片边缘的裂痕和小裂缝 会在硅片上产生机械应力并会产生位错
抛光
是一种表面全局平坦化技术，通过硅片和一个抛光头之 间的相对运动来平坦化硅片表面 目的：符合光洁度指标要求的硅片
纯化学抛光 纯机械抛光 化学机械抛光
质量检测
物理尺寸 为了达到芯片生产中器件制造的要求以及适 合 制造厂自动传诵设备的要求
平整度 平整度是硅片最主要的参数之一，因为光刻工 艺对局部位置的平整度是非常敏感的
含氧量控制硅锭中的含氧量是非常重要的，而且随着更大 的尺寸，难度也会越大，少量的氧起到俘获中心的作用， 能束缚硅中的玷污 ，过多的氧会导致PN结漏电流增加
直拉法 把溶化了的半导体级硅液体变为正确晶向并且 被参杂成n型或者是p型的固体硅锭 ，属于液相生长。
目的：是实现均匀参杂浓度的同时精确地复制籽晶结 构，得到合适的硅锭直径
影响直拉法的主要参数：拉伸速度和晶体旋转速度。
直拉单晶生长过程
引种 就是将满足正确晶向的单晶硅与熔硅接触并控制引 晶的温度
掺杂
为了得到所需的电阻率的晶体，掺杂材料被加到单晶炉的 熔体中，常用的掺杂杂质为三价硼五价磷。
杂质控制 主要是控制杂质氧
去掉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ端
整形处理
径向研磨（ 产生精确的直径）
硅片定位边或者定位槽（表示硅片的径向和结构）
切片
产生符合要求厚度的硅片 外圆切割机 适合于大直径的硅片切割 内圆切割机 内圆切割机先定向后切割
气相生长方式 由气相向固相的转变过程
单晶硅硅棒生长
指把半导体级硅制作成需要晶向、掺杂浓度和所需尺寸的 硅锭，有区熔法和直拉法两种。
区熔法 它所生产的单晶硅锭含氧非常少，能生产目前最 纯的硅单晶，直径比直拉法小。
籽晶固定到一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶 与硅棒的接触区域，由于不用坩埚，硅纯度高且含氧量低。
点缺陷：空位缺陷，间歇缺陷，弗朗克缺陷
位错 在晶胞形成重复性结构时，发生错位。可以再晶 体生长和硅片制备中的任意一个阶段产生。
层错 与晶体结构相关，经常发生在晶体生长过程中
感谢下 载
晶体缺陷
颗粒 晶体表面的颗粒数量应加以控制，使在芯片制造中 的成品率损失降到最底，
体电阻率硅锭的体电阻率依赖于在晶体生长前掺杂到熔体 中的杂质浓度
单晶制备过程中的缺陷
在单晶制备和器件制造过程中，造成的硅单晶中一些原子 的排列发生错乱称为单晶缺陷。
主要来自于晶体生长条件的不良影响造成的位错缺陷、 微缺陷、晶粒间界等
装置：筛板塔
组成部分
蒸馏釜体 精馏塔柱 冷凝器 回流管
用于盛装原料 是装置的核心部分 内部由筛板组成
气化物质进过冷凝为液化
出料口
精馏塔装置示意图
晶体的生长方式
固相生长方式
通过固——固相转变完成的晶体生长
方式的过程，如石墨变成金刚石。
液相生长方式 包括溶液中生长和熔体中生长GaAs外延为 溶液中生长，硅单晶为熔体中生长。
缩颈 通常采用高温熔接低温快速细长缩颈 放肩阶段 指从缩颈到要求长度后将晶体放大到所需直
径的这一段时间的操作过程 等经生长 放肩至接近所需直径时，适当升温、增加提拉
速度，使晶体圆滑的转入等直径生长 收尾阶段
直拉单晶生长工艺步骤
籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢的拉起，它的方向 与坩埚的旋转方向相反，熔体上的液体因为表面张力而提 高
粗硅的形成： 高温炭还原
Si O2 2C Si CO
1600 ~ 1800 四氯化硅的形成：
高温氯化
Si 2C L2 SiC L4
500 ~ 700
高纯多晶硅的形成：
高温氢还原
SiC L4 2H 2 Si 4HCL
1000 ~ 1200
高纯四氯化硅的提纯
采用精馏提纯技术 基本原理，将待提纯的原料置于一被 称为 “精馏塔”的装置中，对其进行反复的蒸馏 ，根据 杂质的沸点不同，具有不同的挥发能力，进而实现各元素 的分离。
半导体材料的制备
半导体级硅
用来做芯片的高纯硅称为半导体级硅，有时也称为 电子级硅，硅是做半导体器件的一种很好的材料。
为了器件的需要，就要把它制作成想要的晶向、适 量的掺杂浓度和半导体硅片制备所需的物理尺寸。
单晶硅材料制备流程
原料（石英石-二氧化硅）——粗硅——四氯化 硅——高纯四氯化硅——高纯多晶硅——单晶硅 硅棒——单晶定向切片——研磨——抛光——清 洗——检查——包装
优点：较稳定，能产生平整的切面
研磨和倒角
研磨：去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平 行及平坦，复合平整度要求的硅片
倒角：获得平滑的半径周线，在硅片边缘的裂痕和小裂缝 会在硅片上产生机械应力并会产生位错
抛光
是一种表面全局平坦化技术，通过硅片和一个抛光头之 间的相对运动来平坦化硅片表面 目的：符合光洁度指标要求的硅片
纯化学抛光 纯机械抛光 化学机械抛光
质量检测
物理尺寸 为了达到芯片生产中器件制造的要求以及适 合 制造厂自动传诵设备的要求
平整度 平整度是硅片最主要的参数之一，因为光刻工 艺对局部位置的平整度是非常敏感的
含氧量控制硅锭中的含氧量是非常重要的，而且随着更大 的尺寸，难度也会越大，少量的氧起到俘获中心的作用， 能束缚硅中的玷污 ，过多的氧会导致PN结漏电流增加
直拉法 把溶化了的半导体级硅液体变为正确晶向并且 被参杂成n型或者是p型的固体硅锭 ，属于液相生长。
目的：是实现均匀参杂浓度的同时精确地复制籽晶结 构，得到合适的硅锭直径
影响直拉法的主要参数：拉伸速度和晶体旋转速度。
直拉单晶生长过程
引种 就是将满足正确晶向的单晶硅与熔硅接触并控制引 晶的温度
掺杂
为了得到所需的电阻率的晶体，掺杂材料被加到单晶炉的 熔体中，常用的掺杂杂质为三价硼五价磷。
杂质控制 主要是控制杂质氧
去掉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ端
整形处理
径向研磨（ 产生精确的直径）
硅片定位边或者定位槽（表示硅片的径向和结构）
切片
产生符合要求厚度的硅片 外圆切割机 适合于大直径的硅片切割 内圆切割机 内圆切割机先定向后切割
气相生长方式 由气相向固相的转变过程
单晶硅硅棒生长
指把半导体级硅制作成需要晶向、掺杂浓度和所需尺寸的 硅锭，有区熔法和直拉法两种。
区熔法 它所生产的单晶硅锭含氧非常少，能生产目前最 纯的硅单晶，直径比直拉法小。
籽晶固定到一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶 与硅棒的接触区域，由于不用坩埚，硅纯度高且含氧量低。