集成电路工艺 第二讲单晶
半导体工艺原理-集成电路制造工艺介绍
GND
Vi
T
Vo
R VDD
23
二）、MOS集成电路芯片制 造工艺
（N阱硅栅CMOS工艺）
24
1、CMOS工艺中的元器件结构
电阻
NSD和PSD电阻结构剖面图
25
多晶硅电阻结构剖面图
26
N阱电阻结构剖面图
27
电容
CMOS工艺中PMOS晶体管电容剖面图
28
CMOS工艺中N阱电容剖面图
29
多晶硅-多晶硅电容器剖面图
双极工艺主要分类
3
CMOS
●标准CMOS工艺（数字电路的主流工艺 技术）特点：互补的NMOS、PMOS，工 艺流程简单，集成度高
●模拟CMOS工艺（应用最广泛的模拟IC 工艺）特点：在标准CMOS的基础上集成 高品质的无源器件，此外对阈值电压精度 和耐压的要求更高
●RF CMOS（RF IC） 特点：依靠缩小光刻尺寸提高MOS晶体管 的速度，集成模拟IC所必需的高品质无源 器件
30
二极管
PSD/N阱齐纳二极管剖面图
31
PSD保护环肖特基二极管剖面图
32
MOS晶体管
N阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图
33
P阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图
34
双阱CMOS工艺中MOS晶体管剖面图
35
2、主要工艺流程图
36
衬底准备
P型单晶片
P+/P外延片
37
工艺流程：
氧化、光刻N-阱(nwell)
NBL
NSINK
P阱
PBL
57
●BCD（智能功率集成芯片） 特点：在BiCMOS优势的基础上再集成 DMOS等功率器件，是智能功率芯片的理 想工艺平台
硅集成电路工艺——硅的制备及其晶体结构
无缺陷
层错
无缺陷
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
a c b a c b a c b a
天津工业大学
体缺陷 Body defects
当向晶体中掺入杂质时，因为杂质在晶体中的溶解度 是有限的，如果掺入数量超过晶体可接受的浓度时， 杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。这是一种三维尺 度上的缺陷。
天津工业大学
区域熔融法（FZ）
区域提炼系统的原理图
天津工业大学
直拉法和区熔法的比较
直拉法 区熔法
优点：可以生长更大直径的晶锭； 生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂
缺点：生长过程中容器、气氛污染较多
优点：生长过程中污染少，可生长极高 纯单晶（高功率、高压器件）
缺点：涡流感应加热的“趋肤”效应限 制了生长的单晶硅锭的直径
天津工业大学
空位（ Vacancies ）
空位的产生需要打破化学键，因而需要一定的能量， 空位的数量随温度的增加而增加。
在不考虑杂质的情况下（即本征intrinsic 情况下）， 含有N个粒子的晶体，在温度为T时空位的平衡浓度为：
n
N
exp
EV kBT
EV 是空位产生能量， kB 是Boltzmann常数，常 温下肖特基缺陷浓度约为1*1010cm-3
天津工业大学
1.2.3 IC制造的基本工艺流程
天津工业大学
§1.3 硅片(晶园、wafer)的制备
1.单晶生长
2.单晶硅锭 3.单晶去头和径
向研磨 4.定位边研磨 5.硅片切割
第2讲 集成电路技术基础知识
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
Intel 公司 CPU—386TM 通信终端新技术
电路规模：275,000个晶体管
生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
Intel 公司最新一代CPU—Pentium® 4
通信终端新技术
电路规模：4千2百万个晶体管
生产工艺：0.13um
ULSI (1990) 107-108 <1 15-10
结深(um) 芯片面积 (mm2)
被加工硅片直 径(mm)
2-1.2 <10
50-75
1.2-0.5 10-25
100-125
0.5-.02 25-50
150
0.2-.01 50-100
>150
通信终端新技术 Intel 公司第一代 CPU—4004
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
交流/直流
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
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通信终端新技术
通信终端新技术
PVD
2,500 additional square feet of "State of the Art" Class One Cleanroom is currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in a Class One enviroment.
集成电路工艺名词解释
1、CZ单晶生长法定义:Cｚoｃｈralski(CZ)－查克洛斯基法生长单晶硅,把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。
85％以上的单晶硅是采用CＺ法生长出来的。
CＺ法特点:a. 低功率IC的主要原料。
b. 占有~８0%的市场。
c. 制备成本较低。
d. 硅片含氧量高。
2、描述氧化物的生长速率,影响这种速率的参数是什么？氧化物生长速率用于描述氧化物在硅片上生长的快慢。
影响他的参数有温度、压力、氧化方式(干氧或湿氧)、硅的晶向和掺杂水平。
3、短沟道效应(Shoｒｔ Channel Effect)：短沟道效应主要是指阈值电压与沟道相关到非常严重的程度。
源-漏两极的p-n结将参与对位于栅极下的硅的耗尽作用，同栅极争夺对该区电荷的控制。
栅长Lg越短，被源-漏两极控制的这部分电荷所占的份额比越大,直接造成域值电压Vt 随栅长的变化。
4、方块电阻(薄层电阻）：方块电阻的大小直接反映了扩散入硅内部的净杂质总量。
Q: 从表面到结边界这一方块薄层中单位面积上杂质总量。
5、体电阻与方块电阻的关系:方块时,l=ｗ，R＝RＳ。
所以,只要知道了某个掺杂区域的方块电阻,就知道了整个掺杂区域的电阻值。
6、固溶度(sｏｌubiｌiｔy）:在平衡条件下，杂质能溶解在硅中而不发生反应形成分凝相的最大浓度。
7、扩散定义：材料中元素分布的不均勻会导致扩散行为的进行，使得元素由浓度高处向浓度低处移动，从而产生的一种使浓度或温度趋于均匀的定向移动。
８、扩散的微观机制都有哪些？给出相关扩散方式的定义及扩散杂质的种类。
①间隙式扩散：杂质进入晶体后，仅占据晶格间隙，在浓度梯度作用下，从一个原子间隙到另一个相邻的原子间隙逐次跳跃前进。
每前进一个晶格间距，均必须克服一定的势垒能量。
势垒高度E ｉ约为0.６~1．2 eV；间隙式扩散杂质包括Au, Ａg, Cｕ， Fe, Ni, Zn, Mｇ, O等,这些杂质均属于快扩散杂质。
cmos集成电路工艺的大致步骤
cmos集成电路工艺的大致步骤CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）集成电路工艺是一种制造集成电路的常用工艺。
下面介绍CMOS集成电路工艺的大致步骤。
首先，制备单晶硅。
单晶硅是CMOS集成电路的基础材料。
在制备单晶硅之前，需要在硅片上形成一个氧化层，称为硅背面的保护层。
然后，使用化学腐蚀或机械磨削的方法将硅片的一个表面做成光滑的，这一面被称为取样面。
接下来，将硅片放入高温炉中，在高温下通过化学气相沉积（CVD）或热分解反应，使硅原子重新排列成为单晶结构，形成单晶硅。
第二步，形成场效应晶体管（MOSFET）。
在硅片上的一层绝缘层上，使用光刻和蚀刻工艺形成形成了沉积原料（多晶硅或金属）的通道区域和源极、漏极。
接下来，在通道区域上形成控制门极层，通常由多晶硅制成。
通过控制掺杂和退火工艺，形成了MOSFET的结构。
第三步，形成互连层。
互连层是将各个元件和器件连接在一起的重要层。
通过光刻和蚀刻工艺，在互连层上形成了铜或铝等金属导线。
接下来，使用化学机械研磨（CMP）工艺将金属导线表面的不平整部分平整化，以确保连接的良好质量。
第四步，形成金属引脚。
在最上面的互连层上，使用光刻和蚀刻工艺形成金属引脚。
这些引脚是与外部设备和器件连接的通道，为集成电路的输入和输出提供接口。
最后一步，进行封装和测试。
在制造工艺的最后阶段，将芯片通过芯片封装技术封装到塑料或金属外壳中，以保护芯片。
然后进行电性能测试，以确保芯片的质量和功能。
总的来说，CMOS集成电路工艺经历了单晶硅制备、MOSFET形成、互连层和金属引脚制造以及封装和测试等阶段。
这些步骤是制造高性能CMOS芯片不可或缺的环节。
了解这些步骤对于理解CMOS集成电路工艺的流程和原理以及相关技术的应用具有重要的指导意义。
集成电路工艺讲义6wy
二.硅气相外延工艺
1. 外延原理
氢还原反应
SiCl4 2H2 Si 4HCl
1000 C
SiCl4 Si(固) 2SiCl2
硅烷热分解
SiH4 Si 2H 2
2013-6-28
600 C
4
2. 生长速率
2013-6-28 10
HCl腐蚀
H2冲洗 降温 N2冲洗
10L/min 10min 260L/min 1min 6min
2013-6-28
11
外延生长程序 (1)N2 预冲洗 260L/min 4min (2)H2 预冲洗 260L/min 5min (3)升温 1 850ºC 5min (4)升温 2 1170ºC 6min (5)HCl 排空 1.3L/min 1min (6)HCl 抛光 1.3L/min 3min (7)H2 冲洗(附面层) 260L/min 1min (8)外延生长: H2: 260L/min SiCl4: 6.4~7g/min PH3: 100PPM; 0.15~0.18L/min T: 1160~1190ºC; 时间随品种而定 (9)H2 冲洗 1170ºC 1min (10)降温 6min (11)N2 冲洗 4min
2013-6-28
28
工艺多样化：
具有相反导电类型的外延层，在器件工
艺中可形成结和隔离区； 薄层外延供器件发展等平面隔离和高速 电路； 选择外延可取代等平面隔离工艺来发展 平面隔离； 绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三 维空间电路
2013-6-28 29
外延分类:气相外延(VPE)－－常用
液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融在结晶 分子束外延(MBE)－－超薄 化学气相淀积(CVD)----低温,非晶 2
《集成电路制造技术》单晶硅特性 ppt课件
硅晶面
(100) 2/a2
(110) 2.8/a2
(111) 2.3/a2
硅常用晶面上原子分布
ppt课件 13
硅晶体为双层立方密积结构
硅单晶由两套面心立方结构套构而 成，有双层密排面AA′BB′CC′
双层密排面：原子距离最近，结合 最为牢固，能量最低，腐蚀困难， 容易暴露在表面，在晶体生长中有 表面成为{111}晶面的趋势。
Si
14 28.9 5.00×1022 金刚石 5.43 2.33 11.7 30 1417 10-7（1050℃） 0.70 1.50 0.90 2.5×10-6 2.8×1019 1.0×1019
Ge
32 72.6 4.42×1022 金刚石 5.66 5.32 16.3 8 937 10-7（880℃） 0.31 0.6 0.36 5.8×10-6 1.0 ×1019 ppt 课件 6.0×1018
硅原子分享共价电子以构成 类似绝缘体的键
纯硅的共价键结构
ppt课件 4
硅、锗、砷化镓电学特性比较
性质
禁带宽度（eV） 禁带类型 晶格电子迁移率 （cm2/V· s） 晶格空穴迁移率 （cm2/V· s） 本征载流子浓度 （cm-3） 本征电阻率（Ω· cm）
Si 1.12 间接 1350 480 1.45×1010 2.3×105
ppt课件
Ge 0.67 间接 3900 1900 2.4×1018 47
GaAs 1.43 直接 8600 250 9.0×106 108
5
性质 原子序数 原子量或分子量 原子或分子密度 （atoms/cm3） 晶体结构 晶格常数（Å） 密度（g/cm3） 相对介电常数 击穿电场（V/μm） 熔点（℃） 蒸汽压（托） 比热（J/g· ℃） 热导率（W/cm· ℃） 扩散系数（cm2/s） 线热膨胀系数 （1/℃） 有效态密度（cm-3） 导带Nc
集成电路 单晶硅晶棒
集成电路单晶硅晶棒
单晶硅晶棒是集成电路制造过程中不可或缺的关键材料。
它被广泛应用于各种电子设备，如计算机、手机、电视等。
单晶硅晶棒的制备过程十分复杂，需要经过多个步骤才能获得高纯度的单晶硅材料。
从矿石中提取出硅石，经过精炼和提纯的过程，将其转化为高纯度的硅块。
然后，将硅块放入电炉中进行熔炼，使其成为液态硅。
接着，在一个特殊的设备中，将液态硅逐渐冷却，形成硅棒。
在制造过程中，需要严格控制温度和其他环境因素，以确保硅棒的质量和纯度。
一旦硅棒形成，它将成为制造集成电路的基础。
通过切割和抛光等工艺，将硅棒切割成薄片，然后通过光刻等工艺在薄片上制造电路。
最后，将多个电路组合在一起，形成集成电路芯片。
单晶硅晶棒的制造过程需要高度精确和复杂的技术，任何一处环节的差错都可能导致整个芯片的失效。
因此，对于制造商来说，掌握先进的制造工艺和技术是非常重要的。
集成电路在现代社会中的应用非常广泛，几乎涵盖了所有的电子设备。
从计算机到手机，从电视到汽车，甚至到家电产品，都离不开集成电路。
而单晶硅晶棒作为集成电路的核心材料之一，承载着实现电子设备高性能和高稳定性的重要任务。
单晶硅晶棒在集成电路制造中发挥着至关重要的作用。
通过精细的制造工艺和高纯度的材料，它成为了集成电路芯片的基石。
在未来，
随着科技的不断进步，单晶硅晶棒的制造技术也将不断提升，为电子设备的发展带来更多可能性。
单晶操作工艺规程
单晶操作工艺规程
一、定义
本规程定义了晶圆制造操作的工艺要求：包括原料准备、加工、检测和包装等操作。
二、原料准备
1、检查原料：检查原料是否符合技术要求，包括晶圆尺寸和厚度，外观表面状况，电学参数等；
2、擦拭晶圆：擦除晶圆表面的锈蚀、氧化物等杂质；
3、洗涤晶圆：用适当的溶剂清洗晶圆，消除表面污染，确保晶圆在加工过程中表面不发生变化；
4、晶圆固定：采用气压支撑装置将晶圆固定在加工架上，以保证加工过程中晶圆不动。
三、加工
1、断角处理：通过磨削、打磨等方式处理晶圆的断角，保证晶圆的表面光洁度和质量；
2、表面处理：晶圆表面有多种处理方法，根据不同的要求，可以采用抛光、蚀刻、气流清洗等方法，进行表面处理；
3、钻孔：将晶圆表面的活塞孔、过孔、槽等位置进行钻孔，以满足需要；
4、焊接：在晶圆表面焊接各种零件，以满足特定要求。
四、检测
1、观察检查：每批晶圆加工完成后，进行观察检查，评估晶圆的外观及其他参数是否符合要求；
2、物理测试：使用各种仪器对晶圆进行物理测试，以确定晶圆加工的准确性；。
集成电路重要工艺流程
集成电路重要工艺流程1.生产晶圆(Wafer Ingot)半导体材料是单晶组成。
而它是由大块的具有多晶构造和未掺杂的本征材料生长得来的。
把多晶块转变成一个大单晶，并赐予正确的晶向和适量的N 型或P 型掺杂，叫做晶体生长。
有两种不同的生长方法，直拉法和区熔法。
晶体的生长原理格外简洁和生疏。
假设在最终要蒸发的饱和溶液中参加一些糖晶体。
糖晶体的作用是作为额外的糖分子沉积的种子。
最终这个晶体能生长的格外大。
晶体的生长即使在缺乏种子的状况下也会发生，但产物中会有混乱的小的晶体。
通过抑制不需要的晶核区，种子的使用能生长更大，更完善的晶体。
理论上，硅晶体的生长方式和糖晶体的全都。
实际上，不存在适合硅的溶剂，而且晶体必需在超过1400℃的熔融状态下生长。
最终的晶体至少有一米长，十厘米的直径，假设他们要用在半导体工业上的话还必需有接近完善的晶体构造。
这些要求使得工艺很有挑战性。
通常生产半导体级别的硅晶体的方法是Czochralski 工艺。
这个工艺使用装满了半导体级别的多晶体硅的硅坩锅。
电炉加热硅坩锅直到全部的硅溶化。
然后温度渐渐降低，一小块种子晶体被放到坩锅里。
受掌握的冷却使硅原子一层一层的沉积到种子晶体上。
装有种子的棒缓慢的上升，所以只有生长中的晶体的低层局部和熔融的硅有接触。
通过这个方法，能从溶化的硅中一厘米一厘米的拉出一个大的硅晶体。
2.光刻〔Photo〕光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的周密外表加工技术。
光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形从而实现选择性集中和金属薄膜布线的目的。
光刻是集成电路制造过程中最简单和最关键的工艺之一。
光刻是加工集成电路微图形构造的关键工艺技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越简单。
另—方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。
光刻工艺是完成在整个硅片上进展开窗的工作。
光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料--光刻胶是通过旋涂技术在工艺中后加工的。
单片集成电路工艺
单片集成电路工艺：
单片集成电路工艺是一种制造集成电路的技术，它将多个电子器件集成在一块芯片上，实现电路功能。
该工艺涉及多个步骤和复杂的技术，包括晶圆制造、光刻、刻蚀、掺杂、表面处理等。
具体来说，单片集成电路工艺的流程如下：
1.晶圆制造：制造出一块硅晶片，作为集成电路的基底。
硅晶片需要经过研磨、抛光、
氧化等处理，以提高表面的平整度和纯度。
2.光刻：使用光刻技术将电路图案转移到硅晶片上。
这一步需要使用到掩膜版和光刻
胶等材料，通过曝光和显影等步骤，将电路图案转移到硅晶片上。
3.刻蚀：将光刻后的硅晶片进行刻蚀，将电路图案转移到硅晶片上，形成电路元件和
互连结构。
4.掺杂：通过向硅晶片中掺入其他元素，改变其导电性，以便制造出不同的元件和材
料。
5.表面处理：对硅晶片的表面进行钝化、保护、填充等处理，以提高其耐久性和可靠
性。
6.测试和封装：对制造完成的集成电路进行测试和封装，以确保其正常工作。
集成电路工艺 第二讲单晶
氧含量(ppm)
体微缺陷(缺陷数/cm2) 单位面积颗粒数
≤24±2
≤5000 0.17
≤23±2
≤1000 0.13
≤23±1.5
≤500 0.075
≤22±1.5
≤100 0.055
外延层厚度(μm)
3.0(±5%)
2.0(±3%)
1.4(±2%)
1.0(±2%)
ppm:百万分之
硅晶体中的缺陷
硅片质量标准
3. 表面微粗糙度 表面微粗糙度是测量硅片表面微小范围内最高 点和最低点的高度偏差，取规定平面内所有测量数 值的均方根，单位是纳米。表面微粗糙度会影响硅 片上介质层的击穿特性。 4. 氧含量 硅中少量的氧成为吸咐中心，能够俘获硅中的 金属沾污，但过量的氧则会形成淀积，影响硅的机 械特性和电学特性，例如：引起硅片变形、导致器 件的漏电流增加。
• 缺点：无天然氧化物，材料易碎，资源匮乏，砷含 巨毒，成本高。
为什么要用单晶进行硅片制造？
集成电路制造的所有工艺步骤都是在硅圆片上完成， 硅晶体的性质特点和制备质量将会影响到芯片制造的工 艺过程和芯片的最终质量。 硅属四价元素，其原子 按照金刚石结构排列。 单晶硅：由金刚石结构晶格 整齐地、周期性重复排列形 成的一块硅晶体； 多晶硅：由许多微小单晶硅 晶粒无规则堆积而成的硅晶 体。
学习与思考
1.
2. 3.
为何选择硅作为主要的半导体材料?
其他可选的半导体材料是什么? 为什么要用单晶进行硅片制造?
4.
5. 6.
MOS器件主要使用哪种方向晶面? 双极器件呢?
生长单晶硅的主要过程是什么? 常用的单晶硅生长方法有哪些? 为什么要用硅籽晶? 叙述直拉法制备硅晶体的工艺过程。
集成电路工艺之硅的晶体结构(共49张PPT)
多晶半导体－单晶
❖直拉法（Czochralski 法）单晶生长 ▪ 从融体（即其材料是以液态的形式存在）中生 长单晶硅的技术 ▪ 绝大多数单晶硅的主流生产技术
v悬浮区熔法单晶生长 n用来生产高纯度的硅单晶 下一页
第42页，共49页。
直拉法
第43页，共49页。
柴可拉斯基拉晶仪
直拉法
❖ 直拉法是熔融态物质的结晶的过程 ❖ 直拉法
▪ 需要的材料：电子级纯度的硅,将石英还原提纯 至99.999999999%
▪ 生长系统:抽真空的腔室内放置坩埚（熔融石 英），腔室内充保护性气氛（氩气），将坩埚加 热至1500 ℃ 左右，籽晶（直径0.5cm,10cm 长）降下来与熔料相接触
▪ 随着籽晶的提拉，生成柱状晶锭（直径可达 300mm以上，长度一般1~2m)
第44页，共49页。
硅的悬浮区熔工艺
第45页，共49页。
硅的悬浮区熔工艺
❖ 在操作过程中，利用射频加热器使一小区域的多 晶棒熔融。射频加热器自底部籽晶往上扫过整个 多晶棒，由此熔融带也会扫过整个多晶棒。当悬 浮熔区上移时，在再结晶处长出单晶且以籽晶方 向延伸生长。
❖ 该方法可生产比直拉法更高阻值的物质，主要用 于需要高阻率材料的器件，如高功率、高压等器 件。 返回
线缺陷：刃位错、螺位错 第一章 硅的晶体结构与单晶生长
2 晶向、晶面和堆积模型
❖ 1.3 硅晶体中的缺陷 硅原子半径： rsi= =1.
面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表面上
简单立方 体心立方
面心立方
替位式固溶体 杂质占据格点位置
❖ 1.4 硅中的杂质 金刚石晶格是由两套面心立方晶格套构而成，故其{111}晶面是原子密排面。
集成电路工艺原理.
第一章衬底材料1、三种单晶制备方法的特点和用途比较直拉法（引晶，缩颈，放肩，等径生长，收晶）基本原理：将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热，使多晶硅熔化，然后利用籽晶来拉制单-固相界面附近存在温度梯度(dT/dz)。
区熔法（悬浮区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后竖直固定在区溶炉上、下轴之间；水平区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后水平固定在区溶炉左、右轴之间）基本原理：将籽晶与多晶硅棒紧粘在一起，利用分段熔融多晶棒，在溶区由籽晶移向多晶硅棒另一端的过程中，使多晶硅转变成单晶硅。
中子嬗变掺杂法：利用热中子（即低能中子）对高阻单晶进行辐照，从而使其电阻率发生改变的方法。
主要用来对高阻区熔单晶电阻率的均匀性进行调整。
三种单晶制备方法的比较方法C、O含量直径电阻率大小电阻率均匀性用途直拉法较高大低径向、轴向均匀性很差制作VLSI区熔法较低较小高径向、轴向均匀性较差制作PowerDevice中子嬗变法不变不变可调较好调整电阻率2、硅中有害杂质的分类、存在形式及其影响非金属主要有C、O、H原子。
重金属主要有Au、Cu、Fe、Ni原子。
金属主要有Na 、K、Ca、Al、Li、Mg、Ba 原子等。
分类种类存在形式主要影响影响器件的特性参数(UT,β,Usat,fT)；影响硅单晶的力O 间隙位置学性质(降低其机械强度)；有源区外的氧有利于吸收附非金属近的重金属杂质,增强硅器件抗α粒子辐射的能力。
C 替位位置影响硅器件的电学性质(IR↑，UB↓)；会减小硅的晶格常数，引起晶格畸变；间隙90% 有多个能级和双重电活性(受主或施主)或复合重金属Au 替位10% 中心, 影响硅的电阻率(ρ)和寿命(τ)；有效的复合中心影响较严重，除影响τ, ρ外，易在缺陷处形成杂Cu Fe 深能级质线和沉积微粒，使器件产生等离子击穿、PN结漏电“管道”等现象金属Na,K 间隙位置参与导电、影响器件的电学特性；Al Al会对N型材料的掺杂起补偿作用,使ρ↑3、硅中杂质吸除技术的分类，四种非本征杂质吸除方法的原理。
《集成电路工艺》幻灯片
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微芯片涉及的5个大的制造阶段
1、硅片制备 2、工艺制造 3、硅片测试/拣选 4、装配与封装 5、终测
1、硅片制备
单晶生长 圆片制备
单晶生长
观看 单晶生长
圆片制备
观看 圆片制备
• 硅片制备
2、工艺制造
氧化扩散 离子注入 光刻 等离子刻蚀 物理气相淀积
氧化扩散
观看 氧化扩散
离子注入
观看 离子注入
光刻
观看 光刻
等离子刻蚀
观看 等离子刻蚀
物理气相淀积：蒸发、溅射
观看 溅射
多晶硅栅的形成
3、硅片测试/拣选
• 自动参数测试系统的组成
• 自动测试仪的探针卡
4、装配与封装
• 传统装配与封装
• 传统装配
背面减薄 分片 装架 引线键合
• 反面减薄示意图
• 硅片锯和被划硅片
• 环氧树脂粘贴
引线键合
• 热压键合 • 超声键合 • 热超声球键合
• 从芯片压点到引线框架的引线键合传统封装来自• 塑料封装 • 陶瓷封装
• 典型的集成电路封装形式
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为何选择硅？
1. 硅的丰裕度 2. 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 3. 更宽的工作温度范围 4. 氧化硅的自然生成
其他可选的半导体材料 ——GaAs
• 属III-V族化合物； • 电阻率高达108Ω-cm，容易实现器件之间的隔离； • 电子迁移率高，寄生电容小，信号损耗少，用于无 线、高速数字通信及高速光电子器件； • 抗辐射能力强，应用于军事或空间领域；
学习与思考
1.
2. 3.
为何选择硅作为主要的半导体材料?
其他可选的半导体材料是什么? 为什么要用单晶进行硅片制造?
4.
5. 6.
MOS器件主要使用哪种方向晶面? 双极器件呢?
生长单晶硅的主要过程是什么? 常用的单晶硅生长方法有哪些? 为什么要用硅籽晶? 叙述直拉法制备硅晶体的工艺过程。
7.
8. 9.
硅片质量标准
1995(0.35) 硅片直径(mm) 位置平整度(μm) 位置尺寸(mm ×mm) 上表面粗糙度(nm) 200 0.23 22×22 0.2 1998(0.25) 200 0.17 26×32 0.15 2000(0.18) 300 0.12 26×32 0.1 2004(0.13) 300 0.08 26×36 0.1
维和三维缺陷。
硅片质量检查
导电类型测试——热探针法 电阻率测试——直流四探针法 晶向测量——铬酸腐蚀法 非平衡少数载流子寿命 ——双脉冲 直流光电导衰减 高频电导法
陷。
点缺陷的形成
线缺陷（位错）的形成
面缺陷（层错）、体缺陷的形成
面缺陷的形成是在二维平面上原子的排列不是规
则的。例如由许多小晶粒堆垛起来的多晶硅，其各个 晶粒的界面之间是错排的，这种在晶体结构中由堆积
形成的错位称为堆垛层错，简称层错。
体缺陷在三个方向上原子无规则排列。当掺杂数 量超过晶体的固溶度时，杂质会在晶体中淀积，形成 体缺陷。 无论如何硅中的缺陷越少越好，尤其不希望是二
氧含量(ppm)
体微缺陷(缺陷数/cm2) 单位面积颗粒数
≤24±2
≤5000 0.17
≤23±2
≤1000 0.13
≤23±1.5
≤500 0.075
≤22±1.5
≤100 0.055
外延层厚度(μm)
3.0(±5%)
2.0(±3%)
1.4(±2%)
1.0(±2%)
ppm:百万分之
硅晶体中的缺陷
硅中的晶体缺陷（crystal defect）是指单晶硅的有 规律重复排列的晶体结构出现了中断、位错等不完整的 现象。缺陷严重影响半导体器件的光学、电学和机械性 能，例如降低二氧化硅介质的击穿电压，增加器件的漏 电流等。因此提高芯片生产的成品率的一个重要方面是 设法减少缺陷密度。 硅中主要有以下四种缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺
• 缺点：无天然氧化物，材料易碎，资源匮乏，砷含 巨毒，成本高。
为什么要用单晶进行硅片制造？
集成电路制造的所有工艺步骤都是在硅圆片上完成， 硅晶体的性质特点和制备质量将会影响到芯片制造的工 艺过程和芯片的最终质量。 硅属四价元素，其原子 按照金刚石结构排列。 单晶硅：由金刚石结构晶格 整齐地、周期性重复排列形 成的一块硅晶体； 多晶硅：由许多微小单晶硅 晶粒无规则堆积而成的硅晶 体。
MOS器件用哪种晶面？双极器件呢？
硅原子有规律地分布在一些直线上，所有的晶格原子 沿着这些直线重复排列，我们将这些直线走向称为晶向， 用一种称为密勒系统的符号来表示。硅晶体中的晶向主要 有三类：<100>、<110>、<111>。 硅原子还是有规律地分布在不同的晶面上。在芯片制 造工艺中使用最多的晶面是(100)、(110)、(111) 。
硅片质量标准
5. 晶体缺陷 硅中的晶体缺陷（crystal defect）是指单晶硅 的有规律重复排列的晶体结构出现了中断、位错等 不完整的现象。缺陷严重影响半导体器件的光学、 电学和机械性能，例如降低二氧化硅介质的击穿电 压，增加器件的漏电流等。因此提高芯片生产的成 品率的一个重要方面是设法减少缺陷密度。 6. 颗粒 硅片表面的颗粒会降低芯片制造的成品率，须 采用有效的清洗方法去除颗粒 7. 体电阻率
MOS、 GaAs
双极
单晶硅生长
制备单晶硅必须经过两个主要过程： • 将地壳中含量丰富的硅酸盐和二氧化硅经过还原反应， 再用蒸馏提纯法提纯出纯度达到99.999999999%（又称半导 体级硅:semiconductor-grade silicon）的多晶硅。 • 然后将多晶硅加热至熔融态，用一块具有所需要晶向的 单晶硅作为籽晶放入熔化的多晶硅中，籽晶被复制生长转 换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅被称为硅锭。 常用的单晶硅生长方法有切克拉斯基法和区熔法。
切克拉斯基（Czochrolski）法
为什么要用籽晶？
区熔法
特点：先形成多晶硅圆棒，再在高温下融化成单晶硅。
为什么要追求更大直径的硅锭？
各种类型的硅片如何标识？
≥200mm
硅片制备的基本工艺过程
整型处理
硅片质量标准
硅片的质量评测主要从以下几个方面考虑： 1. 物理尺寸 在硅片制备中要控制和测量的物理尺寸如硅片 直径、厚度、晶向、定位边或定位槽以及硅片的翅 曲变形。 2. 平整度 硅片平整度直接影响光刻工艺的质量，是测量 将硅片水平放置时，硅片的背面和上表面之间厚度 的一致性。点平整度是硅片上一个特定点周围的平 整度，整体平整度是整个硅片但不包括硅片表面周 边无用区域的平整度。
Wafer Process Flow
Materials
wafer
Thermal Processes Implant PR strip Photolithography Etch PR strip篇
学习目标：
单晶硅和硅片制备
1.了解晶体结构和单晶硅的制备方法
2.了解硅片制备的工艺过程 3.了解硅晶体的主要缺陷 4.硅片供应商的质量标准 5.硅片质量检查方法
为什么要追求更大直径的硅锭?
从单晶硅到IC制造用的硅片，还要经过哪些工艺过程？目的是什么？ 如何识别各种类型的硅片?
10.
硅片的质量评测包括哪些方面？如何检查硅片质量参数?
为何选择硅？
1. 硅的丰裕度 2. 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 3. 更宽的工作温度范围
硅、锗及砷化镓的ni与温度的关系
硅片质量标准
3. 表面微粗糙度 表面微粗糙度是测量硅片表面微小范围内最高 点和最低点的高度偏差，取规定平面内所有测量数 值的均方根，单位是纳米。表面微粗糙度会影响硅 片上介质层的击穿特性。 4. 氧含量 硅中少量的氧成为吸咐中心，能够俘获硅中的 金属沾污，但过量的氧则会形成淀积，影响硅的机 械特性和电学特性，例如：引起硅片变形、导致器 件的漏电流增加。