Michael quirk半导体制造技术_第四章硅和硅片制备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
半导体材料制造技术
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。
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），
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
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。
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。
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），
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
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。
Michael quirk_半导体制造技术_附录图
Figure A.1
Definitions of Exposure Limits
(Refer to p. 602 for details) • TLV-TWA: Threshold limit values – time weighted average. • TLV-STEL: Threshold limit values – short term exposure limit. • IDLH: Immediately dangerous to life and health.
examplesofhazardsinsemiconductormanufacturing?processchemicals?highlyflammablegases?pyrophoricgases?corrosivegases?toxicorcausticliquids?highvoltages?solvents?mechanicalhazards?hightemperatures?radiationuvlaserxray?freezingtemperatureshazardwarningsignfigurea1332wredwhiteyellowbluehealthhazard0normalnohazard1slighthazard2hazardous3extremelyhazardous4deadlyfirehazard0nonflammable1above200?f2below200?f3below100?f4below73?freactivity0stablenonreactive1unstableifheated2violentlyreactive3maydetonatewithheatorshock4maydetonatespecifichazardoxyoxidizeraciacidalkalkalicorcorrosivewusenowaterradiationhazarddefinitionsofexposurelimitsrefertop
半导体制造技术第四章PPT课件
①定义
半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的 技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。
②晶体缺陷的影响
A：生长出不均匀的二氧化硅膜 B：淀积的外延膜质量差 C：掺杂层不均匀 D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正 常工作。
.
11
硅中三种普遍的缺陷形式
• 点缺陷：原子层面的局部缺陷 • 位错：错位的晶胞 • 层错：晶体结构的缺陷
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶 圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个 芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体 结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正 是对晶圆生产的一个挑战。
.
3
2.1 硅的晶体结构
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
24 2
5000
0.17
3.0 ( 5%)
Year
(Critical Dimension)
1998
2000
(0.25 mm) (0.18 mm)
200
0.17 (26 x 32)
0.15
300
0.12 26 x 32
0.1
23 2
23 1.5
1000
500
0.13
0.075
2.0 ( 3%) 1.4 ( 2%)
非晶：原子排列无序 晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，
晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单 元。 单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。 多晶体：晶胞排列不规律
.
4
非晶原子排列
.
5
三维结构的晶胞
晶胞
.
6
半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的 技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。
②晶体缺陷的影响
A：生长出不均匀的二氧化硅膜 B：淀积的外延膜质量差 C：掺杂层不均匀 D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正 常工作。
.
11
硅中三种普遍的缺陷形式
• 点缺陷：原子层面的局部缺陷 • 位错：错位的晶胞 • 层错：晶体结构的缺陷
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶 圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个 芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体 结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正 是对晶圆生产的一个挑战。
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3
2.1 硅的晶体结构
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
24 2
5000
0.17
3.0 ( 5%)
Year
(Critical Dimension)
1998
2000
(0.25 mm) (0.18 mm)
200
0.17 (26 x 32)
0.15
300
0.12 26 x 32
0.1
23 2
23 1.5
1000
500
0.13
0.075
2.0 ( 3%) 1.4 ( 2%)
非晶：原子排列无序 晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，
晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单 元。 单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。 多晶体：晶胞排列不规律
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非晶原子排列
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5
三维结构的晶胞
晶胞
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6
《半导体材料》第4讲：硅单晶的制备培训课件
➢ 拉晶开始，先引出一段直径为3～5mm，有一定长度的细 颈，以消除结晶位错，这个过程叫做缩颈（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，只剩下少量剩料。
直拉法工艺流程
炉体、籽晶、 硅多晶，掺杂 剂，石英坩埚
将细晶体的直径放粗 至所要求的直径
放肩
清洁处理
晶体将 围绕螺旋位错露
头点旋转生长。螺旋式的 台阶并不随着原子面网一 层层生长而消失，从而使 螺旋式生长持续下去。
螺旋状生长与层状生长不同 的是台阶并不直线式地 等 速前进扫过晶面，而是围绕 着螺旋位错的轴线螺旋状前 进。随着晶体的不断长大， 最终表现在晶面上形成能提 供生长条件信息的各种各样 的螺旋纹。
过饱和度要达到25%以才能生长，而且生长不一 定会连续
➢ 实际上，某些生长体系，过饱和度仅为2%时， 晶体就能顺利生长
➢ 螺旋生长理论（Frank F.C. 1949)：在 晶体生长界面上螺旋 位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为 晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。
➢ 可解释层生长理论所不能解释的现象，即晶体在很低温的 过饱和度下能够生长的实际现象。
高的材料，如单晶钨等
➢ 在区熔炉炉室內﹐將硅棒用上下夹头保持垂直﹐ 有固定晶向的籽晶在下面﹐在真空或氩氯条件下 ﹐用高频线圈加热(2～3兆赫)﹐使硅棒局部熔化﹐ 依靠硅的表面张力及高频线圈的磁力﹐可以保持 一個稳定的悬浮熔区﹐熔区緩慢上升﹐达到制成 单晶或提纯的目的。
区熔工艺流程
使用高频线圈加热硅棒，熔融硅在 其表面张力作用下形成一个半球
3－2 硅、锗单晶的生长
一、获得单晶的条件 1、在金属熔体中只能形成一个晶核。可以引入籽晶或自发形
直拉法工艺流程
炉体、籽晶、 硅多晶，掺杂 剂，石英坩埚
将细晶体的直径放粗 至所要求的直径
放肩
清洁处理
晶体将 围绕螺旋位错露
头点旋转生长。螺旋式的 台阶并不随着原子面网一 层层生长而消失，从而使 螺旋式生长持续下去。
螺旋状生长与层状生长不同 的是台阶并不直线式地 等 速前进扫过晶面，而是围绕 着螺旋位错的轴线螺旋状前 进。随着晶体的不断长大， 最终表现在晶面上形成能提 供生长条件信息的各种各样 的螺旋纹。
过饱和度要达到25%以才能生长，而且生长不一 定会连续
➢ 实际上，某些生长体系，过饱和度仅为2%时， 晶体就能顺利生长
➢ 螺旋生长理论（Frank F.C. 1949)：在 晶体生长界面上螺旋 位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为 晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。
➢ 可解释层生长理论所不能解释的现象，即晶体在很低温的 过饱和度下能够生长的实际现象。
高的材料，如单晶钨等
➢ 在区熔炉炉室內﹐將硅棒用上下夹头保持垂直﹐ 有固定晶向的籽晶在下面﹐在真空或氩氯条件下 ﹐用高频线圈加热(2～3兆赫)﹐使硅棒局部熔化﹐ 依靠硅的表面张力及高频线圈的磁力﹐可以保持 一個稳定的悬浮熔区﹐熔区緩慢上升﹐达到制成 单晶或提纯的目的。
区熔工艺流程
使用高频线圈加热硅棒，熔融硅在 其表面张力作用下形成一个半球
3－2 硅、锗单晶的生长
一、获得单晶的条件 1、在金属熔体中只能形成一个晶核。可以引入籽晶或自发形
半导体制造技术ppt
半导体制造的环保与安全
05
采用低能耗的设备、优化生产工艺和强化能源管理，以降低能源消耗。
节能设计
利用废水回收系统，回收利用生产过程中产生的废水，减少用水量。
废水回收
采用低排放的设备、实施废气处理技术，以减少废气排放。
废气减排
半导体制造过程中的环保措施
严格执行国家和地方的安全法规
安全培训
安全检查
半导体制造过程的安全规范
将废弃物按照不同的类别进行收集和处理，以便于回收利用。
废弃物处理和回收利用
分类收集和处理
利用回收技术将废弃物进行处理，以回收利用资源。
回收利用
按照国家和地方的规定，将无法回收利用的废弃物进行合法处理，以减少对环境的污染。
废弃物的合法处理
未来半导体制造技术的前景展望
06
新材料
随着人工智能技术的发展，越来越多的半导体制造设备具备了智能化控制和自主学习的能力。
半导体制造设备的最新发展
更高效的生产线
为了提高生产效率和降低成本，各半导体制造厂家正在致力于改进生产线，提高设备的联动性和生产能力。
更先进的材料和工艺
随着科学技术的发展，越来越多的先进材料和工艺被应用于半导体制造中，如石墨烯、碳纳米管等材料以及更为精细的制程工艺。
薄膜沉积
在晶圆表面沉积所需材料，如半导体、绝缘体或导体等。
封装测试
将芯片封装并测试其性能，以确保其满足要求。
半导体制造的基本步骤
原材料准备
晶圆制备
薄膜沉积
刻蚀工艺
离子注入
封装测试
各步骤中的主要技术
制造工艺的优化
通过对制造工艺参数进行调整和完善，提高产品的质量和产量。
制造工艺的改进
经典半导体制造工艺PPT（2000页）
经典半导体制造工艺PPT（2000页）第一章半导体产业介绍1. 什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？(15分)集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。
集成电路芯片/元件数产业周期无集成 1 1960年前小规模(SSI) 2到50 20世纪60年代前期中规模(MSI) 50到5000 20世纪60年代到70年代前期大规模(LSI) 5000到10万 20世纪70年代前期到后期超大规模(VLSI) 10万到100万 20世纪70年代后期到80年代后期甚大规模(ULSI) 大于100万 20世纪90年代后期到现在2. 写出IC 制造的５个步骤？(15分)Wafer preparation(硅片准备)Wafer fabrication (硅片制造)Wafer test/sort (硅片测试和拣选)Assembly and packaging (装配和封装)Final test(终测)3. 写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？(15分)发展方向：提高芯片性能——提升速度(关键尺寸降低,集成度提高,研发采用新材料)，降低功耗。
提高芯片可靠性——严格控制污染。
降低成本——线宽降低、晶片直径增加。
摩尔定律指：IC 的集成度将每隔一年翻一番。
1975年被修改为： IC 的集成度将每隔一年半翻一番。
4. 什么是特征尺寸CD？(10分)最小特征尺寸，称为关键尺寸（Critical Dimension，CD）CD常用于衡量工艺难易的标志。
5. 什么是More moore定律和More than Moore定律？(10分)“More Moore”指的是芯片特征尺寸的不断缩小。
从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩小。
与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能。
“More Than Moore”指的是用各种方法给最终用户提供附加价值，不一定要缩小特征尺寸如从系统组件级向3D集成或精确的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。
4-硅和硅片制备详解
4.3 晶体结构
不仅 SGS 的超高纯度对制造半导体器件非常 关键，而且它也要有几乎完美的晶体结构。只有 这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械 缺陷。
单晶是一种固体材料，它的特点是在许多原 子长程范围内，原子都在三维空间中保持有序且 重复的排列结构，如图4.2所示。 非晶材料同样也是固体材料，但它们没有重 复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱无 序的结构（见图4.3）。
半导体制造技术
第4章
硅和硅片制备
4.1 引 言
硅是用来制造芯片的最重要半导体材料。对于 可用于制造半导体器件的硅而言。使用一种特殊纯 度级以满足严格的材料和物理要求。 在硅片上制作的芯片的最终质量与开始制作时 所采用的硅片的质量有直接关系。如果原始硅片有 缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。对硅片 以及制备过程的了解有助于理解硅片在整个芯片制 造过程中的重要性。 纯硅要求将硅原子级的微缺陷降到最小，这些 缺陷对芯片的性能是非常有害的。一旦得到了纯硅 ，就要把它制作成带有想要的晶向、适量的掺杂浓 度和半导体芯片制备所需物理尺寸的硅片。
图 4.6
面心立方金刚石结构
晶向 晶向非常重要， 因为它决定了在硅片中 晶体结构的物理排列是 怎样的。不同晶向的硅 片，其化学、电学和机 械性能是不一样的，而 且会影响工艺条件和最 终的器件性能。 为了描述晶向，我 们需要一个坐标系，如 图4.8所示。 对于单晶 结构，所有的晶胞就会 沿着这个坐标轴重复地 排列。
图 4.2 晶体结构的原子排列
图 4.3 非晶原子结构
晶胞 在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实 体就是晶胞。晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重 复单元，它给出了晶体结构。下图给出了由晶胞组成的三维 结构。
Michaelquirk半导体制造技术附录图
4 May detonate
2 Blue
3
Yellow
Health Hazard 0 Normal, no hazard 1 Slight hazard 2 Hazardous 3 Extremely hazardous 4 Deadly
W
White
Specific Hazard OXY Oxidizer ACI Acid ALK Alkali COR Corrosive W Use no water
• IDLH: Immediately dangerous to life and health.
• PEL: Permissible exposure limit.
How Chemicals Enter the Body
1. Contact with skin or eyes.
• Wear safety glasses and no contact lens. • Use goggles to protect normal eyewear. • Wear the appropriate glove type for the job.
A notation on the MSDS for substances that can be absorbed sufficiently through the skin as to cause toxic effects.
Do not allow contact with skin, eyes, or clothing.
• Chemical name • Date prepared • PEL & TLV • Health effects
• Physical/Chemical characteristics
2 Blue
3
Yellow
Health Hazard 0 Normal, no hazard 1 Slight hazard 2 Hazardous 3 Extremely hazardous 4 Deadly
W
White
Specific Hazard OXY Oxidizer ACI Acid ALK Alkali COR Corrosive W Use no water
• IDLH: Immediately dangerous to life and health.
• PEL: Permissible exposure limit.
How Chemicals Enter the Body
1. Contact with skin or eyes.
• Wear safety glasses and no contact lens. • Use goggles to protect normal eyewear. • Wear the appropriate glove type for the job.
A notation on the MSDS for substances that can be absorbed sufficiently through the skin as to cause toxic effects.
Do not allow contact with skin, eyes, or clothing.
• Chemical name • Date prepared • PEL & TLV • Health effects
• Physical/Chemical characteristics
半导体芯片制造技术4
图4-4定位面研磨
图4-5 硅片的类型标志
四、切片
单晶硅在切片时，硅片的厚度，晶向，翘曲度和 平行度是关键参数，需要严格控制。晶片切片的要求 是：厚度符合要求；平整度和弯曲度要小，无缺损， 无裂缝，刀痕浅。 单晶硅切成硅片，通常采用内圆切片机或线切片 机。
图4-6内圆切片机外形
图4-7 内圆切片示意图
图4-19 硅片的表面平整度
3.微粒粗糙度 微粗糙度是实际表面同规定平面的小数值范围 的偏差，它有许多小的距离很近的峰和谷，它是硅 片表面纹理的标志。表面微粗糙度测量了硅片表面 最高点和最低点的高度差别，它的单位是纳米。粗 糙度的标准是用均方根来表示的，它是规定平面所 有测量数值的平方的平均值的平方根。这是一个用 来确定最可能的测量数据的普通统计方法。硅片表 面微粗糙度是用光学形貌分析仪测量的。对芯片制 造来讲，表面微粗糙度的控制非常重要，这是因为 在器件制造中，它对硅片上非常薄的介质层的击穿 有着负面影响。
图4-12 倒角后的硅片边缘
倒角目的主要有三个： 1）防止晶圆边缘碎裂 2）防止热应力的集中 3）增加外延层光刻胶层在晶圆边缘的平坦度
七、抛光
抛光是硅片表面的最后一次重要加工工序，也是 最精细的表面加工。抛光的目的是除去表面细微的损 伤层，得到高平整度的光滑表面。
图4-13 抛光前后对比
（一） 抛光工艺概述 抛光工艺可以分为三类： 1．机械抛光法 2．化学抛光法
另一种切片方法是线切片，通过粘有金刚石颗粒 的金属丝的运动来达到切片的目的，如图4-8所示。
图4-8 线切片示意图
五、磨片
切片完成以后，对于硅片表面要进行研磨机械加 工。磨片工艺要达到如下的目的: ①去除硅片表面的刀疤，使硅片表面加工损伤均匀一 致； ②调节硅片厚度，使片与片之间厚度差逐渐缩小；并 提高表面平整度和平行度。
半导体中的材料硅片制作流程概述(共 56张PPT)
⑥掺杂
B1：直接掺杂
在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度
B2：母合金掺杂 将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金）， 再按所需的计量掺入合金。
这种方法适于制备一般浓度的掺杂。
46
晶圆制备（2）晶体生长
⑥掺杂 B2：中子辐照（NTD）掺杂 硅有三种同位素：28Si 92.2% , 29Si 4.7% ,30Si 3.0%， 其中30Si有中子嬗变现象： 30Si 31Si+α 31Si 31P+β 31P是稳定的施主杂质，对单晶棒进行中子辐照，就能获得均 匀的n型硅。
28
SiHCl3 ↑ + H2 ↑
SiCl4 ↑
晶圆制备（1）获取多晶
④还原 多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅： SiCl4 + 2H2 SiHCl3 + H2 原因： 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低
29
→ →
Si + 4HCl Si + 3HCl
晶圆制备（ 2 ）单晶 生长
39
晶圆制备（2）晶体生长
③区熔法
40
晶圆制备（2）晶体生长
④直拉法和区熔法的比较
41
晶圆制备（2）晶体生长
⑤硅棒举例（北京有色金属总院） 12 英 寸 ， 等 径 长 400mm ， 晶体重81Kg。
42
晶圆制备（2）晶体生长
⑥掺杂 直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质。
圆片制造中最重要的半导体材料是硅。
9
周期表中半导体相关元素
周期 2 3 Ⅱ Ⅲ 硼B 铝Al Ⅳ 碳C 硅Si Ⅴ 氮N 磷P 硫S Ⅵ
B1：直接掺杂
在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度
B2：母合金掺杂 将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金）， 再按所需的计量掺入合金。
这种方法适于制备一般浓度的掺杂。
46
晶圆制备（2）晶体生长
⑥掺杂 B2：中子辐照（NTD）掺杂 硅有三种同位素：28Si 92.2% , 29Si 4.7% ,30Si 3.0%， 其中30Si有中子嬗变现象： 30Si 31Si+α 31Si 31P+β 31P是稳定的施主杂质，对单晶棒进行中子辐照，就能获得均 匀的n型硅。
28
SiHCl3 ↑ + H2 ↑
SiCl4 ↑
晶圆制备（1）获取多晶
④还原 多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅： SiCl4 + 2H2 SiHCl3 + H2 原因： 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低
29
→ →
Si + 4HCl Si + 3HCl
晶圆制备（ 2 ）单晶 生长
39
晶圆制备（2）晶体生长
③区熔法
40
晶圆制备（2）晶体生长
④直拉法和区熔法的比较
41
晶圆制备（2）晶体生长
⑤硅棒举例（北京有色金属总院） 12 英 寸 ， 等 径 长 400mm ， 晶体重81Kg。
42
晶圆制备（2）晶体生长
⑥掺杂 直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质。
圆片制造中最重要的半导体材料是硅。
9
周期表中半导体相关元素
周期 2 3 Ⅱ Ⅲ 硼B 铝Al Ⅳ 碳C 硅Si Ⅴ 氮N 磷P 硫S Ⅵ
半导体制造工艺流程通用课件
半导体制造工艺流程通用课件
目录
• 半导体制造概述 • 半导体制造的前处理 • 半导体制造的核心工艺 • 半导体制造的后处理 • 半导体制造的挑战与解决方案 • 半导体制造的发展趋势与未来展望
01
半导体制造概述
半导体制造的定义
半导体制造
指通过一系列精密的物理和化学 工艺，将单晶硅或其他半导体材 料转化为集成电路的过程。
采用高k金属栅极材料， 可以提高芯片的性能和降 低功耗。
新型绝缘材料
采用新型绝缘材料，可以 提高芯片的集成度和可靠 性。
新型封装材料
采用新型封装材料，可以 提高芯片的散热性能和可 靠性。
系统集成与封装技术的发展
系统集成技术
通过系统集成技术，将多个芯片集成在一个封装 内，实现更高的性能和更小的体积。
封装类型
常见的封装类型包括塑料封装、陶瓷封装和金属封装等，它们具有不同的特点和适用范围 。
封装工艺
封装工艺涉及到多个环节，包括芯片贴装、引脚焊接、密封和标记等，每个环节都对保证 芯片的性能和可靠性至关重要。
测试与验证
测试与验证
在半导体制造的后处理过程中，测试与验证是确保芯片性能和质量 的重要环节。
化学气相沉积
总结词
化学气相沉积是通过化学反应在半导体表面形成薄膜的过程。
详细描述
化学气相沉积是在高温下，将气态物质在半导体表面进行化学反应，形成固态薄膜的过程。沉积的薄膜可以作为 绝缘层、导电层或保护层，对半导体器件的性能和稳定性具有重要影响。
04
半导体制造的后处理
金属化
金属化
在半导体制造的后处理过程中，金属化是关键的一步，它 涉及到在芯片表面沉积金属，以实现电路的导电连接。
半导体制造的工艺流程简介
目录
• 半导体制造概述 • 半导体制造的前处理 • 半导体制造的核心工艺 • 半导体制造的后处理 • 半导体制造的挑战与解决方案 • 半导体制造的发展趋势与未来展望
01
半导体制造概述
半导体制造的定义
半导体制造
指通过一系列精密的物理和化学 工艺，将单晶硅或其他半导体材 料转化为集成电路的过程。
采用高k金属栅极材料， 可以提高芯片的性能和降 低功耗。
新型绝缘材料
采用新型绝缘材料，可以 提高芯片的集成度和可靠 性。
新型封装材料
采用新型封装材料，可以 提高芯片的散热性能和可 靠性。
系统集成与封装技术的发展
系统集成技术
通过系统集成技术，将多个芯片集成在一个封装 内，实现更高的性能和更小的体积。
封装类型
常见的封装类型包括塑料封装、陶瓷封装和金属封装等，它们具有不同的特点和适用范围 。
封装工艺
封装工艺涉及到多个环节，包括芯片贴装、引脚焊接、密封和标记等，每个环节都对保证 芯片的性能和可靠性至关重要。
测试与验证
测试与验证
在半导体制造的后处理过程中，测试与验证是确保芯片性能和质量 的重要环节。
化学气相沉积
总结词
化学气相沉积是通过化学反应在半导体表面形成薄膜的过程。
详细描述
化学气相沉积是在高温下，将气态物质在半导体表面进行化学反应，形成固态薄膜的过程。沉积的薄膜可以作为 绝缘层、导电层或保护层，对半导体器件的性能和稳定性具有重要影响。
04
半导体制造的后处理
金属化
金属化
在半导体制造的后处理过程中，金属化是关键的一步，它 涉及到在芯片表面沉积金属，以实现电路的导电连接。
半导体制造的工艺流程简介
硅片制备与高温工艺课件PPT
Xianying Dai
30
2.2 单晶Si制备
直拉(CZ)法生长单晶
1） 拉晶仪
①炉子 石英坩埚：盛熔融硅液； 石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚； 旋转装置：顺时针转； 加热装置：RF线圈；
Xianying Dai
31
2.2 单晶Si制备
直拉(CZ)法生长Si单晶
1）拉晶仪
②拉晶装置
籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；
• 熔融EGS和拉单晶硅锭
旋转提拉装置：逆时针；
单晶生长：直拉法、区熔法
在集成电路制造中，单晶Si和多晶Si分别 ➢ 硅与O2直接反应可得；
立式炉管使用最广泛，因为其占地面积小、污染控制好、维护量小；
有什么用途？ 熔点 Melting point
Pre-oxidation Wafer Clean Inorganic Removal 氧化：杂质堆积和耗尽效应
98
99 100 101 102
•
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
Xianying Dai
3
周期表中用作半导体的元素
Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族
第2周期
BCN
第3周期
Al Si P S
第4周期 Zn Ga Ge As Se
第5周期 Cd In Sn Sb Te
2.1 单晶硅晶体结构
Xianying Dai
7
硅的重要性
2.1 单晶Si简介
储量丰富，便宜；（27.6％） SiO2性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长； 较大的禁带宽度（1.12eV），较宽工作温度范围；
Xianying Dai
8
硅的基本参数
半导体制造工艺技术(PPT 68页)
本章将讨论薄膜淀积的原理、过程和所 需的设备，重点讨论SiO2和Si3N4等绝缘材料薄 膜以及多晶硅的淀积。金属和金属化合物薄膜 的淀积将在第13章中介绍。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
目标
通过本章的学习，将能够：
1. 描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2. 提供对不同薄膜淀积技术的慨况。 3. 列举并描述化学气相淀积（CVD）反应的8个基本步骤，包
Figure 11.10
电信学院微电子教研室
CVD 反应中的压力
如果CVD发生在低压下，反应气体通过边 界层达到表面的扩散作用会显著增加。这会增 加反应物到衬底的输运。在CVD反应中低压的 作用就是使反应物更快地到达衬底表面。在这 种情况下，速度限制将受约于表面反应，即在 较低压下CVD工艺是反应速度限制的。
半导体制造技术 by Michael Quirk and Julian Serda
电信学院微电子教研室
MSI时代nMOS晶体管的各层膜
顶层
垫氧化层
Poly
n+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
ILD 场氧化层
n+
p- epi layer
氮化硅
氧化硅
氧化硅 多晶
p+
金属
金属
p+
n-well
p+ silicon substrate
Photo 11.3
电信学院微电子教研室
CVD 化学过程
• 高温分解： 通常在无氧的条件下，通过加热化 合物分解（化学键断裂）；
2. 光分解： 利用辐射使化合物的化学键断裂分解； 3. 还原反应： 反应物分子和氢发生的反应； 4. 氧化反应： 反应物原子或分子和氧发生的反应； • 氧化还原反应： 反应3与4地组合，反应后形成两
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目标
通过本章的学习，将能够：
1. 描述出多层金属化。叙述并解释薄膜生长的三个阶段。 2. 提供对不同薄膜淀积技术的慨况。 3. 列举并描述化学气相淀积（CVD）反应的8个基本步骤，包
Figure 11.10
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CVD 反应中的压力
如果CVD发生在低压下，反应气体通过边 界层达到表面的扩散作用会显著增加。这会增 加反应物到衬底的输运。在CVD反应中低压的 作用就是使反应物更快地到达衬底表面。在这 种情况下，速度限制将受约于表面反应，即在 较低压下CVD工艺是反应速度限制的。
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MSI时代nMOS晶体管的各层膜
顶层
垫氧化层
Poly
n+
金属前氧化层 侧墙氧化层
栅氧化层
ILD 场氧化层
n+
p- epi layer
氮化硅
氧化硅
氧化硅 多晶
p+
金属
金属
p+
n-well
p+ silicon substrate
Photo 11.3
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CVD 化学过程
• 高温分解： 通常在无氧的条件下，通过加热化 合物分解（化学键断裂）；
2. 光分解： 利用辐射使化合物的化学键断裂分解； 3. 还原反应： 反应物分子和氢发生的反应； 4. 氧化反应： 反应物原子或分子和氧发生的反应； • 氧化还原反应： 反应3与4地组合，反应后形成两
硅和硅片制备ppt课件.ppt
Z
1
0
X1
Y
1
图 4.8 晶胞的坐标轴方向
用来描述硅晶体平面及其方向的参数称作密勒指数，其 中（）用来表示特殊的平面，而<>表示对应的方向。
Z
Z
Z
Y
Y
Y
X (100)
X
X
(110)
图 4.9 晶面的密勒指数
(111)
4.5 单晶硅的生长
• CZ (Czochralski)法 –CZ 直拉单晶炉 –掺杂 –杂质控制
图 4.6 面心立方金刚石结构
晶向 晶向非常重要， 因为它决定了在硅片中 晶体结构的物理排列是 怎样的。不同晶向的硅 片，其化学、电学和机 械性能是不一样的，而 且会影响工艺条件和最 终的器件性能。
为了描述晶向，我 们需要一个坐标系，如 图4.8所示。 对于单晶 结构，所有的晶胞就会 沿着这个坐标轴重复地 排列。
0.13
2.0 ( 3%)
23 1.5 500 0.075
1.4 ( 2%)
2004 (0.13 m)
300 0.08 26 x 36 0.1
22 1.5 100 0.055
1.0 ( 2%)
平整度
平整度是硅片最主要的参数之一，主要因为 抛光工艺对局部位置的平整度是非常敏感的，硅 片平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。 它是通过硅片上的表面和一个规定参考面的距离 得到的。
为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料 被加到拉单晶炉的熔体中，晶体生长中最常用的掺 杂杂质是生产p型硅的三价硼或者生产n型硅的五价 磷。硅中的掺杂浓度范围可以用字母和上标来表示 ，如下表所示。
杂质 五价 三价
材料类 型 n
p
< 1014
第四章-硅片PPT课件
三反应：氟气(F2) 氢氟酸(HF)
强碱(NaOH)
三不反应：氧气(O2)
氯气(Cl2)
硝酸(HNO3)
.
12
在VLSI中，一万亿个硅原子仅允许含有少于一个的重金属 元素。
问题：1立方厘米的硅中有 多少杂质？ (密度2330kg/m3)
.
13
二氧化硅的结构
Si O Si O Si O
O
O
O
Si O Si O Si O
二氧化碳（CO2）
CO2+ Na2CO3+H2O==2NaHCO3
CO2+ Na2SiO3 +H2O== 高温 Na2CO3+H2SiO3↓
CO2+C ==点=燃2CO
CO2+2Mg===C+2MgO
二氧化硅(SiO2)
高温
SiO2+ CaCO3===CaSiO3 +CO2↑
高温
SiO2+ 2C===Si + 2CO↑
2、耐腐蚀。除氢氟酸外，石英玻璃几乎不与其他酸类物 质发生化学反应,其耐酸能力是陶瓷的30倍，不锈钢的150 倍，尤其是在高温下的化学稳定性，是其他任何工程材料都 无法比拟的。
3、热稳定性好。石英玻璃的热膨胀系数极小，能承受剧 烈的温度变化，将石英玻璃加热至1100度左右，放入常温 水中也不会炸裂。
单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅可以分为单晶体和多晶 体。
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，它的结构类似于金 刚石，熔点和沸点都很高，硬度也很大。晶体硅还有一个重要的性质，
。 就是它的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
.
11
硅的化学性质
4 半导体单晶和薄膜制造技术 电子器件与工艺课件
•
•
•
• 区熔法单晶生长
•
如果需要生长及高纯度的硅单晶，其技术选择是悬浮区熔提
炼，该项技术一般不用于GaAs。区熔法可以得到低至1011cm-1
的载流子浓度。区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完
全由固体部分支撑的，不需要坩埚。柱状的高纯多晶材料固定于
卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，
在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将
在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使 得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料在结晶为为单 晶。另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔 生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内。
•
为确保生长沿所要求的晶向进行，也需要使用籽晶，采用与
常用外延材料及其工艺
外延技术对比
• l 液相外延
• 优点：便宜；平衡生长；层质量好；毒性低 • 缺点：难以制造多层；厚度控制差；原料和制品有限；要考虑均匀
性；难以按比例增高
• l 汽相外延（氯化物和氢化物传输）
• 优点：高纯度；低毒性 • 缺点：复杂，凌乱；有记忆效应；厚度控制差；要考虑均匀性
• 砷化镓的外延生长按工艺可分为气相和液相外延，所得外延层在 纯度和晶体完整性方面均优于体单晶材料。通用的汽相外延工艺 为Ga/AsCl3/H2法,这种方法的变通工艺有Ga/HCl/AsH3/H2和 Ga/AsCl3/N2法。为了改进Ga/AsCl3/H2体系气相外延层的质量， 还研究出低温和低温低压下的外延生长工艺。液相外延工艺是用
长组份突变的异质结，又可以生长组份渐变的
异质结，因此到目前为止，在半导体外延领域， MOCVD技术仍然是外延技术的主流。另外降
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Reaction
Produce metallurgical grade
1 silicon (MGS) by heating
SiC (s) + SiO2 (s) Si (l) + SiO(g) + CO (g)
silica with carbon
Purify MG silicon through a
3
a process called Siemens to obtain pure semiconductor-
2SiHCl3 (g) + 2H2 (g) 2Si (s) + 6HCl (g)
grade silicon (SGS)
Semiconductor Manufacturing Technology
by Michael Quirk and Julian Serda
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Objectives
After studying the material in this chapter, you will be able to:
1. Describe how raw silicon is refined into semiconductor grade silicon.
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Siemens Reactor for SG Silicon
SiHCl3
Polycrystalline silicon rod
Figure 4.3
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Unit Cell in 3-D Structure
Unit cell
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Figure 4.4
by Michael Quirk and Julian Serda
Figure 4.2
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Amorphous Atomic Structure
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Figure 4.1
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Atomic Order of a Crystal Structure
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2. Explain the crystal structure and growth method for producing monocrystal silicon.
3. Discuss the major defects in silicon crystal.
4. Outline and describe the basic process steps for wafer preparation, starting from a silicon ingot and finishing with a wafer.
5. State and discuss seven quality measures for wafer suppliers.
6. Explain what is epitaxy and why it i
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Table 4.1
© 2001 by Prentice Hall
Crystal Structure
• Amorphous Materials • Unit Cells • Polycrystal and Monocrystal Structures • Crystal Orientation
Silicon Unit Cell: FCC Diamond Structure
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© 2001 by Prentice Hall
Semiconductor-Grade Silicon
Steps to Obtaining Semiconductor Grade Silicon (SGS)
Step Description of Process
© 2001 by Prentice Hall
Faced-centered Cubic (FCC) Unit Cell
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Figure 4.5
© 2001 by Prentice Hall
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Michael Quirk & Julian Serda © October 2001 by Prentice Hall
Chapter 4
Silicon and Wafer Preparation
Semiconductor Manufacturing Technology
2
chemical reaction to produce a silicon-bearing gas of
Si (s) + 3HCl (g) SiHCl3 (g) + H2 (g) + heat
trichlorosilane (SiHCl3)
SiHCl3 and hydrogen react in