半导体衬底(1)

JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY集成电路工艺技术IntegratedCircuitTechnology康博南JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY第一章半导体衬底第二章氧化第三章扩散第四章离子注入第五章光刻第六章刻蚀第七章化学气相沉积第八章化学机械化平坦第九章金属化工艺第十章CMOS工艺流程JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY教材：1、《半导体制造技术》，作者MichaelQuirk，电子工业出版社。参考2、《微电子制造科学原理与工程技术》，作者StephenA.Campbell，电子工业出版社。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY第一章半导体衬底晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性CrystalGrowth,WaferFabricationandBasicPropertiesofSiliconWafersJILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY1、集成电路发展历程回顾2、描述天然硅原料如何加工提炼成半导体级硅(semiconductor-gradesilicon,SGS)。3、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。4、讨论硅晶体的主要缺陷。5、简单敘述由硅晶锭加工成为硅晶圆的基本步骤。6、说明并讨论晶圆供应商所需进行的7项品质测量项目。7、外延层及其重要性。课程内容JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY集成电路发展历程回顾1、1906年第一只三极管“Audion”2、1925年场效应晶体管的提出3、1948年点接触晶体管4、1950年面接触晶体管5、1958年第一块集成电路6、1960年MOS场效应晶体管JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY18000个电子管，占地150m2，重30吨，计算速度每秒5000次，存储容量千位。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY第一台计算机中使用的晶体管。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY集成电路的划分集成电路的划分VLSILSIMSISSI小规模，～100个晶体管中规模，100～1000个晶体管1000～100000个晶体管＞100000个晶体管JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY1971年Intel公司推出的微处理器芯片上只有2300个晶体管;1982年Intel80286微处理器上有13万4千个晶体管;1MHz,5V5kComponents1959年开始了集成电路时代JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGYIntelPentium(III)Microprocessor1994100MHz,3.3V3MComponentsJILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGYIntelPentium(IV)Microprocessor19991.2GHz,1.8V42MComponentsJILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGYLilienfeldFETTransistor(1930)JuliusEdgarLilienfeld，利林费尔德(1882-1963)：德国人，曾在莱比锡大学任教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930年获得专利。1935年,德国物理学家海尔（OskarHeil）描述了一种类似于结型场效应晶体管的结构(O.Heil,BritishPatent439,457,1935).然而，由于材料的困难实际制备晶体管在1960年以前是不可能的。Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完全驳回；Bardeen，巴丁(美国物理学家,1956,1972两度获诺贝尔物理学奖)的点接触晶体管的专利也因为有Lilienfeld的专利在前，而有超过半数的人认为不能通过。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGYJohnBardeenandWalterBrattain(沃尔特布拉顿)atBellLaboratoriesconstructedthefirstsolid-statetransistor.ThisPNPpoint-contactgermaniumtransistoroperatedwithapowergainof18onDec.23,1947.Withtheirmanager,WilliamShockley,theywontheNobelPrizein1956.第一个晶体管JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开一条约为50微米间隔的小缝，用一块三角形的石英晶体将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极，形成点接触PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时，可以观测到把输入信号放大的晶体管效应。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY肖克莱在点接触晶体管发明后，提出了可以利用两个p型层中间夹一n型层作为半导体放大结构的构想。并与M.Sparks和G.K.Teal一起发明了单晶锗NPN结型晶体管。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY1958年，德州仪器公司（TI）的杰克·基尔比（JackKilby），研制出了世界上第一块集成电路。该电路是在锗衬底上制作的相移振荡器和触发器，共有12个器件。器件之间是介质隔离，器件间互连线采用的是引线焊接方法。集成电路的诞生JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY罗伯特•诺伊斯（RobertNoyce）杰克.基尔比和罗伯特•诺伊斯两个集成电路的独立发明人JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY人类智力的一次飞跃瑞典皇家科学院将2000年诺贝尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术研究所的阿尔弗洛夫博士,美国加州大学圣巴巴拉分校的克罗默教授和美国TI公司的基尔比教授,他们是因为高速晶体管,激光二极管和集成电路而荣获此项奖励的.其中,阿尔弗洛夫和克罗默将分享奖金的1/2,而基尔比教授则独得奖金的另一半.JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY制备半导体级硅(SGS)的过程步骤过程描述反应方程式1用碳加热硅石来制备冶金级硅(MGS)。SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)2通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷气体。Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)+热3利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产半导体级硅(SGS)。2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)半导体级硅JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY用来做芯片高纯硅称为半导体级硅（semiconductor-gradesilicon)，或SGS。得到SGS的第一步是在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2)，一种纯沙，来生产冶金级硅。在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98％。由于冶金级硅的沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。通常将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。三氯硅烷和氢气被注入到西门子反应器中，然后在加热的超纯硅棒上进行化学反应。几天后工艺过程结束，将淀积的SGS棒切成用于硅晶体生长的小片。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGYCondenseSiOSiO+CO→SiO2+C1500℃FormSiCFromSiOandCMeltSiO2SiO+2C→SiC+CO1780℃SiC+SiO2→Si+SiO+COSIO2+C→SiO+COLiquidSiDischargeSiQuartziteCoke(焦炭)WoodchipCO,SiO,H2OEffluentinput元素浓度（ppma)Al1200~1400Fe1600~3000B37~45P27~30Ca~590Cr50~140Cu24~90Mn70~80Mo10Ni40~80Ti150~200Zr~30MGS一般杂质种类与浓度埋弧电炉生产冶金级硅JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY①靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超过2000℃，按下式产生硅：SiC+SiO2→Si+SiO+CO②在此部位的上方，温度稍低一些，达1700～1500℃，上升的副产品气体发生反应形成中间产物碳化硅，如下式：SiO+C→SiC+CO③靠近顶部，这里的温度低于1500℃，根据热力学，预计逆向反应占主导地位：SiO+CO→SiO2+C炉料是从炉顶加入炉内的，而液态硅从炉底周期性的放出，铸成锭条。如果铸锭是定向的，符合被称为正常凝固的条件，其杂质再分布可利用来进行一定提纯：Cs=keffC0(1-g)keff-1，为了使电弧炉反应进行得顺利，要保持炉料的多孔性，使得SiO和CO能有均匀的气流，并能使CO，SiO和H2O能散出到炉顶，为此，加入一些木块在炉料中，而硅石的状态必须是在炉上部加热时不易碎化，否则会过早熔融，结壳，导致炉内气压过高有爆炸的危险。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY废气回收废弃物分离处理蒸馏/冷凝纯化收集反应器金属氯化废弃物三氯硅烷，TCS纯度高于99.9999999％盐酸萃取纯化三氯硅烷,TCSSi+3HCl→SiHCl3+H2~300℃JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY石英钟罩反应腔加热体电极SiHCl3+H2→Si(SGS)+3HCl900℃~1100℃含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGY为什么生产集成电路必须使用单晶硅？这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关。这就要求原子具有重复性结构，从而使得芯片与芯片之间的性能具有重复性。JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGYWhySilicon?•Abundant,cheap•Silicondioxideisverystable,strongdielectric,anditiseasytogrowinthermalprocess.•Largebandgap,wideoperationtemperaturerange.JILINUNIVERSITY集成电路工艺INTEGRATEDCIRCUITTECHNOLOGYJILINUNIVERSITY集成电路工艺INT