半导体制造技术期末复习

微电子期末复习

集成电路发展历史：1947年。贝尔实验室，点接触晶体管，1956年诺贝尔物理奖。

1948年 W. Shockley 提出结型晶体管概念

1950年第一只NPN结型晶体管

1959年第一个集成电路

集成电路--将多个电子元件（晶体管、二极管、电容、电阻、电抗等）集成到（硅）衬底上。

集成电路的制造步骤：1硅片制备2硅芯片制造（重点）3硅片测试/拣选4装配与

封装5终测

关键尺寸(CD)：集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。它是衡量集成

电路设计和制造水平的重要尺度，关键尺寸越小，芯片的集成度越高，速度越快，性能越好。

摩尔定律：Moore 定律是在1965 年由INTEL公司的Gordon Moore 提出的，

其内容是：硅集成电路按照4 年为一代，每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%，IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。

单晶硅：单晶硅，也称硅单晶，具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向

具有不同的性质，是一种良好的半导材料。

1用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成

2纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等

3半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅

多晶硅：1：多晶硅硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂

2：主要用做半导体的原料，是制做单晶硅的主要原料，可作各种晶体管、整流二极管、可控硅、太阳能电池、集成电路、电子计算机芯片以及红外探测器等。非晶硅：非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，

也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。

单晶硅的制备方法主要有：1：CZ法（直拉法）

2：悬浮区熔法（CF法）

其本质都是把熔融硅冷却成硅晶体

CZ法：

1：CZ法生长单晶硅把熔化的半导体级硅液体变成有正确晶向并且被掺杂成n或p型的固体硅锭,85%以上的单晶硅是采用CZ法生长,籽晶为所需晶向的单晶硅。

直拉法目的：实现均匀掺杂和复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径，限制杂质

引入；

关键参数：拉伸速率和晶体旋转速度。

直拉法长单晶硅工艺过程:引晶，收颈，放肩，等径生长，收尾，冷却，晶

棒

直拉法（CZ法）生长单晶的特点：

优点：1:所生长的单晶的直径较大、成本相对较低

2:通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制电阻率径向均匀性

缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易引入氧碳杂质，

不易生长高电阻率单晶。

改进直拉生长法-磁控直拉技术：原理：在CZ法生长单晶的基础上对坩埚

内的熔体施加磁场，由于半导体熔体是良导体，在磁场作用下受到与其运动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。因而，除磁体外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。

优点：1. 减少温度波动2. 减轻熔硅与坩埚作用3. 使粘滞层厚度增大；4. 降

低了缺陷密度和氧含量

硅单晶掺杂：

1. 在拉制单晶的过程中，在熔体中加入一定量的掺杂剂，就可以对单晶进行掺杂。对于硅来说，常用的P型掺杂剂是硼（B），而N型掺杂剂则是磷（P）。

2. 在掺杂过程中，晶体中的杂质浓度与熔体中的杂质浓度会有差异，用分凝系数（Segregation Coefficient）来表示k0=Cs/Cl，其中Cs和Cl分别是固

体和熔体中的杂质平衡浓度。

单晶生长中的杂质分布：由于分凝系数的存在，导致单晶生长过程中，熔体中的杂质 浓度会不断变化，进而导致单晶中的杂质浓度也会不断变化。 假设熔体中的杂质浓度是均匀的，则单晶中的杂质浓度可用下式表示：

Cs=k0C0(1-X)k0-1 其中：Cs 是单晶中的杂质浓度；C0是熔体中的初始杂质浓度； k0是分凝系数；X 是熔料中已结晶部分的重量比。

例：采用CZ 法生长的硅单晶顶端硼原子浓度为3×1015/CM3，那么当熔料90%已经结晶，剩下10%开始生长时，该处生长的硅单晶中硼浓度是多少？

根据公式C s =k 0C 0

(1-X)k0-1有： C s (x=0)= k 0C 0

=3×1015/cm 3 则C s (x=0.9)=k 0C 0×0.1-0.2=4.75×10

15/cm 3 硅中的晶体缺陷：缺陷密度-在每平方厘米硅片上产生的缺陷数目 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

硅片定位边标识：

常用的硅片：CMOS 电路

P type （Boron doped ）（100）晶向

电阻率：10~50Ω•cm

BJT （111）晶向

外延层：在单晶衬底上生长的薄层单晶层，其晶体结构与衬底一致，导电类型、

掺杂浓度和厚度可根据需要而定

外延从广义上讲时一种化学气相沉积，它是利用气（或液）态的硅化合物在加热的硅衬底上与氢气反应或自身分解反应，并以单晶形式淀积在硅衬底上的过程。

SiO2在IC中的应用：1：器件和电路的保护层或钝化膜

硅片表面生长一层二氧化硅膜可保护器件内部不受外界影响，提高器件稳定和可靠性。

钝化的前提是膜层质量要好，如果二氧化硅膜中含有大量离子或针孔，非但不能起到钝化作用，反而会造成器件不稳定。

2：某些器件的重要组成部分

（1）MOS管的绝缘栅材料

在MOS管中，常以二氧化硅膜作为栅极，这是因为二氧化硅的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。

绝缘栅要求极高，因为Si-SiO2界面十分敏感（指电学性能），SiO2必须具有高质量。

（2）电容器的介质材料

SiO2介电常数为3~4，击穿电压较高，电容温度系数小，这些性能决定了它是一种优质的电容器介质材料，所以常用作集成电路中的电容器材料。

二氧化硅生长方法简单

3：用作阻挡杂质注入或扩散进入硅中的掩膜

二氧化硅膜起掩蔽作用的两个条件：

（1）厚度足够

（2）所选杂质在二氧化硅中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多。随着温度升高、扩散时间延长，杂质有可能会扩散穿透二氧化硅膜层，使掩蔽作用失效

4：集成电路的隔离介质

5：用于电极引线和硅器件之间的绝缘介质

热氧化原理

生长机理