制造芯片的硅晶體的原理和過程方法

關于制造芯片的硅晶體的原理和過程方法第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

基本概念

1.什么是硅晶體2.什么是芯片二制造芯片的原理和過程方法

1.原理2.過程和方法三芯片的發(fā)展第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三一基本概念1.什么是硅晶體硅在元素周期表中是第Ⅳ主族元素，它的原子最外層有四個電子，所以硅在化合物中呈四價。半導體硅主要有多晶硅和單晶硅，在單晶硅中所有的硅原子按一定規(guī)律整齊排列，結構完全是金剛石型的。每個原子和鄰近的四個原子以共價鍵結合。組成一個正四面體，每個硅原子可以看成是四面體第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三的中心。常壓下，金剛石構型的硅在低于1414℃時是穩(wěn)定的。所以通常用的硅都是單晶硅

用掃描隧道顯向鏡觀察到的硅晶體表面的原子排列(Si(m)７×7結構)第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三硅的價電子分布是3S23P2。一個3S軌道上的電子激發(fā)到3P軌道上形成新的SP3雜化軌道。硅原子的雜化軌道決定了硅晶體必為金剛石結構。四個最鄰近的原子構成四面體，硅晶體中所有的價電子束縛在共價鍵上沒有自由移動的電子，不能導電。只有當電子激發(fā)脫離共價鍵，成了自由移動的電子才能導電激發(fā)脫離共共價鍵的電子越多導電性越強，這也就是半導體性。

第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三2什么是芯片

芯片，準確地說就是硅片，也叫集成電路。是微電子技術的主要產品。所謂微電子是相對強電弱電等概念而言的。指他處理的電子信號極其微小。它是現代信息技術的基礎。計算機芯片是一種用硅材料制成的薄片，大小僅有手指甲的一半。一個芯片是有幾百個微電路連在一起的，體積很小，第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三在芯片上布滿了產生脈沖電流的微電路。計算機內的電路很小，使用的電流也很小所以也稱芯片為微電子器件。微型計算機中的主要芯片有微處理芯片、接口芯片、存儲器芯片等。制造芯片的硅晶體的原理和過程方法1原理

硅片的平整度、表面顆粒度、委屈電阻率均勻性控制第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

等方面對芯片的功能和成品率都有很大影響。如果硅片的平整度不夠，由于光的衍射作用，線條的精確度無法保證而且硅片中央與邊沿的光刻精度一致性會變差。硅片表面硅片表面吸附的微小雜質顆粒，我們無法用肉眼發(fā)現，必須借助電子顯微鏡在暗場下觀察。暗場下的亮點象天上的星星一樣，它是芯片的天敵，可以導致器件失效，嚴重影響器件的可靠性。微小雜質顆粒的來源主要是化學試劑、氣體及環(huán)境。第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

硅晶體的提純正是由于低純度的硅對芯片的功能和成品率有如此重大的影響，所以工業(yè)生產就要求高純硅，以滿足器件質量的需求。在半導體材料的提純工藝流程中，一般說來，化學提純在先，物理提純在后。原因是：一方面化學提純可以從低純度的原料開始，而物理提純必須使用具有較高純度的原料；另一方面是化學提純難免引入化學試劑的污染，而物理提純則沒有這些污染。工業(yè)硅，一般指95%~99%純度的硅，又稱粗硅，或稱結晶硅。這種硅是石英砂在電爐中用碳還原方法冶煉而成的，其反應式為：第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

工業(yè)硅中所含雜質主要有Fe、Al、C、B、P、Cu等，其中Fe含量最多。工業(yè)硅的純化最常用的方法是酸浸（酸洗）。第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

由石英砂（SiO2）制備多晶硅的流程：第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三在粗四氯化硅中含有雜質如硼、磷、鈦、鐵、銅等的氯物，提純的目的就是最大限度的出去這些雜質。常用精餾提純。

在粗四氯化硅中含有雜質如硼、磷、鈦、鐵、銅等的氯物，提純的目的就是最大限度的出去這些雜質。常用精餾提純。在1100~1200C°下還原SiHCl3沉積多晶硅，也是目前多晶硅材料生產的主要方法。因為氫氣易于凈化，而且在硅中的溶解度極低。反應方程式為：

2芯片的制造要在大約5平方毫米的薄硅片上制作數百個電路，需要非常精密的生產技術。芯片上的元件是用微米測量的，定位時的精密度為1-2毫米。芯片是在超凈化的工廠內，使用由具有

第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三專門技術的計算機控制的機器制造的。在制造過程中需要用高倍顯微鏡對芯片進行觀察。制造芯片時，將元件和電路連線置于硅片的表面和內部，形成9-10個不同的層次。在真空中生成圓柱形的純硅晶體，然后將其切成0.5毫米厚的圓片，將圓片的表面磨得極其光滑。利用存儲在電子計算機存儲器里的電路設計程序，為芯片的各層制造一組“光掩模”，這種掩模是正方形的玻璃。用照相處理的辦法或電子流平板印刷技術將每一層的電路圖形印在每一塊玻璃掩模式上，因而玻璃僅有部分透光。當上述圓片被徹底清洗干凈后，再放入灼熱的氧化爐內，使其表面生成二氧化硅薄絕緣層。然后再涂上一層軟的易感光的塑料（稱為光刻膠或光致第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三抗蝕劑）。將掩模放在圓片的上方，使紫外線照射在圓片上，使沒有掩模保護的光刻膠變硬。用酸腐蝕掉沒有曝光部分的光刻膠及其下面的二氧化硅薄層，裸露的硅區(qū)部分再做進一步處理。用離子植入法將摻雜物摻入硅中構成元件的n型和p型部分，在硅片上形成元件。第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三此時硅片上部是鋁連接層，兩層連接層之間被二氧化硅絕緣層隔開。鋁連接層由蒸發(fā)工藝生成，有掩模確定它的走線。當整個制造過程完成以后，使用電探針對每一個芯片進行檢驗。將不合格的產品淘汰，其它產品進行封裝后在不同溫度及環(huán)境條件下的檢驗，最終成為出廠的芯片。三芯片的發(fā)展1950~1960年的空中競爭非常激烈。美國為了在飛船有限的空間內做更多的事要求設備的體積小而再小，以便在很小的空間內能裝更多的電子設備，從而發(fā)展芯片。許多生產者很快利用芯片體積小，消耗電流少的優(yōu)點，進一步生產了微型計算器和微型計算機。自從第一臺電子管計算機發(fā)明后，1974年，三個美國科學家巴丁、肖克萊和布拉坦發(fā)明了晶體管。最早的晶體管是用鍺半導體制成的，后來才使用第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三硅半導體晶體管。大約1953年晶體管才開始用于計算機。1958年在美國得克薩斯儀器公司工作的美國人杰克吉爾比提出將兩個晶體管放在一片芯片上的設想，從而發(fā)明了第一個集成電路。隨著技術進步，集成電路規(guī)模越來越大，功能越來越強?，F在的計算機要靠硅芯片。硅芯片所記錄的信息是被描述上去的。硅芯片愈小，精確地記錄信息就愈難。但是，晶體芯片能夠以容納電荷的形式容納信息，并且能夠更加有效地編排信息。

基克斯說，利用這種分子技術所生產的芯片體積小得

第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三像塵粒一樣。他還說：“你一走進房間，它就可以把電視調到你最喜歡的頻道上。也就是說，免得你來來回回操縱鼠標而患腕關節(jié)不適之綜合癥狀，把你的手指變成了鼠標。”在半導體制造業(yè)發(fā)展的幾十年中，硅原料本身的自然屬性一直沒有對芯片運行速度的等方面對行騙的功能和成品率都有很大影響。

提高產生任何阻礙作用。但是，隨著芯片制造技術的不斷改進，硅原料自身的一些不足之處逐漸成為了芯片運行速度進一步提高的絆腳石。為此涌現出一系列的制程技術用來改進這種狀況，包括銅互連（copperinterconnects）技術，低介電薄膜（low-kdielectrics）技術和硅晶絕緣體（silicononinsulator，SOI）技術等等。第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三其中銅互連技術用于提高速度，而另外兩項技術主要用于控制電能泄漏和減少電能需求（由于更有效的利用了電能，從而降低了芯片的發(fā)熱量，這也同樣有助于運行速度的提升）。盡管有了這些技術，但是許多年來，制作芯片的硅襯底本身在本質特性上并未發(fā)生任何變化。目前在一些實驗中采用了單一同位素硅（100％的硅28，沒有摻雜任何硅29和硅30的成分，該材料號稱“最純潔的硅元”）做原料，大大改善了芯片的發(fā)熱和能耗問題。盡管這種純同位素材料與現在的混和同位素材料相比能夠帶來高達60%的性能提升，但是其高昂的制造成本也使得該材料被大規(guī)模使用的可能性變得微乎其微。第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三

幾十年來，全球電子業(yè)制造半導體芯片都是采用傳統(tǒng)的硅晶體材料，硅芯片的概念在人們頭腦中已經根深蒂固。但實際上，采用硅晶體制造芯片工藝十分復雜，制造成本也非常昂貴。因此，半導體芯片的售價多年來一直居高不下。為了解決這一問題，科學家們千方百計另辟蹊徑，尋找硅晶體的替代物來制造電子芯片。塑料芯片的出現令電子業(yè)界為之一振。

最近，科學家已經成功地利用成本低廉的塑料來取代用于制造集成電路芯片的硅晶體。這是一項歷史性的突破。而目前在大規(guī)模量產中真正可行的改進方案就是應變硅技術。其基本原理是:如果能夠迫使硅原子的間距加大，就可以

第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三減小電子通行所受到的阻礙，也就相當于減小了電阻，這樣一來發(fā)熱量和能耗都會降低，而運行速度則得以提升。而實現該技術的關鍵是能否找到一種成本相對較低，可大規(guī)模應用的方法來加大硅原子距。右圖是硅與硅鍺兩種材料的晶格對比。可以看到，通過向硅原料中摻入鍺的方式可以擴大原子距，這就是IBM開發(fā)的鍺原料.第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三這種材料又稱作“應變硅”（“strained”silicon）。右圖即是純硅在發(fā)生原子間力應變后晶體結構線性擴張的示意圖而作為晶狀硅雛形的非晶硅，雖然價格也比較低廉，但由于晶狀硅芯片與非晶狀硅芯片都很硬脆、易碎、比重大，都不是可供消費電子產品選擇的佳品。因此取代非晶硅是塑料芯