制造芯片的硅晶體的原理和過(guò)程方法

關(guān)于制造芯片的硅晶體的原理和過(guò)程方法第一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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(guò)程方法

1.原理2.過(guò)程和方法三芯片的發(fā)展第二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日一基本概念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(gè)電子，所以硅在化合物中呈四價(jià)。半導(dǎo)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(jié)構(gòu)完全是金剛石型的。每個(gè)原子和鄰近的四個(gè)原子以共價(jià)鍵結(jié)合。組成一個(gè)正四面體，每個(gè)硅原子可以看成是四面體第三頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日的中心。常壓下，金剛石構(gòu)型的硅在低于1414℃時(shí)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(jié)構(gòu))第四頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日硅的價(jià)電子分布是3S23P2。一個(gè)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(jié)構(gòu)。四個(gè)最鄰近的原子構(gòu)成四面體，硅晶體中所有的價(jià)電子束縛在共價(jià)鍵上沒有自由移動(dòng)的電子，不能導(dǎo)電。只有當(dāng)電子激發(fā)脫離共價(jià)鍵，成了自由移動(dòng)的電子才能導(dǎo)電激發(fā)脫離共共價(jià)鍵的電子越多導(dǎo)電性越強(qiáng)，這也就是半導(dǎo)體性。

第五頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2什么是芯片

芯片，準(zhǔn)確地說(shuō)就是硅片，也叫集成電路。是微電子技術(shù)的主要產(chǎn)品。所謂微電子是相對(duì)強(qiáng)電弱電等概念而言的。指他處理的電子信號(hào)極其微小。它是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)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(gè)芯片是有幾百個(gè)微電路連在一起的，體積很小，第六頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日在芯片上布滿了產(chǎn)生脈沖電流的微電路。計(jì)算機(jī)內(nèi)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(jì)算機(jī)中的主要芯片有微處理芯片、接口芯片、存儲(chǔ)器芯片等。制造芯片的硅晶體的原理和過(guò)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七頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

等方面對(duì)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(wú)法保證而且硅片中央與邊沿的光刻精度一致性會(huì)變差。硅片表面硅片表面吸附的微小雜質(zhì)顆粒，我們無(wú)法用肉眼發(fā)現(xiàn)，必須借助電子顯微鏡在暗場(chǎng)下觀察。暗場(chǎng)下的亮點(diǎn)象天上的星星一樣，它是芯片的天敵，可以導(dǎo)致器件失效，嚴(yán)重影響器件的可靠性。微小雜質(zhì)顆粒的來(lái)源主要是化學(xué)試劑、氣體及環(huán)境。第八頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

硅晶體的提純正是由于低純度的硅對(duì)芯片的功能和成品率有如此重大的影響，所以工業(yè)生產(chǎn)就要求高純硅，以滿足器件質(zhì)量的需求。在半導(dǎo)體材料的提純工藝流程中，一般說(shuō)來(lái)，化學(xué)提純?cè)谙?，物理提純?cè)诤?。原因是：一方面化學(xué)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(xué)提純難免引入化學(xué)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(jié)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(yīng)式為：第九頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

工業(yè)硅中所含雜質(zhì)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）。第十頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

由石英砂（SiO2）制備多晶硅的流程：第十一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日在粗四氯化硅中含有雜質(zhì)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(zhì)。常用精餾提純。

在粗四氯化硅中含有雜質(zhì)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(zhì)。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(chǎn)的主要方法。因?yàn)闅錃庖子趦艋?，而且在硅中的溶解度極低。反應(yīng)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(shù)百個(gè)電路，需要非常精密的生產(chǎn)技術(shù)。芯片上的元件是用微米測(cè)量的，定位時(shí)的精密度為1-2毫米。芯片是在超凈化的工廠內(nèi)，使用由具有

第十二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日專門技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器制造的。在制造過(guò)程中需要用高倍顯微鏡對(duì)芯片進(jìn)行觀察。制造芯片時(shí)，將元件和電路連線置于硅片的表面和內(nèi)部，形成9-10個(gè)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(chǔ)在電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器里的電路設(shè)計(jì)程序，為芯片的各層制造一組“光掩?！?，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(shù)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(dāng)上述圓片被徹底清洗干凈后，再放入灼熱的氧化爐內(nèi)，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十三頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日抗蝕劑）。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(hù)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(jìn)一步處理。用離子植入法將摻雜物摻入硅中構(gòu)成元件的n型和p型部分，在硅片上形成元件。第十四頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日此時(shí)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(dāng)整個(gè)制造過(guò)程完成以后，使用電探針對(duì)每一個(gè)芯片進(jìn)行檢驗(yàn)。將不合格的產(chǎn)品淘汰，其它產(chǎn)品進(jìn)行封裝后在不同溫度及環(huán)境條件下的檢驗(yàn)，最終成為出廠的芯片。三芯片的發(fā)展1950~1960年的空中競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。美國(guó)為了在飛船有限的空間內(nèi)做更多的事要求設(shè)備的體積小而再小，以便在很小的空間內(nèi)能裝更多的電子設(shè)備，從而發(fā)展芯片。許多生產(chǎn)者很快利用芯片體積小，消耗電流少的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步生產(chǎn)了微型計(jì)算器和微型計(jì)算機(jī)。自從第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)發(fā)明后，1974年，三個(gè)美國(guó)科學(xué)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(dǎo)體制成的，后來(lái)才使用第十五頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日硅半導(dǎo)體晶體管。大約1953年晶體管才開始用于計(jì)算機(jī)。1958年在美國(guó)得克薩斯儀器公司工作的美國(guó)人杰克吉爾比提出將兩個(gè)晶體管放在一片芯片上的設(shè)想，從而發(fā)明了第一個(gè)集成電路。隨著技術(shù)進(jìn)步，集成電路規(guī)模越來(lái)越大，功能越來(lái)越強(qiáng)。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)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(shuō)，利用這種分子技術(shù)所生產(chǎn)的芯片體積小得

第十六頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日像塵粒一樣。他還說(shuō)：“你一走進(jìn)房間，它就可以把電視調(diào)到你最喜歡的頻道上。也就是說(shuō)，免得你來(lái)來(lái)回回操縱鼠標(biāo)而患腕關(guān)節(jié)不適之綜合癥狀，把你的手指變成了鼠標(biāo)?！痹诎雽?dǎo)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(duì)芯片運(yùn)行速度的等方面對(duì)行騙的功能和成品率都有很大影響。

提高產(chǎn)生任何阻礙作用。但是，隨著芯片制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，硅原料自身的一些不足之處逐漸成為了芯片運(yùn)行速度進(jìn)一步提高的絆腳石。為此涌現(xiàn)出一系列的制程技術(shù)用來(lái)改進(jìn)這種狀況，包括銅互連（copperinterconnects）技術(shù)，低介電薄膜（low-kdielectrics）技術(shù)和硅晶絕緣體（silicononinsulator，SOI）技術(shù)等等。第十七頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日其中銅互連技術(shù)用于提高速度，而另外兩項(xiàng)技術(shù)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(yùn)行速度的提升）。盡管有了這些技術(shù)，但是許多年來(lái)，制作芯片的硅襯底本身在本質(zhì)特性上并未發(fā)生任何變化。目前在一些實(shí)驗(yàn)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(hào)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(wèn)題。盡管這種純同位素材料與現(xiàn)在的混和同位素材料相比能夠帶來(lái)高達(dá)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。第十八頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

幾十年來(lái)，全球電子業(yè)制造半導(dǎo)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(jīng)根深蒂固。但實(shí)際上，采用硅晶體制造芯片工藝十分復(fù)雜，制造成本也非常昂貴。因此，半導(dǎo)體芯片的售價(jià)多年來(lái)一直居高不下。為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們千方百計(jì)另辟蹊徑，尋找硅晶體的替代物來(lái)制造電子芯片。塑料芯片的出現(xiàn)令電子業(yè)界為之一振。

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

第十九頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日減小電子通行所受到的阻礙，也就相當(dāng)于減小了電阻，這樣一來(lái)發(fā)熱量和能耗都會(huì)降低，而運(yùn)行速度則得以提升。而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵是能否找到一種成本相對(duì)較低，可大規(guī)模應(yīng)用的方法來(lái)加大硅原子距。右圖是硅與硅鍺兩種材料的晶格對(duì)比。可以看到，通過(guò)向硅原料中摻入鍺的方式可以擴(kuò)大原子距，這就是IBM開發(fā)的鍺原料.第二十頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日這種材料又稱作“應(yīng)變硅”（“strained”silicon）。右圖即是純硅在發(fā)生原子間力應(yīng)變后晶體結(jié)構(gòu)線性擴(kuò)張的示意圖而作為晶狀硅雛形的非晶硅，雖然價(jià)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(fèi)電子產(chǎn)品選擇的佳品。因此取代非晶硅是塑