電子科大微電子工藝原理(第一章)緒論

微電子工藝

王剛李建軍電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院電子郵箱：王剛phdforyou@

李建軍lijj@電話：王/p>

李建/p>

辦公室：211樓505室

上課安排第1周~第8周每周4學(xué)時(shí)，共32學(xué)時(shí)周一3、4節(jié)二教103

周四9、10節(jié)二教103

教材：

《半導(dǎo)體制造技術(shù)》中文版，韓鄭生等譯，電子工業(yè)出版社2004，國(guó)外電子與通信教材系列。參考教材：

1.《集成電路工藝基礎(chǔ)》，王陽(yáng)元等編著，高等教育出版社。

2.《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》，曾瑩等譯，電子工業(yè)出版社，國(guó)外電子與通信教材系列。

3.《集成電路制造技術(shù)—原理與實(shí)踐》，莊同曾編，電子工業(yè)出版社。課程教材考核方式考核方式：

平時(shí)考核(到課率、交作業(yè)情況)，占總成績(jī)20%

期末考核(開(kāi)卷考試)，占總成績(jī)80%課程介紹“微電子工藝”也可以叫集成電路工藝，它是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過(guò)了解微電子工藝能夠深入理解器件物理，為器件與電路的設(shè)計(jì)打下牢固的基礎(chǔ)。掌握了微電子工藝，會(huì)大大提高器件與電路設(shè)計(jì)的成功率。先修課程：《微電子器件》

相關(guān)課程：《微電子工藝實(shí)驗(yàn)》課程目標(biāo)了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)；了解集成電路制造先進(jìn)工藝技術(shù)；掌握氧化、擴(kuò)散、離子注入、沉積、光刻、刻蝕、金屬化、化學(xué)機(jī)械平坦化等各種單項(xiàng)工藝技術(shù)的基本原理、方法和主要特點(diǎn)；掌握工藝集成的特點(diǎn)以及集成電路制造的基本工藝流程。課程安排第一章：緒論第二章：氧化第三章：擴(kuò)散/離子注入第四章：沉積課程安排第五章：光刻第六章：刻蝕第七章：金屬化第八章：化學(xué)機(jī)械平坦化第九章：工藝集成第十章：裝配與封裝第一章：緒論本章主要內(nèi)容

§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹（書中第1章）

§1.2器件技術(shù)（書中第3章）

§1.3硅和硅片制備（書中第2、4章）

§1.4硅片清洗（書中第6章）§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹1.產(chǎn)業(yè)的地位及重要性2.產(chǎn)業(yè)規(guī)模及市場(chǎng)需求3.產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)4.集成電路產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)5.集成電路產(chǎn)業(yè)模式及分工6.我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況7.產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展8.集成電路制造9.集成電路的發(fā)展趨勢(shì)§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹1.產(chǎn)業(yè)的地位及重要性半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)：

與半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的產(chǎn)業(yè)?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)是全球第一大產(chǎn)業(yè)，占全球GDP的10%。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)：3000億美元

電子整機(jī)業(yè)務(wù)：12000億美元

電子信息服務(wù)業(yè)：50000億美元戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模及技術(shù)水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。

1985~1999年15年間，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)銷售額年均增長(zhǎng)率：16.2%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大；1999~2006年7年間，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)銷售額年均增長(zhǎng)率：7.5%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模平穩(wěn)增長(zhǎng)；2006年產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到2477億美元，從而使電子信息產(chǎn)業(yè)成為世界第一大產(chǎn)業(yè)；2006年全球集成電路生產(chǎn)線：600條，產(chǎn)能主要分布在8英寸和12英寸生產(chǎn)線；2007年底，全球8英寸線近190條；§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹2.產(chǎn)業(yè)規(guī)模及市場(chǎng)需求2007年底，全球12英寸集成電路生產(chǎn)線超過(guò)70條。其中，臺(tái)灣地區(qū)19條，美國(guó)18條，日本16條，韓國(guó)9條，歐洲4條，我國(guó)大陸3條，新加坡1條；截止2012年，我國(guó)集成電路生產(chǎn)線合計(jì)65條，其中8英寸15條，12英寸6條；2012年最小工藝節(jié)點(diǎn)45nm，2015年有望提升至22nm，基本與世界先進(jìn)水平同步；2012年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)銷售額達(dá)到3000億美元；2014年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全球銷售額3398億美元；集成電路占個(gè)人電腦總成本的30％～40％；據(jù)東方證券研報(bào)顯示，集成電路在一部手機(jī)中其成本比例占據(jù)40%以上；§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹20世紀(jì)60~70年代：世界十大半導(dǎo)體廠商由美國(guó)一統(tǒng)天下20世紀(jì)80年代：日本半導(dǎo)體崛起，世界十大半導(dǎo)體廠商由美、日兩國(guó)平分；20世紀(jì)90年代：產(chǎn)業(yè)開(kāi)始出現(xiàn)多極化，世界十大半導(dǎo)體廠商由美國(guó)、日本、歐洲瓜分；近幾年來(lái)：產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步多極化，2014年全球二十大半導(dǎo)體廠商中，美國(guó)有8家、日本3家、歐洲3家、臺(tái)灣3家、韓國(guó)2家、新加坡1家；參加下圖：§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹3.產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)2014年全球前二十大半導(dǎo)體廠商營(yíng)收排名§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹集成電路產(chǎn)業(yè)是更新?lián)Q代最快的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品的集成度每18個(gè)月增長(zhǎng)一倍（摩爾定律）。產(chǎn)品的性價(jià)比越來(lái)越高。集成電路產(chǎn)業(yè)投資巨大，風(fēng)險(xiǎn)極高，被譽(yù)為“吞金”產(chǎn)業(yè)。投資建設(shè)集成電路生產(chǎn)線的費(fèi)用：

8英寸線10億美元；12英寸線15億美元；8英寸集成電路生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用：100萬(wàn)元/天；極高的集成電路設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)4.集成電路產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹集成電路一次流片的費(fèi)用：IC費(fèi)用12英寸8英寸6英寸45nm90nm0.18μm0.5μm0.5μm1.0μm制版費(fèi)（每套）450萬(wàn)元250萬(wàn)元190萬(wàn)元20萬(wàn)元12萬(wàn)元流片費(fèi)（每晶圓）—1.0萬(wàn)元0.7萬(wàn)元0.5萬(wàn)元§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹集成電路芯片制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)5.集成電路產(chǎn)業(yè)模式及分工5.1集成電路產(chǎn)業(yè)模式集成電路產(chǎn)業(yè)是主要以IC設(shè)計(jì)業(yè)（Fabless如海思、英偉達(dá)）、IC芯片制造業(yè)（Foundry）、IC封裝測(cè)試業(yè)等三業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，另外還有

IC支撐業(yè)（硅片材料廠、半導(dǎo)體設(shè)備廠、測(cè)試儀器廠等）。IDM（IntegratedDeviceManufacturer/IntegratedDesignandManufacture:整合元件制造/垂直整合制造）模式：指從設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試到銷售自有品牌IC都一手包辦的半導(dǎo)體公司，如：Intel,TI,Motorola,Samsung?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹5.2集成電路產(chǎn)業(yè)分工IC設(shè)計(jì)公司（Fabless）：根據(jù)電子系統(tǒng)的要求，利用EDA設(shè)計(jì)軟件、進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、電路仿真、版圖設(shè)計(jì)、版圖驗(yàn)證等工作，最后完成版圖數(shù)據(jù)文件交給IC代工廠。IC代工廠（Foundry）:利用IC設(shè)計(jì)公司的版圖數(shù)據(jù)制成光刻掩膜版，利用復(fù)雜精密的儀器設(shè)備和光刻掩膜版等材料對(duì)硅片進(jìn)行清洗、成膜、光刻、刻蝕、摻雜等多種復(fù)雜的工藝加工，最后制成帶有芯片的硅片?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹IC封裝測(cè)試公司：在探針臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上，對(duì)集成電路硅片進(jìn)行功能和性能測(cè)試、揀選，然后對(duì)測(cè)好的硅片進(jìn)行劃片，封裝。硅片材料廠（支撐）：通過(guò)拉制單晶、切片、研磨、拋光等工序制成符合IC制造要求的硅片?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹6.我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況我國(guó)大陸的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，中國(guó)是全球最大的半導(dǎo)體市場(chǎng)，2014年中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1400億美元，約占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)營(yíng)業(yè)額的41%。6.1國(guó)內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)1986年我國(guó)第一家專業(yè)設(shè)計(jì)公司（現(xiàn)中國(guó)華大集成電路設(shè)計(jì)公司）在北京成立；目前IC設(shè)計(jì)單位近500家，設(shè)計(jì)行業(yè)從業(yè)人員超過(guò)5萬(wàn)人?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹2014年全球50大IC設(shè)計(jì)公司中國(guó)占9家§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹6.2國(guó)內(nèi)集成電路芯片制造業(yè)△我國(guó)擁有的第一條6英寸IC生產(chǎn)線：

20世紀(jì)90年代908工程（無(wú)錫華晶項(xiàng)目）△我國(guó)擁有的第一條8英寸IC生產(chǎn)線：

20世紀(jì)90年代909工程（上海華虹NEC項(xiàng)目）△我國(guó)擁有的第一條12英寸IC生產(chǎn)線：

2004年中芯國(guó)際北京芯片生產(chǎn)線△截至2007年，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有集成電路芯片制造企業(yè)近50家，擁有各類集成電路芯片生產(chǎn)線50條。截止2012年，我國(guó)集成電路生產(chǎn)線合計(jì)65條?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹上海華虹NEC

中芯國(guó)際（上海、北京、武漢）上海先進(jìn)上海宏力上海貝嶺臺(tái)積電（上海、深圳）無(wú)錫海力士意法蘇州和艦常州柏瑪無(wú)錫華潤(rùn)上華摩托羅拉（天津）國(guó)內(nèi)主要集成電路芯片制造企業(yè)：§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹6.3國(guó)內(nèi)集成電路封裝測(cè)試業(yè)在國(guó)內(nèi)封裝測(cè)試業(yè)的發(fā)展道路上，主要由三支力量構(gòu)成：△

芯片制造企業(yè)內(nèi)部的封裝測(cè)試線（如華潤(rùn)微電子、華越、首鋼NEC等）；△

國(guó)內(nèi)獨(dú)立封裝測(cè)試企業(yè)（如江蘇長(zhǎng)電、南通富士通、天水華天科技等）；△

國(guó)外獨(dú)資或合資企業(yè)（如Intel、Infineon、Samsung、Fairchild等）（近10年來(lái)一支主要力量）。具有一定規(guī)模的集成電路封裝測(cè)試企業(yè)已超過(guò)70家，其中年封裝量超過(guò)10億塊的企業(yè)超過(guò)20家。

7.產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展7.1真空管時(shí)代（20世紀(jì)40年代前）體積大重量重功耗高可靠性差§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹7.2固體晶體管時(shí)代（20世紀(jì)50年代后）

§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹△無(wú)真空△體積小△重量輕△功耗低△可靠性高1947年發(fā)明固體鍺晶體管（肖克萊、巴丁、布拉頓）1957年第一個(gè)硅平面晶體管誕生（仙童半導(dǎo)體公司)1959年發(fā)明硅基集成電路（諾伊思、基爾比）△1947在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的固體鍺晶體管§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹晶體管的發(fā)明者（肖克萊、巴丁、布拉頓）因此發(fā)明獲得諾貝爾獎(jiǎng)(1956)△

固體晶體管的發(fā)明者§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹△1957年誕生第一個(gè)硅平面晶體管§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹△1958年德州儀器公司的基爾比（JackKilby）發(fā)明的鍺基集成電路§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹△

1959年美國(guó)仙童公司的諾伊思（R.Noicy）開(kāi)發(fā)出用于IC的硅平面工藝技術(shù)，從而推動(dòng)了IC制造業(yè)的大發(fā)展?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹1959年仙童公司制造的IC7.3集成電路時(shí)代（20世紀(jì)60年代后）集成電路發(fā)展的五個(gè)時(shí)代：§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹集成電路的概念集成電路是把電阻、電容、二極管、晶體管等多個(gè)元器件制造在一個(gè)芯片上并具有一定功能的電路。集成度每個(gè)芯片上的元器件數(shù)。

§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹集成電路硅片、芯片§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹含芯片的硅片§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹

一種模擬集成電路芯片§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹

一種ULSI芯片及其產(chǎn)品§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹

8.集成電路制造

Waferpreparation(硅片準(zhǔn)備)Waferfabrication(硅片制造)Wafertest/sort(硅片測(cè)試和揀選)Assemblyandpackaging(裝配和封裝)Finaltest(終測(cè))§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹集成電路制造步驟：§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹9.集成電路的發(fā)展趨勢(shì)§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹提高芯片性能降低芯片成本提高芯片可靠性提高芯片性能－提高速度，降低功耗

提高速度方法：降低關(guān)鍵尺寸（CriticalDimension,CD）

研發(fā)采用新材料降低芯片成本－提高集成度、增加硅片直徑提高芯片可靠性－優(yōu)化設(shè)計(jì)、嚴(yán)格控制污染§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹關(guān)鍵尺寸摩爾定律硅片尺寸重要概念：關(guān)鍵尺寸芯片上的物理尺寸特征被稱為特征尺寸；最小的特征尺寸稱為關(guān)鍵尺寸（CriticalDimension,CD）；CD是衡量工藝難度的標(biāo)志，代表集成電路的工藝水平，例如0.18微米CMOS技術(shù)就是指關(guān)鍵尺寸為0.18微米?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹器件的CD技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)：△2012年，英特爾成功量產(chǎn)了22nm工藝技術(shù)，

臺(tái)積電量產(chǎn)28nm?！飨乱淮河⑻貭?4nm、臺(tái)積電20nm?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹20042006200820102012CD（nm)906545322219941995199719992002CD（μm)0.60.33對(duì)微觀尺寸的認(rèn)識(shí)§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹

摩爾定律：

IC的集成度將每一年半翻一番（即每18個(gè)月增長(zhǎng)1倍）（由Intel公司創(chuàng)始人戈登.摩爾提出）。計(jì)算機(jī)界對(duì)于摩爾定律的兩點(diǎn)推論：

a)微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一半。

b)用一美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能，每隔18個(gè)月翻兩番。

§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹IC發(fā)展的另一些規(guī)律：△建立一個(gè)芯片廠的造價(jià)每一年半翻一番?！骶€條寬度每4~6年下降一半?？偩w管數(shù)/芯片（單位：百萬(wàn)）§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹硅片尺寸§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹降低成本§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹硅片尺寸不斷增大，芯片成本逐漸降低20092010201120122013201420152016關(guān)鍵尺寸nm2927242220181715晶圓直徑mm300300300300300450450450INTERNATIONALTECHNOLOGYROADMAPFORSEMICONDUCTORSITRS2010§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹20172018201920202021202220232024關(guān)鍵尺寸nm1413121110987晶圓直徑mm450450450450450450450450§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹INTERNATIONALTECHNOLOGYROADMAPFORSEMICONDUCTORSITRS2010§1.2器件技術(shù)1.集成電路分類2.無(wú)源器件3.有源器件

4.雙極型IC和MOSIC優(yōu)缺點(diǎn)§1.2器件技術(shù)1.集成電路分類按功能分?jǐn)?shù)字電路－以門電路為基礎(chǔ)的電路模擬電路－以放大器為基礎(chǔ)的電路數(shù)?；旌想娐钒礃?gòu)成集成電路基礎(chǔ)的晶體管分雙極型集成電路－以雙極型平面晶體管為主要器件MOS型集成電路－以MOS晶體管為主要器件BICMOS電路－雙極Bipolar與MOS混合型2.無(wú)源器件用于傳輸電流，不能控制電流方向集成電路電阻結(jié)構(gòu)薄膜電阻§1.2器件技術(shù)§1.2器件技術(shù)擴(kuò)散電阻俯視圖剖面圖集成電路電容結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電層/介質(zhì)層/導(dǎo)電層構(gòu)成電容結(jié)構(gòu)。金屬層、摻雜的多晶硅和襯底的擴(kuò)散層都是導(dǎo)電層?！?.2器件技術(shù)3.有源器件

用于控制電流方向，放大信號(hào)，并產(chǎn)生復(fù)雜電路。

§1.2器件技術(shù)主要的有源器件：二極管雙極晶體管MOS晶體管CMOS器件二極管結(jié)構(gòu)（pn結(jié)）§1.2器件技術(shù)雙極晶體管結(jié)構(gòu)§1.2器件技術(shù)CMOS器件結(jié)構(gòu)（包括PMOS和NMOS結(jié)構(gòu)）§1.2器件技術(shù)§1.2器件技術(shù)先進(jìn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管---FinFETIntel從Corei7-3770之后的22納米的處理器均使用了FinFET技術(shù)。4.雙極型IC和MOSIC優(yōu)缺點(diǎn)雙極型集成電路中等速度、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高、功耗比較大CMOS集成電路靜態(tài)功耗低、電源電壓范圍寬、輸出電壓幅度寬、速度高、密度高、可與TTL電路兼容，電流驅(qū)動(dòng)能力低BICMOS集成電路集上述兩種電路的優(yōu)點(diǎn)，但制造工藝復(fù)雜§1.2器件技術(shù)§1.3硅和硅片制備1.晶體結(jié)構(gòu)2.晶體表征3.半導(dǎo)體級(jí)硅(SGS)的制備4.單晶硅生長(zhǎng)5.硅片制備6.硅中的晶體缺陷7.硅外延層§1.3硅和硅片制備半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)選擇硅的原因：硅的豐裕度(地殼中含量第二，約占25%，僅次于氧)更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限(硅：1412

℃

，鍺：937

℃

)更寬的工作溫度范圍(軍用-55℃至+125℃，商用0℃至70℃)(鍺外層電子比硅活躍，溫度影響大)氧化硅的自然生成(容易生長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，用途廣泛)硅摻雜：純單晶硅是絕緣體其電阻率為2.5×105Ωcm，

當(dāng)摻入百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)磷或砷，則電阻率下降為0.2Ωcm，導(dǎo)電能力增強(qiáng)125萬(wàn)倍！1.晶體結(jié)構(gòu)§1.3硅和硅片制備自然界中硅的主要存在方式是二氧化硅：巖石、砂礫、塵土、水晶、玻璃自然界的硅不能滿足集成電路制造的需要：提高純度（去掉雜質(zhì)元素）形成單晶結(jié)構(gòu)物質(zhì)晶體非晶體單晶多晶內(nèi)部原子非常規(guī)則地在三維空間重復(fù)排列§1.3硅和硅片制備晶體的原子排列非晶體原子排列內(nèi)部原子排列雜亂無(wú)規(guī)則§1.3硅和硅片制備

晶胞：是組成晶體的最小重復(fù)單元。硅晶胞：面心立方金剛石結(jié)構(gòu)§1.3硅和硅片制備多晶和單晶多晶硅結(jié)構(gòu)

單晶硅結(jié)構(gòu)單晶：晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做單晶。單晶的原子排列長(zhǎng)程有序。多晶：晶胞無(wú)規(guī)律地排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做多晶。多晶的原子排列短程有序長(zhǎng)程無(wú)序。§1.3硅和硅片制備2.晶體表征晶向：晶胞在晶體中的方向晶向的表示法OA＝m1X＋m2Y＋m3Z§1.3硅和硅片制備密勒指數(shù)：m1

m2m3

晶向：<m1m2m3>晶面MOS集成電路通常用（100）晶面或<100>晶向雙極集成電路通常用（111）晶面或<111>晶向§1.3硅和硅片制備不同晶向的硅片，它的化學(xué)、電學(xué)、和機(jī)械性質(zhì)都不同（例如遷移率，界面態(tài)等），這會(huì)影響最終的器件性能。思考:為什么MOS集成電路通常用（100）晶面而雙極集成電路通常用（111）晶面？§1.3硅和硅片制備3.半導(dǎo)體級(jí)硅(SGS)的制備這種生產(chǎn)純SGS的工藝稱為西門子工藝§1.3硅和硅片制備98%99.9999999%西門子工藝提純裝置§1.3硅和硅片制備4.單晶硅生長(zhǎng)半導(dǎo)體級(jí)硅的純度99.9999999％（9個(gè)9），但其結(jié)構(gòu)是多晶硅結(jié)構(gòu)，不能使用。要經(jīng)過(guò)晶體生長(zhǎng)，形成單晶結(jié)構(gòu)才能使用。晶體生長(zhǎng)是把半導(dǎo)體級(jí)多晶硅轉(zhuǎn)變成單晶硅，長(zhǎng)出硅錠。生長(zhǎng)單晶硅錠的兩種方法：直拉法（CZ法）區(qū)熔法§1.3硅和硅片制備CZ直拉法單晶爐§1.3硅和硅片制備關(guān)鍵工藝參數(shù)：拉伸速率和晶體旋轉(zhuǎn)速度1)直拉法（CZ法）用CZ法拉出的單晶硅錠：§1.3硅和硅片制備精確復(fù)制籽晶（具有所需晶向的單晶硅）結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)大直徑的單晶硅錠。85%的硅錠是由直拉法生產(chǎn)出來(lái)的。實(shí)現(xiàn)均勻摻雜?！?.3硅和硅片制備直拉法（CZ法）特點(diǎn)：原位摻雜§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備硅中電阻率和摻雜濃度之間的關(guān)系純Si電阻率2.5×105Ω.cm2)區(qū)熔法使用的材料：摻雜好的多晶硅棒優(yōu)點(diǎn)：純度高，含氧量低(少量氧吸附雜質(zhì)；過(guò)量氧影響單晶硅的機(jī)械和電學(xué)性能)缺點(diǎn)：硅片直徑比直拉的小§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備5.硅片制備§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備1)整形§1.3硅和硅片制備去掉兩端徑向研磨定位邊研磨硅片的定位邊標(biāo)識(shí)§1.3硅和硅片制備直徑200mm及以上的硅片采用定位槽取代定位邊§1.3硅和硅片制備2)切片§1.3硅和硅片制備注：直徑大于300mm的硅片采用線鋸來(lái)切片。3)磨片和倒角§1.3硅和硅片制備倒角：減小機(jī)械應(yīng)力，降低位錯(cuò)缺陷，避免沾污4)刻蝕§1.3硅和硅片制備化學(xué)腐蝕深度約20微米，目的是消除硅片表面損傷5)拋光§1.3硅和硅片制備CMP，目的：高平整度的光滑表面200mm及其以前硅片，僅上表面拋光；300mm以上硅片，雙面拋光。6)清洗§1.3硅和硅片制備7)評(píng)估8)包裝尺寸（直徑、厚度、形變）平整度（影響光刻質(zhì)量）粗糙度（對(duì)硅片表面介質(zhì)層的質(zhì)量有影響）氧含量（少量氧起束縛金屬沾污物作用；過(guò)量氧

會(huì)吸引沾污深入硅片內(nèi)部影響硅的機(jī)械、

電學(xué)性能）電阻率（摻雜類型、均勻性）顆粒（影響芯片成品率）缺陷密度§1.3硅和硅片制備硅片質(zhì)量評(píng)估主要技術(shù)指標(biāo):§1.3硅和硅片制備

硅片尺寸和參數(shù)§1.3硅和硅片制備450mm硅片計(jì)劃：臺(tái)積電已在臺(tái)灣竹南購(gòu)買了土地，用來(lái)建設(shè)開(kāi)發(fā)和初期量產(chǎn)使用的450mm硅片生產(chǎn)線。

計(jì)劃在2016～2017年啟動(dòng)試產(chǎn)線，2018年開(kāi)始量產(chǎn)。追求更大直徑硅片的原因——降低成本，提高利潤(rùn)在一個(gè)Wafer上的芯片個(gè)數(shù)增加，單個(gè)芯片的生產(chǎn)成本降低（300mm硅片比200mm硅片面積大2.25倍）；Wafer邊沿面積和邊沿芯片減少，成品率提高；設(shè)備使用率提高?！?.3硅和硅片制備Φ300mm的硅錠及硅單晶片成品§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備6.硅中的晶體缺陷§1.3硅和硅片制備點(diǎn)缺陷–原子層面的局部缺陷線缺陷（位錯(cuò)）–錯(cuò)位的晶胞面缺陷（層錯(cuò)）–

晶體結(jié)構(gòu)的缺陷點(diǎn)缺陷：§1.3硅和硅片制備空位缺陷Vacancydefect(b)間歇原子缺陷Interstitialdefect(c)Frenkel缺陷Frenkeldefect線缺陷（位錯(cuò)）：晶胞錯(cuò)位，由不均勻的冷熱過(guò)程、應(yīng)力、表面的熱氧化等引起?！?.3硅和硅片制備面缺陷（層錯(cuò)）：晶體滑移§1.3硅和硅片制備減少缺陷密度是提高芯片成品率的重要方面：§1.