第1章 襯底教材

半導(dǎo)體工藝原理段俊萍科研樓411duanjunping@1在本課程之前電子基礎(chǔ)力學(xué)基礎(chǔ)大學(xué)物理/數(shù)學(xué)ANSYS仿真課程的基本目的了解硅集成電路了解硅MEMS制造領(lǐng)域的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝具有一定工藝分析和設(shè)計(jì)、工藝整合的能力。主要內(nèi)容半導(dǎo)體襯底擴(kuò)散離子注入氧化光刻技術(shù)真空技術(shù)和等離子體刻蝕技術(shù)薄膜技術(shù)工藝集成微型電子設(shè)備發(fā)展MEMS的尺度

6微型車床

MicroLathe-Japan小汽車和米粒MiniCarandRice

--Toyota微型飛行器MicroAerialVehicle--MIT微型機(jī)器人

MicroRobot--US人造的微小世界（<28克，4cm3）7MEMS的基本特點(diǎn)起源于硅IC工藝尺寸在~1um----幾mm含有可動(dòng)部件（actuators）/傳感器/相關(guān)系統(tǒng)主要工藝借鑒IC能與IC集成封裝相對(duì)復(fù)雜

81958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個(gè)器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎(jiǎng)982年：美國(guó)U.C.Bekeley，表面犧牲層技術(shù)

微型靜電馬達(dá)成功

MEMS進(jìn)入新紀(jì)元101988年：靜電旋轉(zhuǎn)微馬達(dá)RichardS.Muller

UCB,Berkeley,CA,USA

FanLong-Shen,TaiYu-ChongandMullerRS1989,IC-processedelectrostaticmicromotorsSensorsActuators,2041–71120世紀(jì)90年代初：氣囊微加速度計(jì)產(chǎn)業(yè)化氣囊微加速度計(jì)的集成電路版圖121320世紀(jì)90年代中：ICP的出現(xiàn)促進(jìn)體硅工藝快速發(fā)展1490年代末：Sandia實(shí)驗(yàn)室5層多晶硅技術(shù)代表最高水平152000年底：MEMSSi宣布研制成功與標(biāo)準(zhǔn)

CMOS兼容的加速度計(jì)——

——最新動(dòng)向16WiiMotionPlususingmulti-axisMEMSgyroscopesipadintegratedAccelerometers,3-axisgyroscopes,3-axisdigitalcompass,microhphoneAccelerometersforAirbagDeploymentGyroscopesforElectronicStabilityPressureSensorsforOil,Tires,Intakemanifold,etcDLPProjectorwithasingleDMDchipInkJetprintersAccelerometers&Gyroscopesforimagingstabilization關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體工藝、集成電路工藝、微機(jī)械Keywords:MEMS,Micromachining,Microstructure,Process,MEMSFabrication,Microsystem17期刊SensorandActuatorJournalofMicroelectromechanicalSystemsJournalofmicromechanicsandMicroengineeringMicrosystemTechnologies儀表技術(shù)與傳感器光學(xué)、精密工程微納電子技術(shù)半導(dǎo)體學(xué)報(bào)固體電子學(xué)研究與進(jìn)展傳感技術(shù)學(xué)報(bào)18相關(guān)網(wǎng)站19相關(guān)公司20第一講：半導(dǎo)體襯底第一章半導(dǎo)體襯底

掌握晶體生長(zhǎng)技術(shù)（直拉法、區(qū)熔法），硅圓片制備及規(guī)格，晶體缺陷，硅中雜質(zhì)。半導(dǎo)體：常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，半導(dǎo)體在收音、電視機(jī)及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用，如二極管、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等。

半導(dǎo)體指一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。分類：元素半導(dǎo)體，鍺、硅按化學(xué)分類

化合物半導(dǎo)體，砷化鎵，磷化鎵等

分立器件

光電半導(dǎo)體按制造分類邏輯IC模擬IC儲(chǔ)存器IC按設(shè)計(jì)LSIVLSI

這個(gè)有世以來的第一個(gè)晶體管是將一片金箔帶用刀劃開一條約為50微米間隔的小縫，用一塊三角形的石英晶體將其壓到n型半導(dǎo)體鍺材料上作為發(fā)射極和集電極，形成點(diǎn)接觸PNP晶體管。當(dāng)一個(gè)接觸正偏另一個(gè)反偏時(shí)，可以觀測(cè)到把輸入信號(hào)放大的晶體管效應(yīng)1、單晶硅生長(zhǎng)CZ方法CZ晶體拉升器摻雜雜質(zhì)控制區(qū)熔法發(fā)展大直徑晶錠的理由Czochralski(CZ)－查克洛斯基法生長(zhǎng)單晶硅，把熔化了的半導(dǎo)體級(jí)硅液體變?yōu)橛姓_晶向并且被摻雜成n型或p型的固體硅錠。85％以上的單晶硅是采用CZ法生長(zhǎng)出來的。什么是N型半導(dǎo)體，什么是P型半導(dǎo)體？N型半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，自由電子為多子，空穴為少子，主要靠自由電子導(dǎo)電。自由電子主要由雜質(zhì)原子提供，空穴由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。P型半導(dǎo)體也稱為空穴型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電。空穴主要由雜質(zhì)原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電。由于P型半導(dǎo)體中正電荷量與負(fù)電荷量相等，故P型半導(dǎo)體呈電中性。空穴主要由雜質(zhì)原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。CZ法特點(diǎn)：低功率IC的主要原料。占有～80％的市場(chǎng)。制備成本較低。硅片含氧量高。CZ拉單晶爐CZ法主要工藝工程:籽晶熔接:加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發(fā)一定時(shí)間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊。

引晶和縮頸：當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸。此時(shí)要控制好溫度，當(dāng)籽晶與熔體液面接觸，浸潤(rùn)良好時(shí)，可開始緩慢提拉，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結(jié)晶，這一步驟叫“引晶”，。“縮頸”是指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長(zhǎng)于20mm。放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度，讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。在放肩時(shí)可判別晶體是否是單晶，否則要將其熔掉重新引晶。單晶體外形上的特征—棱的出現(xiàn)可幫助我們判別，<111>方向應(yīng)有對(duì)稱三條棱，<100>方向有對(duì)稱的四條棱。等徑生長(zhǎng)：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長(zhǎng)。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速不變。收尾：隨著晶體生長(zhǎng)結(jié)束，采用稍升溫，降拉速，使晶體直徑逐漸變小，此過程稱為收尾。CZ拉單晶爐影響直拉法的兩個(gè)主要參數(shù)是拉伸速率和晶體旋轉(zhuǎn)速率。區(qū)熔法（FloatingZonemethod）特點(diǎn)：硅片含氧量低、純度高。主要用于高功率IC。制備成本比CZ法高。難生長(zhǎng)大直徑硅晶棒。低阻值硅晶棒、摻雜均勻度較差。CZ法與FZ法比較CZ法：成本低、可做大尺寸晶錠、材料可重復(fù)使用更受歡迎FZ法：純度高、成本高、小尺寸晶錠主要用在功率器件

硅是硬而脆的材料，晶體生長(zhǎng)后的硅錠對(duì)半導(dǎo)體制造來說用處很小。圓柱形的單晶硅錠（又叫單晶錠）要經(jīng)過一系列的處理過程，最后形成硅片，才能達(dá)到半導(dǎo)體制造的嚴(yán)格要求。這些硅片制備步驟包括機(jī)械加工、化學(xué)處理、表面拋光和質(zhì)量測(cè)量。硅片制備的基本流程如圖所示。硅片制備

■整型處理：硅單晶錠在拉單晶爐中生長(zhǎng)完成后，整型處理是接下來的第一步工藝。整型處理包括在切片之前對(duì)單晶硅錠做的所有準(zhǔn)備步驟。

■去掉兩端：第一步是把硅單晶錠的兩端去掉。當(dāng)兩端被去掉后，可用四探針來檢查電阻以確定整個(gè)硅單晶錠達(dá)到合適的雜質(zhì)均勻度。

■徑向研磨：徑向研磨來產(chǎn)生精確的材料直徑。由于在晶體生長(zhǎng)中直徑和圓度的控制不可能很精確，所以硅單晶錠都要長(zhǎng)得稍大一點(diǎn)以進(jìn)行徑向研磨。對(duì)半導(dǎo)體制造中流水線的硅片自動(dòng)傳送來講，精確的直徑控制是非常關(guān)鍵的。整型處理

■硅片定位邊或定位槽半導(dǎo)體業(yè)界傳統(tǒng)上在硅單晶錠上做一個(gè)定位邊來標(biāo)明晶體結(jié)構(gòu)和硅片的晶向。主定位邊標(biāo)明了晶體結(jié)構(gòu)的晶向。還有一個(gè)次定位邊標(biāo)明硅片的晶向和導(dǎo)電類型。硅片標(biāo)識(shí)定位邊

硅片定位邊在200mm及以上的硅片已被定位槽所取代。具有定位槽的硅片在硅片上的一小片區(qū)域有激光刻上的關(guān)于硅片的信息。對(duì)300mm硅片來講，激光刻印于硅片背面靠近邊緣的沒有利用到的區(qū)域。對(duì)于300mm硅片，沒有利用到的區(qū)域是在固定質(zhì)量區(qū)域面積之外，固定質(zhì)量區(qū)域（FQA）是指硅片上容納芯片的面積?，F(xiàn)在沒有利用的區(qū)域一般是3mm。切片一旦整型處理完成后，硅錠就準(zhǔn)備進(jìn)行切片。對(duì)200mm以下硅片來講，切片是用帶有金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機(jī)來完成的。使用內(nèi)圓切割機(jī)是因?yàn)檫吘壡懈顣r(shí)能更穩(wěn)定，使之產(chǎn)生平整的切面。內(nèi)圓切割機(jī)

對(duì)300mm的硅片來講，由于大直徑的原因，內(nèi)圓切割機(jī)不再符合要求。300mm的硅錠目前都是用線鋸來切片的。線鋸在切片過程中減少了對(duì)硅片表面的機(jī)械損傷。硅片的厚度在切片過程中得到了精確的控制。300mm硅片目前的厚度是775±25微米。更厚的硅片能夠承受在導(dǎo)體制造高溫工藝中的熱能以及機(jī)械震動(dòng)。磨片和倒角（防止產(chǎn)生缺陷）

切片完成后，要進(jìn)行雙面的機(jī)械磨片以去除切片時(shí)留下的損傷，達(dá)到硅片兩面高度的平行及平坦。磨片是用墊片和帶有磨料的漿料利用壓力旋轉(zhuǎn)來完成。硅片邊緣拋光修整（又叫倒角）可使硅片邊緣獲得平滑的半徑周線。在硅片邊緣的裂痕和小裂縫會(huì)在硅片上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力并會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)。平滑的邊緣半徑對(duì)于將這些影響降到最小。刻蝕（去除沾污和損傷層）硅片整型使硅片表面和邊緣損傷及沾污。硅片損傷的深度一般有幾微米深。為了消除硅片表面的損傷，采用硅片刻蝕或化學(xué)刻蝕的技術(shù)。硅片經(jīng)過濕法化學(xué)刻蝕工藝消除硅片表面損傷和沾污。在刻蝕工藝中，通常要腐蝕掉硅片表面約20微米的硅以保證所有的損傷都被去掉。腐蝕液：HNO3+HF+醋酸拋光（去除表面缺陷）制備硅片的最后一步是化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP），它的目標(biāo)是高平整度的光滑表面。硅片在拋光盤之間行星式的運(yùn)動(dòng)軌跡使硅片表面平坦且兩面平行。最后硅片的兩面都會(huì)像鏡子一樣。NaOH＋SiO2清洗（去除殘留沾污）半導(dǎo)體硅片必須被清洗使得在發(fā)送給芯片制造廠之前達(dá)到超凈的潔凈狀態(tài)。清洗規(guī)范在過去幾年中經(jīng)歷了相當(dāng)大的發(fā)展，使硅片達(dá)到幾乎沒有顆粒和沾污的程度。硅片評(píng)估在包裝硅片之前，會(huì)按照客戶要求的規(guī)范來檢查是否達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。NH3OH＋H2O2，HCl＋H2O2,H2SO4＋H2O2包裝硅片供應(yīng)商必須仔細(xì)地包裝要發(fā)貨給芯片制造廠的硅片。硅片疊放在有窄槽的塑料片架或“舟”里以支撐硅片。碳氟化合物樹脂材料（如特氟綸）常被用于盒子材料使顆粒產(chǎn)生減到最少。另外，特氟綸被作成導(dǎo)體使其不會(huì)產(chǎn)生靜電釋放。裝滿硅片后，片架就會(huì)放在充滿氮?dú)獾拿芊庑『欣镆悦庠谶\(yùn)輸過程中氧化和其他沾污。當(dāng)硅片到達(dá)硅片制造廠時(shí)，它們被轉(zhuǎn)移到其他標(biāo)準(zhǔn)化片架里使其在被這些制造設(shè)備的加工過程中傳送和處理。一種傳送容器是能容納25個(gè)硅片的容器，叫做前開口傳送盒，它與硅片制造廠里的自動(dòng)傳送系統(tǒng)有連接。硅中的晶體缺陷晶體缺陷(微缺陷)是指任何妨礙單位晶胞在晶體中重復(fù)性地出現(xiàn)。晶體缺陷依其形式可分為3大類：

硅片上的成品率點(diǎn)缺陷錯(cuò)位錯(cuò)層晶體孿生平面在一個(gè)平面上，晶體沿著兩個(gè)不同的方向生長(zhǎng)。硅片標(biāo)識(shí)定位邊硅中雜質(zhì)世界上最純的物質(zhì)：硅

硅，是人類在世界上提得最純的物質(zhì)，目前人類能夠得到的最純的硅，純度是99.99999999999999%，估計(jì)數(shù)不過來，告訴您吧，是16個(gè)9。但是，純硅雖然也有半導(dǎo)體的性質(zhì)，卻是一種沒有什么實(shí)際用處的半導(dǎo)體。真正要制作能夠使用的半導(dǎo)體器件，包括太陽能電池，就要在其中添加一些雜質(zhì)，常見的是磷和硼。也有鎵、砷、鋁和其它一些元素。

雜質(zhì)的作用，總體上來說，是調(diào)節(jié)硅原子的能級(jí)，學(xué)過半導(dǎo)體或固體物理的人知道，由于晶體結(jié)構(gòu)的原因，固體中的全部原子的各能級(jí)形成了能帶，硅通常可以分為三個(gè)能帶，最上面是導(dǎo)帶，中間是禁帶，下面是價(jià)帶。如果以火車為比喻的話，那么，導(dǎo)帶是火車，價(jià)帶是站臺(tái)，禁帶則是站臺(tái)與火車之間的間隙。

如果所有的自由電子都在價(jià)帶上，那么，這個(gè)固體就是絕緣體,這就好比人站在站臺(tái)上，是到不了別處的；如果所有的自由電子都在導(dǎo)帶上，那么這個(gè)固體就是導(dǎo)體，這就好象人上了火車，可以周游全國(guó)了。

半導(dǎo)體的自由電子平時(shí)在價(jià)帶上，但受到一些激發(fā)的時(shí)候，如熱、光照、電激發(fā)等，部分自由電子可以跑到導(dǎo)帶上去，顯示出導(dǎo)電的性質(zhì)，所以稱為半導(dǎo)體。。硅就是這樣一種半導(dǎo)體，但由于純硅的導(dǎo)帶和價(jià)帶的距離過大（也稱為禁帶過寬，），這就好像是就是站臺(tái)離火車太遠(yuǎn)，一般的人很難從站臺(tái)跳到火車上去一樣，通常只有很少量的電子能夠被從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶上，所以純硅的半導(dǎo)體性質(zhì)比較微弱，不能直接應(yīng)用。硅中的雜質(zhì)（一）：有用且必需的雜質(zhì)為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們想出了添加雜質(zhì)的方法，這些雜質(zhì)在導(dǎo)帶和禁帶之間形成雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)要么距離導(dǎo)帶很近（如磷），是提供電子的，稱為施主能級(jí)；要么距離價(jià)帶很近（如硼），是接受電子的，稱為受主能級(jí)。這樣，一些很小的激發(fā)就可以使硅具有導(dǎo)電的性質(zhì)。這就好比在車站和站臺(tái)之間，加一些墊腳的石凳，離站臺(tái)近的，就是受主能級(jí)，離火車近的，是施主能級(jí)。提供施主能級(jí)或受主能級(jí)的雜質(zhì)，分別稱為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，這些，當(dāng)然是有用的雜質(zhì)。

施主雜質(zhì)的典型代表是磷，受主雜質(zhì)的典型代表是硼。這兩種雜質(zhì)之所以成為最常用的半導(dǎo)體雜質(zhì)，我的看法是因?yàn)樗鼈冊(cè)诠柚械姆帜禂?shù)是最接近于1的，也就是說，在摻雜后，拉單晶生長(zhǎng)的時(shí)候，容易形成均勻的濃度分布。有用的雜質(zhì)，其數(shù)量也有一個(gè)適中的范圍，過小，效果不明顯，過多，使得導(dǎo)電性太強(qiáng)，不容易控制，反而成為廢物。通常，不同的半導(dǎo)體的應(yīng)用對(duì)雜質(zhì)的要求有不同的范圍。而對(duì)于太陽能電池應(yīng)用來說，對(duì)應(yīng)的電子或空穴的體密度，應(yīng)該在1017

/

CM3左右，大家可以自己計(jì)算對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度。

摻雜了受主雜質(zhì)的硅成為P型，常見的是摻硼的硅。摻雜了施主雜質(zhì)的硅稱為N型，常見的是摻磷的硅。對(duì)于太陽能電池來說，P

型硅比較常見，因?yàn)榍懊嫠f的，硼的分凝系數(shù)是0.8，

在單晶中，硼比較容易摻雜均勻的緣故。附錄中國(guó)多晶硅公司多晶硅生產(chǎn)主要在四川、江蘇、河南等現(xiàn)在好像就甘肅和西藏沒有四川新光、樂電天威、天威四川江蘇中能順大河南中硅內(nèi)