半导体衬底(1).pdf
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1、JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 集成电路工艺技术集成电路工艺技术 Integrated Circuit Technology 康博南康博南 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 第一章 半导体衬底 第二章 氧化 第三章 扩散 第四章 离子注入 第五章 光刻 第六章 刻蚀 第七章 化学气相沉积 第八章 化学机械化平坦 第九章 金属化工艺 第十章 第一章 半导体衬底 第二章 氧化 第三章 扩散 第四章 离子注入 第五章 光刻 第六
2、章 刻蚀 第七章 化学气相沉积 第八章 化学机械化平坦 第九章 金属化工艺 第十章 CMOS工艺流程工艺流程 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 教材: 1、半导体制造技术,作者 Michael Quirk,电子工业出版社。 参考 2、微电子制造科学原理与工程技 术,作者 Stephen A. Campbell,电子 工业出版社。 教材: 1、半导体制造技术,作者 Michael Quirk,电子工业出版社。 参考 2、微电子制造科学原理与工程技 术,作者 Stephen A. Campbell,电子 工业出版
3、社。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 第一章 半导体衬底第一章 半导体衬底 晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性 Crystal Growth, Wafer Fabrication and Basic Properties of Silicon Wafers JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 1、集成电路发展历程回顾 2、描述天然硅原料如何加工提炼成半导体级硅 ( 1、集成电路发
4、展历程回顾 2、描述天然硅原料如何加工提炼成半导体级硅 (semiconductor-grade silicon, SGS)。 3、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。 4、讨论硅晶体的主要缺陷。 5、简单敘述由硅晶锭加工成为硅晶圆的基本步 骤。 6、说明并讨论晶圆供应商所需进行的7项品质测量 项目。 7、外延层及其重要性。 )。 3、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。 4、讨论硅晶体的主要缺陷。 5、简单敘述由硅晶锭加工成为硅晶圆的基本步 骤。 6、说明并讨论晶圆供应商所需进行的7项品质测量 项目。 7、外延层及其重要性。 课程内容课程内容 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工
5、艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 集成电路发展历程回顾集成电路发展历程回顾 1、1906年 第一只三极管年 第一只三极管“Audion” 2、1925年 场效应晶体管的提出年 场效应晶体管的提出 3、1948年 点接触晶体管年 点接触晶体管 4、1950年 面接触晶体管年 面接触晶体管 5、1958年 第一块集成电路年 第一块集成电路 6、1960年 年 MOS场效应晶体管场效应晶体管 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 18000个电子管,占地150m18000个电子管,占地15
6、0m2 2,重30吨,计算速度每秒 5000次,存储容量千位。 ,重30吨,计算速度每秒 5000次,存储容量千位。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 第一台计算机中 使用的晶体管。 第一台计算机中 使用的晶体管。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 集成电路的划分集成电路的划分集成电路的划分集成电路的划分 VLSI LSI MSI SSI小规模,100个晶体管小规模,100个晶体管 中规模,100 1000个晶体管 1000
7、 100000个 晶体管 中规模,100 1000个晶体管 1000 100000个 晶体管 100000 个晶体管 100000 个晶体管 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY ? 1971年年Intel公司推出的 微处理器芯片上只有 公司推出的 微处理器芯片上只有2300个 晶体管 个 晶体管; ? 1982年年Intel80286微处理 器上有 微处理 器上有13万万4千个晶体管千个晶体管; 1 MHz, 5V 5k Components 1959年开始了集成电路时代1959年开始了集成电路时代 JILIN
8、 UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Intel Pentium (III) Microprocessor 1994 100 MHz, 3.3V 3M Components JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Intel Pentium (IV) Microprocessor 1999 1.2 GHz, 1.8V 42M Components JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT
9、TECHNOLOGY Lilienfeld FET Transistor (1930)Lilienfeld FET Transistor (1930) Julius Edgar Lilienfeld , 利 林 费 尔 德 (1882-1963) :德国人,曾在莱比锡大学任 教,后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式 而移居美国,是公司的电容工程师。他于1925 年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930 年获得专利。1935年, 德国物理学家海尔( Oskar Heil)描述了一种类似于结型场效应晶 体 管 的 结 构 (O.Heil, British Patent 439,457,1935
10、). 然而,由于材料的困难实际 制 备 晶 体 管 在 1960 年 以 前 是 不 可 能 的。 Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完 全驳回; Bardeen,巴丁(美国物理学家, 1956,1972两度获诺贝尔物理学奖)的点接触晶 体管的专利也因为有Lilienfeld的专利在前, 而有超过半数的人认为不能通过。 Julius Edgar Lilienfeld , 利 林 费 尔 德 (1882-1963) :德国人,曾在莱比锡大学任 教,后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式 而移居美国,是公司的电容工程师。他于1925 年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930 年获得专
11、利。1935年, 德国物理学家海尔( Oskar Heil)描述了一种类似于结型场效应晶 体 管 的 结 构 (O.Heil, British Patent 439,457,1935). 然而,由于材料的困难实际 制 备 晶 体 管 在 1960 年 以 前 是 不 可 能 的。 Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完 全驳回; Bardeen,巴丁(美国物理学家, 1956,1972两度获诺贝尔物理学奖)的点接触晶 体管的专利也因为有Lilienfeld的专利在前, 而有超过半数的人认为不能通过。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED C
12、IRCUIT TECHNOLOGY John Bardeen and Walter Brattain(沃尔特 布拉顿沃尔特 布拉顿) at Bell Laboratories constructed the first solid-state transistor. This PNP point-contact germanium transistor operated with a power gain of 18 on Dec. 23, 1947. With their manager, William Shockley, they won the Nobel Prize in 1956.
13、 第一个晶体管第一个晶体管 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开 一条约为50微米间隔的小缝,用一块三角形的石英晶体 将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极,形成 点接触PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时,可以 观测到把输入信号放大的晶体管效应。 这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开 一条约为50微米间隔的小缝,用一块三角形的石英晶体 将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极,形成 点接触PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时,可以
14、观测到把输入信号放大的晶体管效应。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 肖克莱在点接触 晶体管发明后,提出 了可以利用两个 肖克莱在点接触 晶体管发明后,提出 了可以利用两个p型 层中间夹一 型 层中间夹一n型层作 为半导体放大结构的 构想。并与 型层作 为半导体放大结构的 构想。并与M.Sparks 和和G. K.Teal一起发明 了单晶锗 一起发明 了单晶锗NPN结型 晶体管。 结型 晶体管。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLO
15、GY 1958 年, 德州仪器 公司(TI)的杰克 1958 年, 德州仪器 公司(TI)的杰克基尔比 (Jack Kilby),研制出 了世界上第一块集成电 路。该电路是在锗衬底上 制作的相移振荡器和触发 器,共有12个器件。器件 之间是介质隔离,器件间 互连线采用的是引线焊接 方法。 基尔比 (Jack Kilby),研制出 了世界上第一块集成电 路。该电路是在锗衬底上 制作的相移振荡器和触发 器,共有12个器件。器件 之间是介质隔离,器件间 互连线采用的是引线焊接 方法。 集成电路的诞生集成电路的诞生 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CI
16、RCUIT TECHNOLOGY 罗伯特罗伯特诺伊斯(诺伊斯(Robert Noyce) 杰克 ) 杰克.基尔比和罗伯特基尔比和罗伯特诺伊斯诺伊斯 两个集成电路的独立发明人两个集成电路的独立发明人 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 人类智力的一次飞跃 瑞典皇家科学院将2000年诺贝 尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞 物理技术研究所的 人类智力的一次飞跃 瑞典皇家科学院将2000年诺贝 尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞 物理技术研究所的阿尔弗洛夫博士阿尔弗洛夫博士, 美国加州大学圣巴巴拉分校的 , 美国加州大学圣巴
17、巴拉分校的克罗 克罗 默教授默教授和美国TI公司的和美国TI公司的基尔比教授基尔比教授, 他们是因为 , 他们是因为高速晶体管高速晶体管, ,激光二极 管 激光二极 管和和集成电路集成电路而荣获此项奖励的. 其中,阿尔弗洛夫和克罗默将分享 奖金的1/2,而基尔比教授则独得奖 金的另一半. 而荣获此项奖励的. 其中,阿尔弗洛夫和克罗默将分享 奖金的1/2,而基尔比教授则独得奖 金的另一半. JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 制备半导体级硅制备半导体级硅 (SGS) 的过程的过程 步骤步骤 过程描述过程描述 反应
18、方程式反应方程式 1 用碳加热硅石来制备冶金级 硅 用碳加热硅石来制备冶金级 硅 (MGS)。 SiC (s) + SiO2 (s) Si (l) + SiO(g) + CO (g) 2 通过化学反应将冶金级硅提 纯以生成三氯硅烷气体。 通过化学反应将冶金级硅提 纯以生成三氯硅烷气体。 Si (s) + 3HCl (g) SiHCl3 (g) + H2 (g) + 热热 3 利用西门子方法,通过三氯 硅烷和氢气反应来生产半导 体级硅 利用西门子方法,通过三氯 硅烷和氢气反应来生产半导 体级硅 (SGS)。 2SiHCl3 (g) + 2H2 (g) 2Si (s) + 6HCl (g) 半导体
19、级硅半导体级硅 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 用 来 做 芯 片 高 纯 硅 称 为 半 导 体 级 硅 ( semiconductor-grade silicon),或SGS。 用 来 做 芯 片 高 纯 硅 称 为 半 导 体 级 硅 ( semiconductor-grade silicon),或SGS。 得到SGS的第一步是在还原气体环境中,通过加热含碳的硅石 (SiO 得到SGS的第一步是在还原气体环境中,通过加热含碳的硅石 (SiO2 2 ),一种纯沙,来生产冶金级硅。),一种纯沙,来生产冶金
20、级硅。 在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98。由于冶金级硅的 沾污程度相当高,所以它对半导体制造没有任何用处。通常将冶金 级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。 在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98。由于冶金级硅的 沾污程度相当高,所以它对半导体制造没有任何用处。通常将冶金 级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。 含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯 度为99.9999999%的半导体级硅。 含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯 度为99.9999999%的半导体级硅。 这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。三氯硅烷和氢气被注入到
21、 西门子反应器中,然后在加热的超纯硅棒上进行化学反应。几天后 工艺过程结束,将淀积的SGS棒切成用于硅晶体生长的小片。 这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。三氯硅烷和氢气被注入到 西门子反应器中,然后在加热的超纯硅棒上进行化学反应。几天后 工艺过程结束,将淀积的SGS棒切成用于硅晶体生长的小片。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Condense SiO SiO+COSiO2+C 1500 Form SiC From SiO and C Melt SiO2 SiO+2CSiC+CO 1780 SiC+SiO
22、2Si+SiO+CO SIO2 +CSiO+CO Liquid Si Discharge Si Quartzite Coke (焦炭焦炭) Wood chip CO, SiO, H2 O Effluent input 元素元素浓度(浓度(ppma) Al12001400 Fe16003000 B3745 P2730 Ca590 Cr50140 Cu2490 Mn7080 Mo方向应有对称三条 棱, 方向应有对称三条 棱,方向有对称的四条棱。方向有对称的四条棱。 等径生长:等径生长:当晶体直径到达所需尺寸后,提高拉速,使晶 体直径不再增大,称为收肩。收肩后保持晶体直径不变, 就是等径生长。此时要
23、严格控制温度和拉速不变。 当晶体直径到达所需尺寸后,提高拉速,使晶 体直径不再增大,称为收肩。收肩后保持晶体直径不变, 就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。 收尾:收尾: 随着晶体生长结束,采用稍升温,降拉速,使晶 体直径逐渐变小,此过程称为收尾。 随着晶体生长结束,采用稍升温,降拉速,使晶 体直径逐渐变小,此过程称为收尾。 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Czochralski (CZ) Crystal Growth 1. Polysilicon charge in silica crucible
24、. 3. Shoulder growth, after neck is complete. 5. Body growth. 2. Start of neck. Seed is dipped to 1400 C melt. 4. Start of body, after completion of shoulder. 5. Conical tail growth after completion of body. JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY CZ拉单晶炉CZ拉单晶炉 Photograph courtesy
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