[精选]集成电路原理制造工艺及原理技术--期末论文14969.pptx
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1、1.1.半导体材料的主要特点半导体材料的主要特点半导体材料的主要特点半导体材料的主要特点2.2.硅的晶体结构硅的晶体结构硅的晶体结构硅的晶体结构3.3.硅单晶材料的加工制造过程硅单晶材料的加工制造过程硅单晶材料的加工制造过程硅单晶材料的加工制造过程4.4.直拉法生长单晶过程直拉法生长单晶过程直拉法生长单晶过程直拉法生长单晶过程5.5.集成电路的发展对硅片的要求集成电路的发展对硅片的要求集成电路的发展对硅片的要求集成电路的发展对硅片的要求1 1半导体材料半导体材料目前用于制造半导体器件的材料有:目前用于制造半导体器件的材料有:目前用于制造半导体器件的材料有:目前用于制造半导体器件的材料有:元素半
2、导体(元素半导体(元素半导体(元素半导体(Si GeSi Ge)化合物半导体(化合物半导体(化合物半导体(化合物半导体(GaAs GaAs)本征半导体:本征半导体:本征半导体:本征半导体:不不不不 含含含含 任任任任 何何何何 杂杂杂杂 质质质质 的的的的 纯纯纯纯 净净净净 半半半半 导导导导 体体体体,其其其其 纯纯纯纯 度度度度 在在在在99.999999%99.999999%(8 81010个个个个9 9)。)。)。)。掺杂半导体:掺杂半导体:掺杂半导体:掺杂半导体:半半半半导导导导体体体体材材材材料料料料对对对对杂杂杂杂质质质质的的的的敏敏敏敏感感感感性性性性非非非非常常常常强强强强
3、,例例例例如如如如在在在在SiSi中中中中掺掺掺掺入入入入千千千千万万万万分分分分之之之之一一一一的的的的磷磷磷磷(P P)或或或或者者者者硼硼硼硼(B B),就就就就会使电阻率降低会使电阻率降低会使电阻率降低会使电阻率降低2020万倍。万倍。万倍。万倍。2 2硅的共价键结构硅的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子3 3共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半难脱离共价键成为自由电子,因
4、此本征半导体中的自由电子很少,所以导体中的自由电子很少,所以本征半导体本征半导体的导电能力很弱。的导电能力很弱。形成共价键后,每个原子的最外层电形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。子是八个,构成稳定结构。共价键有很强的结合力,共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。使原子规则排列,形成晶体。+4+4+4+44 4杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质,在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子:电子,空穴大
5、大增加。载流子:电子,空穴N型半导体型半导体(主要载流子为电子(主要载流子为电子+,电子半,电子半导体)导体)P型半导体型半导体(主要载流子为空穴(主要载流子为空穴-,空穴半,空穴半导体)导体)5 5N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi6 6空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷,并且可以移动空穴被认为带一个单位的正电荷,并且可以移动7 72.2.2.2.负电阻温度系数负电阻温度系数负电阻温度系数负电阻温度系数SiSiSiSi:T=300K T=300K T=300K
6、 T=300K=2 x 10=2 x 10=2 x 10=2 x 105 5 5 5 cmcmcmcm T=320K=2 x 10 T=320K=2 x 10 T=320K=2 x 10 T=320K=2 x 104 4 4 4cmcmcmcm3.3.3.3.具有整流效应具有整流效应具有整流效应具有整流效应绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体10121022.cm10-61012.cm10-6.cm 电阻率电阻率:电阻率可在很大范围内变化电阻率可在很大范围内变化1.11.1、半导体的主要特征半导体的主要特征2x105 cm0.2 cm2x105B 10-5P 10-5硅硅8 8 4.光电导效应光电
7、导效应在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量,在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度,若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度,就激发就激发出电子出电子-空穴对,使载流子浓度增加,半导体的空穴对,使载流子浓度增加,半导体的导电性增导电性增加,阻值减低,加,阻值减低,这种现象称为这种现象称为光电导效应光电导效应。光敏电阻光敏电阻就就是基于这种效应的光电器件。是基于这种效应的光电器件。9 9 18391839年,法国科学家贝克雷尔年,法国科学家贝克雷尔年,法国科学家贝克雷尔年,法国科学家贝克雷尔(Becqurel)(Becqurel)就发现
8、,光照能就发现,光照能就发现,光照能就发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为称为称为称为“光生伏打效应光生伏打效应光生伏打效应光生伏打效应”,简称,简称,简称,简称“光伏效应光伏效应光伏效应光伏效应”。5.具有光生具有光生伏特效应伏特效应1010物质分为物质分为晶体晶体(单晶,多晶单晶,多晶)和非晶体和非晶体 单晶体单晶体单晶体单晶体:由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复由原子或分子在空间按一定规律周期性地
9、重复由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。排列构成的固体物质。排列构成的固体物质。排列构成的固体物质。(1 1 1 1)一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的,而)一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的,而)一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的,而)一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的,而非由外观判断;非由外观判断;非由外观判断;非由外观判断;(2 2 2 2)周期性是晶体结构最基本的特征)周期性是晶体结构最基本的特征)周期性是晶体结构最基本的特征)周期性是晶体结构最基本的特征多晶体:多晶体:多晶体:多晶体:小区域内原子周期性排
10、列,整体不规则小区域内原子周期性排列,整体不规则小区域内原子周期性排列,整体不规则小区域内原子周期性排列,整体不规则非晶体:非晶体:非晶体:非晶体:原子排列无序原子排列无序原子排列无序原子排列无序1.21.2半导体材料硅的结构特征半导体材料硅的结构特征1111晶体的特点晶体的特点1 1)均匀性)均匀性,原子周期性排列原子周期性排列.2 2)各向异性各向异性,也叫非均质性也叫非均质性.(.(各个方向上各个方向上物理和化学性质不同物理和化学性质不同)3 3)有明显确定的熔点)有明显确定的熔点4 4)有特定的对称性)有特定的对称性5 5)使)使X X射线产生衍射射线产生衍射1212硅的晶体结构:金刚
11、石结构硅的晶体结构:金刚石结构金刚石结构金刚石结构每个原子周围有四个最邻每个原子周围有四个最邻近的原子,这四个原子处近的原子,这四个原子处于正四面体的顶角上,任于正四面体的顶角上,任一顶角上的原子和中心原一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该子各贡献一个价电子为该两个原子所共有,并形成两个原子所共有,并形成稳定的共价键结构。稳定的共价键结构。共价键夹角:共价键夹角:109281313,平面是单晶晶圆中最平面是单晶晶圆中最常用的方向。常用的方向。的晶圆较常用来作的晶圆较常用来作金属氧化金属氧化物半导体物半导体集成电路集成电路方向方向的晶圆则通常用来制造的晶圆则通常用来制造双极型晶体管和集成
12、电路双极型晶体管和集成电路,因为,因为方向的原子表面密度高,故方向的原子表面密度高,故该面较为坚固且比较适合高功率的该面较为坚固且比较适合高功率的元件。元件。14141.5半导体硅材料及硅衬底晶片的制半导体硅材料及硅衬底晶片的制备备制备原材料制备原材料多晶硅(多晶硅(polysilicon)多晶硅多晶硅按按纯度分度分类可以分可以分为冶金冶金级(工(工业硅)、太阳能硅)、太阳能级、电子子级。1 1 1 1、冶金级硅(、冶金级硅(、冶金级硅(、冶金级硅(MGMGMGMG):是硅的氧化物在电弧炉中被:是硅的氧化物在电弧炉中被:是硅的氧化物在电弧炉中被:是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含碳还原
13、而成。一般含碳还原而成。一般含碳还原而成。一般含Si Si Si Si 高达高达高达高达 99.8%99.8%99.8%99.8%以上。以上。以上。以上。2 2 2 2、太阳能级硅、太阳能级硅、太阳能级硅、太阳能级硅(SG)(SG)(SG)(SG):纯度介于冶金级硅与电子:纯度介于冶金级硅与电子:纯度介于冶金级硅与电子:纯度介于冶金级硅与电子级硅之间,至今未有明确界定。一般认为含级硅之间,至今未有明确界定。一般认为含级硅之间,至今未有明确界定。一般认为含级硅之间,至今未有明确界定。一般认为含SiSiSiSi在在在在 99.99%99.9999%99.99%99.9999%99.99%99.99
14、99%99.99%99.9999%(4 4 4 46 6 6 6个个个个9 9 9 9)。)。)。)。主要用于主要用于主要用于主要用于太阳太阳太阳太阳能能能能电电池芯片池芯片池芯片池芯片的生的生的生的生产产制造制造制造制造3 3 3 3、电子级硅(、电子级硅(、电子级硅(、电子级硅(EGEGEGEG):一般要求含):一般要求含):一般要求含):一般要求含Si 99.9999%Si 99.9999%Si 99.9999%Si 99.9999%以上,超高纯达到以上,超高纯达到以上,超高纯达到以上,超高纯达到99.9999999%99.9999999%99.9999999%99.9999999%99
15、.999999999%99.999999999%99.999999999%99.999999999%(9 9 9 911111111个个个个9 9 9 9)。其导电性介于)。其导电性介于)。其导电性介于)。其导电性介于 10 10 10 10-4-4-4-4 10 10 10 1010101010 欧厘欧厘欧厘欧厘米。米。米。米。主要用于半主要用于半主要用于半主要用于半导导体芯片制造。体芯片制造。体芯片制造。体芯片制造。1515多晶硅的制备多晶硅的制备单晶硅制备单晶硅制备单晶硅性能测试单晶硅性能测试单晶硅加工,形成晶圆单晶硅加工,形成晶圆1616多晶硅的制备方法多晶硅的制备方法四氯化硅还原法四
16、氯化硅还原法三氯氢硅氢还原法三氯氢硅氢还原法硅烷热分解法硅烷热分解法1717石英砂的主要成份是二氧化石英砂的主要成份是二氧化石英砂的主要成份是二氧化石英砂的主要成份是二氧化硅硅硅硅从沙到冶金级硅从沙到冶金级硅从沙到冶金级硅从沙到冶金级硅(MGS(MGSmetallurgical grade(MG)metallurgical grade(MG)siliconsilicon纯度纯度纯度纯度98989999)MGS MGS 粉末放粉末放粉末放粉末放进反应炉进反应炉进反应炉进反应炉和和和和氯化氢反应氯化氢反应氯化氢反应氯化氢反应生生生生三三三三氯硅烷氯硅烷氯硅烷氯硅烷(TCS)TCS)经由气化和凝结过
17、程纯化三氯硅烷经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷三氯硅烷和氢气反应生成三氯硅烷和氢气反应生成三氯硅烷和氢气反应生成三氯硅烷和氢气反应生成电子级硅材料电子级硅材料电子级硅材料电子级硅材料(EGSEGS)EGSEGS熔化和晶熔化和晶熔化和晶熔化和晶体体体体提拉提拉提拉提拉制备单晶硅制备单晶硅制备单晶硅制备单晶硅 直拉法直拉法直拉法直拉法 悬浮区熔法悬浮区熔法悬浮区熔法悬浮区熔法四氯化硅还原法四氯化硅还原法(从砂到硅)(从砂到硅)1818四氯化硅还原法四氯化硅还原法(从砂到硅)(从砂到硅)加熱加熱(2000 C)SiO2 +C Si +CO2
18、砂砂 碳碳 冶金級矽冶金級矽 二氧化碳二氧化碳1919制备制备TCS(三三氯硅烷氯硅烷)Si+HCl TCS 矽粉末矽粉末氯化氫氯化氫過濾器過濾器冷凝器冷凝器純化器純化器99.9999999%純純度的三氯矽烷度的三氯矽烷反應器反應器,300 C2020 加熱加熱(1100 C)SiHCl3 +H2 Si +3HCl 三氯矽烷三氯矽烷 氫氣氫氣 電子級矽材料電子級矽材料 氯化氫氯化氫电子级硅电子级硅材料材料2121反应室反应室液態三液態三氯矽烷氯矽烷H2載送氣體載送氣體的氣泡的氣泡氫和三氯矽氫和三氯矽烷烷製程反製程反應室應室TCS+H2EGS+HCl電子級電子級矽材料矽材料2222电子级硅电子级
19、硅材料材料23231.1.直拉法:直拉法:晶体主流生长技术晶体主流生长技术晶体主流生长技术晶体主流生长技术 1 1)设备:)设备:石英坩埚、高频加热线圈等石英坩埚、高频加热线圈等 2 2)材料:)材料:半导体多晶材料和掺杂物、籽晶半导体多晶材料和掺杂物、籽晶 3 3)条件:)条件:(1 1)结晶温度()结晶温度(2 2)结晶中心)结晶中心单晶硅的制备单晶硅的制备1.7 1.7 直拉法生长硅单晶直拉法生长硅单晶24242525直拉法直拉法:切切克洛斯基克洛斯基(CZ)CZ)法法石墨坩堝石墨坩堝單晶矽矽棒單晶矽矽棒單晶矽種晶單晶矽種晶石英坩堝石英坩堝加熱線圈加熱線圈1415 C融熔的矽2626直拉
20、法生长单晶硅直拉法生长单晶硅2727工艺过程工艺过程(掌握掌握)1.1.1.1.引晶:引晶:引晶:引晶:当温度稳定时,可将籽晶与熔体接触。当温度稳定时,可将籽晶与熔体接触。当温度稳定时,可将籽晶与熔体接触。当温度稳定时,可将籽晶与熔体接触。此时此时此时此时 要控制好温度,要控制好温度,要控制好温度,要控制好温度,当籽晶与熔体液面接触,浸润良好时,当籽晶与熔体液面接触,浸润良好时,当籽晶与熔体液面接触,浸润良好时,当籽晶与熔体液面接触,浸润良好时,可开始缓慢提拉,随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶,可开始缓慢提拉,随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶,可开始缓慢提拉,随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶,可开始缓慢提
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