固態(tài)器件理論（10）半導(dǎo)體制造技術(shù)

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硅

半導(dǎo)體加工

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本節(jié)僅描述基于硅的半導(dǎo)體的制造。 大多數(shù)半導(dǎo)體是硅。 硅特別適用于集成電路，因為它容易形成氧化物涂層，可用于構(gòu)圖晶體管等集成組件。

硅

硅是地殼中第二常見的元素，其形式為二氧化硅SiO2（也稱為硅砂）。 通過在電弧爐中用碳還原將二氧化硅從二氧化硅中釋放出來

S i O 2 + C = C O 2 + S i SiO_2 + C = CO_2+ Si SiO2 +C=CO2 +Si

這種冶金級硅適用于硅鋼變壓器疊片，但對于半導(dǎo)體應(yīng)用而言，純度還不夠高。 轉(zhuǎn)化為氯化物SiCl4（或SiHCl3）可以通過分餾進行純化。 用超純鋅或鎂還原可得到海綿狀硅，需要進一步純化。 或者，通過氫氣在熱的多晶硅棒加熱器上熱分解產(chǎn)生超純硅。

S i + 3 H C l = S i H C l 3 + H 2 S i H C l 3 + H 2 = S i + 3 H C l 2 Si + 3HCl = SiHCl_3 + H_2 SiHCl_3 + H_2 = Si + 3HCl_2 Si+3HCl=SiHCl3 +H2 SiHCl3 +H2 =Si+3HCl2

多晶硅在由感應(yīng)加熱的石墨基座加熱的熔融石英坩堝中熔化。 石墨加熱器可替代地可以由大電流下的低壓直接驅(qū)動。 在切克勞斯基（Czochralski）工藝中，硅熔體凝固到具有所需晶格取向的鉛筆大小的單晶硅棒上。 （下圖）旋轉(zhuǎn)桿并以一定速率向上拉動，以促使直徑擴大到幾英寸。 一旦達到該直徑，便以一定的速率自動拉動晶錠，以保持恒定的直徑至幾英尺的長度。 可以將摻雜劑添加到坩堝熔體中以產(chǎn)生例如P型半導(dǎo)體。 生長設(shè)備被封閉在惰性氣氛中。

直拉單晶硅的生長。

將成品晶錠研磨至精確的最終直徑，并修整末端。 用內(nèi)徑金剛石鋸將晶錠切成薄片。 將晶片磨平并拋光。 晶片可以具有通過熱沉積在晶片上方生長的N型外延層，以獲得更高的質(zhì)量。 硅晶片制造商將制造階段的晶片交付給半導(dǎo)體制造商。

硅晶錠被金剛石鋸切成薄片。

半導(dǎo)體加工

半導(dǎo)體的加工涉及光刻，即通過酸蝕刻來制造金屬平版印刷版的工藝。 基于電子的版本是銅印刷電路板的加工。 下圖對此進行了回顧，作為對半導(dǎo)體處理中涉及的光刻的簡單介紹。

銅印刷電路板的處理類似于半導(dǎo)體處理的光刻步驟。

我們從上圖（a）中層壓到環(huán)氧玻璃纖維板上的銅箔開始。我們還需要正面的藝術(shù)品，其黑線與要保留在成品板上的銅布線和焊盤相對應(yīng)。由于使用了正性抗蝕劑，因此需要正圖稿。但是，負性抗蝕劑可用于電路板和半導(dǎo)體工藝。在（b）處，將液態(tài)正性光致抗蝕劑施加到印刷電路板（PCB）的銅面上。將其干燥，然后在烤箱中烘烤。藝術(shù)品可以是原始藝術(shù)品的塑料膜正復(fù)制品，該原始藝術(shù)品按比例縮放至所需尺寸。在（c）處將藝術(shù)品與玻璃板下方的電路板接觸。將該板暴露于紫外線（d）中以形成軟化的光致抗蝕劑的潛像。去除（e）藝術(shù)品，并通過堿性溶液（f）將軟化的抗蝕劑洗掉。經(jīng)過漂洗和干燥（烘烤）的電路板在蝕刻后殘留的銅線和焊盤上具有硬化的抗蝕劑圖像。將電路板浸入蝕刻劑（g）中，以去除不受硬化抗蝕劑保護的銅。漂洗蝕刻后的板，并用溶劑除去抗蝕劑。

半導(dǎo)體構(gòu)圖的主要區(qū)別在于，在高溫處理步驟中，晶片頂部的二氧化硅層代替了抗蝕劑。 但是，在低溫濕法處理中需要抗蝕劑以圖案化二氧化硅。

下圖（a）中的N型摻雜硅晶片是制造半導(dǎo)體結(jié)的原材料。 在高溫（超過1000o C，在擴散爐中）中在氧氣或水蒸氣存在的情況下，在晶片頂部生長二氧化硅層（b）。在冷卻的晶片中心施加一層抗蝕劑，然后在 真空吸盤使抗蝕劑均勻分布，在（c）上烘烤的抗蝕劑在（d）處在晶片上鍍鉻，該掩模上有暴露于紫外線（e）的窗口圖案。

制造硅二極管結(jié)。

在上圖（f）中除去掩模后，可以在堿性溶液中顯影（g）正性抗蝕劑，從而在UV軟化的抗蝕劑中打開窗口。 抗蝕劑的目的是保護二氧化硅免受氫氟酸蝕刻（h）的影響，僅留下對應(yīng)于掩模開口的敞開窗口。 在返回擴散爐之前，從晶片上剝離掉剩余的抗蝕劑（i）。 在擴散爐（j）中，晶片在高溫下暴露于氣態(tài)P型摻雜劑。 摻雜劑僅通過二氧化硅層中的開口擴散到硅中。 通過開口的每個P擴散都會產(chǎn)生一個PN結(jié)。 如果二極管是理想的產(chǎn)品，那么將對晶片進行金剛石劃線，然后將其破碎成單個二極管芯片。 但是，整個晶片可以進一步加工成雙極結(jié)型晶體管。

要將二極管轉(zhuǎn)換為晶體管，需要在現(xiàn)有P區(qū)的中間進行小的N型擴散。 使用具有較小開口的面罩重復(fù)上述步驟即可完成此操作。 盡管在上圖（j）中未顯示，但在P擴散過程中可能會在該步驟中形成氧化層。 下圖（k）顯示了P擴散上方的氧化物層。 施加正性光刻膠并干燥（l）。 在玻璃發(fā)射器掩模上鍍鉻（m），并暴露于紫外線（n）。 遮罩被移除（o）。 用堿性溶液（p）去除發(fā)射極開口中的UV軟化的抗蝕劑。 在（q）處用氫氟酸（HF）蝕刻掉暴露的二氧化硅

制造雙極結(jié)型晶體管，繼續(xù)制造硅二極管結(jié)。

將未曝光的抗蝕劑從晶片上剝離后，將其放入擴散爐（上圖）進行高溫處理，N型氣態(tài)摻雜劑，例如三氯氧化磷（POCl）通過小發(fā)射極擴散。這會在氧化物中形成一個窗口，從而形成與BJT的發(fā)射極，基極和集電極相對應(yīng)的NPN層。重要的是，不要一直將N型發(fā)射極一直驅(qū)動通過P型基極，從而使發(fā)射極短路發(fā)射極和集電極之間的基極區(qū)域也必須很薄，以使晶體管具有有用的β；否則，厚的基極區(qū)域可能會形成一對二極管而不是晶體管。這需要重復(fù)前面的步驟（此處未顯示），并使用一個用于通過氧化物的接觸開口的掩模；另一個重復(fù)使用另一個掩模來定義氧化物上方的金屬化圖案，并通過該開口接觸晶體管區(qū)域gs。

金屬化可以將許多晶體管和其他組件連接到集成電路中。但是，僅顯示一個晶體管。將完成的晶圓劃片，然后切成單獨的芯片進行包裝。細規(guī)格的鋁線將管芯上的金屬觸點連接到引線框架，從而使觸點脫離最終封裝。

回顧

大多數(shù)半導(dǎo)體都基于超純硅，因為它會在晶圓頂部形成玻璃氧化物。 該氧化物可以通過光刻進行圖案化，從而使復(fù)雜的集成電路成為可能。

香腸形的單晶硅通過切克勞斯基（Czochralski）工藝生長而成，將它們金剛石鋸切成薄片。

通過光刻對硅晶片進行圖案化與對銅印刷電路板進行圖案化相似。 將光致抗蝕劑施加到晶片上，該晶片通過掩模暴露在紫外線下。 顯影抗蝕劑，然后蝕刻晶片。

氫氟酸蝕刻打開晶圓頂部保護性二氧化硅中的窗口。

暴露于高溫下的氣態(tài)摻雜劑會產(chǎn)生由二氧化硅層中的開口所定義的半導(dǎo)體結(jié)。

重復(fù)進行光刻以實現(xiàn)更多的擴散，接觸和金屬化。

金屬化可以將多個組件互連成集成電路。

參考資料

Printed Circuit Board Layout and Manufacture Worksheet

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