半导体制造技术

本节仅描述硅基半导体的制造；大多数半导体是硅。硅特别适用于集成电路，因为它很容易形成氧化物涂层，可用于对晶体管等集成组件进行图案化。

硅

硅是地壳中第二常见的元素，以二氧化硅 SiO2 的形式存在，也称为硅砂。在电弧炉中用碳还原脱出二氧化硅

SiO2 + C =CO2+ Si

这种冶金级硅适用于硅钢变压器叠片，但对于半导体应用来说还不够纯。转化为氯化物 SiCl4（或 SiHCl3）允许通过分馏进行纯化。通过超纯锌或镁还原产生海绵硅，需要进一步纯化。或者，通过氢气在热的多晶硅棒加热器上热分解产生超纯硅。

Si + 3HCl =SiHCl3 + H2 SiHCl3 + H2 =Si + 3HCl2

多晶硅在由感应加热石墨基座加热的熔融石英坩埚中熔化。石墨加热器可替代地由高电流的低电压直接驱动。在直拉过程 ，将硅熔体固化到铅笔大小的具有所需晶格取向的单晶硅棒上。 （下图）杆旋转并以一定速率向上拉动，以促使直径扩大到几英寸。一旦达到这个直径，boule 以一定的速度自动拉动以保持恒定的直径，长度为几英尺。掺杂剂可以添加到坩埚熔体中以产生例如P型半导体。生长装置封闭在惰性气氛中。

直拉单晶硅生长。

成品晶锭被研磨到精确的最终直径，并修剪末端。用内径金刚石锯将晶锭切成晶片。晶片被磨平并抛光。晶片可以具有 N 型外延 通过热沉积在晶圆顶部生长的层以获得更高的质量。此制造阶段的晶圆由硅晶圆制造商交付给半导体制造商。

硅晶棒是用金刚石锯成晶片。

半导体加工

半导体的加工涉及光刻，这是一种通过酸蚀刻制造金属平版印刷版的工艺。基于电子的版本是铜印刷电路板的处理。下图中对此进行了回顾，以简单介绍半导体加工中涉及的光刻。

铜印制电路板的加工类似于半导体加工的光刻步骤。

在上图（a）中，我们从层压到环氧玻璃纤维板上的铜箔开始。我们还需要带有黑线的正面图稿，对应于要保留在成品板上的铜线和焊盘。因为使用了正性抗蚀剂，所以需要正图。不过，负抗蚀剂可用于电路板和半导体加工。在 (b) 处，液体正性光刻胶被施加到印刷电路板 (PCB) 的铜面上。让它干燥并可以在烤箱中烘烤。艺术品可以是原始艺术品的塑料薄膜正片复制品，按比例缩放至所需尺寸。将艺术品放置在 (c) 处的玻璃板下方与电路板接触。电路板暴露在紫外线下 (d) 形成潜伏 软化光刻胶的图像。去除艺术品 (e) 并用碱性溶液 (f) 洗掉软化的抗蚀剂。漂洗和干燥（烘烤）的电路板在蚀刻后保留的铜线和焊盘上具有硬化的抗蚀剂图像。将电路板浸入蚀刻剂 (g) 中以去除未被硬化抗蚀剂保护的铜。对蚀刻板进行漂洗，用溶剂去除抗蚀剂。

半导体图案化的主要区别在于，在高温处理步骤期间，晶片顶部的二氧化硅层取代了抗蚀剂。但是，低温湿法工艺需要光刻胶来对二氧化硅进行图案化。

下图 (a) 中的 N 型掺杂硅晶片是制造半导体结的起始材料。在高温（扩散炉中超过 1000 o C）存在氧气或水蒸气的情况下，在晶片顶部生长二氧化硅层 (b)。将抗蚀剂池施加到冷却晶片的中心，然后在真空吸盘以均匀分布抗蚀剂。烘烤的抗蚀剂 (c) 在 (d) 处将镀铬玻璃掩模应用于晶圆。该掩模包含暴露于紫外线 (e) 的窗口图案。

硅二极管结的制作。

在上图 (f) 中去除掩模后，可以在碱性溶液中显影 (g) 正性抗蚀剂，从而在紫外线软化的抗蚀剂中打开窗口。抗蚀剂的目的是保护二氧化硅免受氢氟酸蚀刻 (h)，只留下与掩模开口相对应的开放窗口。剩余的抗蚀剂 (i) 在返回扩散炉之前从晶片上剥离。在扩散炉 (j) 中，晶片在高温下暴露于气态 P 型掺杂剂。掺杂剂仅通过二氧化硅层中的开口扩散到硅中。通过开口的每次 P 扩散都会产生一个 PN 结。如果二极管是所需的产品，晶片将被金刚石划片并分成单独的二极管芯片。然而，整个晶圆可能会被进一步加工成双极结型晶体管。

要将二极管转换为晶体管，需要在现有 P 区中间有一个小的 N 型扩散。使用具有较小开口的掩模重复前面的步骤可实现此目的。尽管上图 (j) 中未显示，但在 P 扩散期间可能在该步骤中形成了氧化层。 P-扩散上的氧化层如下图（k）所示。施加正性光刻胶并干燥 (l)。应用镀铬玻璃发射器掩模 (m)，并暴露于紫外线 (n)。去除掩模 (o)。用碱性溶液 (p) 去除发射器开口中的 UV 软化抗蚀剂。在（q）处用氢氟酸（HF）蚀刻掉暴露的二氧化硅

双极结型晶体管的制造，硅二极管结的制造的延续。

将未曝光的抗蚀剂从晶圆 (r) 上剥离后，将其放入扩散炉中（上图（s）进行高温处理。N 型气态掺杂剂，例如磷酰氯 (POCl)）通过小发射极扩散氧化物中的窗口。这会创建对应于 BJT 的发射极、基极和集电极的 NPN 层。重要的是 N 型发射极不能一直驱动通过 P 型基极，从而使发射极短路和集电极。发射极和集电极之间的基区也需要很薄，以便晶体管具有有用的 β。否则，厚的基区可能形成一对二极管而不是晶体管。在 (t) 处金属化显示为与晶体管区域接触。这需要使用掩模重复前面的步骤（此处未显示）以通过氧化物接触开口。另一次重复使用另一个掩模定义氧化物顶部的金属化图案并通过开口接触晶体管区域gs.

金属化可以将许多晶体管和其他组件连接成一个集成电路 .但是，只显示了一个晶体管。完成的晶片经过金刚石划线并破碎成单独的芯片进行封装。细规格铝线将芯片上的金属化触点连接到引线框架 , 将联系人从最终包中取出。

评论：

• 大多数半导体都基于超纯硅，因为它会在晶片顶部形成玻璃氧化物。这种氧化物可以通过光刻进行图案化，从而使复杂的集成电路成为可能。
• 香肠状的硅单晶通过直拉法生长，这些单晶被金刚石锯成晶片。
• 通过光刻对硅晶片进行图案化类似于对铜印刷电路板进行图案化。将光刻胶涂在晶圆上，晶圆通过掩模暴露在紫外线下。显影抗蚀剂，然后蚀刻晶片。
• 氢氟酸蚀刻在晶片顶部的保护性二氧化硅中打开了窗口。
• 在高温下暴露于气态掺杂剂会产生由二氧化硅层中的开口定义的半导体结。
• 重复光刻以获得更多扩散、接触和金属化。
• 金属化可以将多个组件互连成一个集成电路。

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