固态器件理论（10）半导体制造技术

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本节仅描述基于硅的半导体的制造。 大多数半导体是硅。 硅特别适用于集成电路，因为它容易形成氧化物涂层，可用于构图晶体管等集成组件。

硅

硅是地壳中第二常见的元素，其形式为二氧化硅SiO2（也称为硅砂）。 通过在电弧炉中用碳还原将二氧化硅从二氧化硅中释放出来
$$Si{O}_2+C=C{O}_2+Si$$
这种冶金级硅适用于硅钢变压器叠片，但对于半导体应用而言，纯度还不够高。 转化为氯化物SiCl4（或SiHCl3）可以通过分馏进行纯化。 用超纯锌或镁还原可得到海绵状硅，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。
$$Si+3HCl=SiHC{l}_3+H_{2}SiHC{l}_3+H_2=Si+3HC{l}_2$$

多晶硅在由感应加热的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可以由大电流下的低压直接驱动。 在切克劳斯基（Czochralski）工艺中，硅熔体凝固到具有所需晶格取向的铅笔大小的单晶硅棒上。 （下图）旋转杆并以一定速率向上拉动，以促使直径扩大到几英寸。 一旦达到该直径，便以一定的速率自动拉动晶锭，以保持恒定的直径至几英尺的长度。 可以将掺杂剂添加到坩埚熔体中以产生例如P型半导体。 生长设备被封闭在惰性气氛中。

直拉单晶硅的生长。

将成品晶锭研磨至精确的最终直径，并修整末端。 用内径金刚石锯将晶锭切成薄片。 将晶片磨平并抛光。 晶片可以具有通过热沉积在晶片上方生长的N型外延层，以获得更高的质量。 硅晶片制造商将制造阶段的晶片交付给半导体制造商。

硅晶锭被金刚石锯切成薄片。

半导体加工

半导体的加工涉及光刻，即通过酸蚀刻来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加工。 下图对此进行了回顾，作为对半导体处理中涉及的光刻的简单介绍。

铜印刷电路板的处理类似于半导体处理的光刻步骤。

我们从上图（a）中层压到环氧玻璃纤维板上的铜箔开始。我们还需要正面的艺术品，其黑线与要保留在成品板上的铜布线和焊盘相对应。由于使用了正性抗蚀剂，因此需要正图稿。但是，负性抗蚀剂可用于电路板和半导体工艺。在（b）处，将液态正性光致抗蚀剂施加到印刷电路板（PCB）的铜面上。将其干燥，然后在烤箱中烘烤。艺术品可以是原始艺术品的塑料膜正复制品，该原始艺术品按比例缩放至所需尺寸。在（c）处将艺术品与玻璃板下方的电路板接触。将该板暴露于紫外线（d）中以形成软化的光致抗蚀剂的潜像。去除（e）艺术品，并通过碱性溶液（f）将软化的抗蚀剂洗掉。经过漂洗和干燥（烘烤）的电路板在蚀刻后残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，以去除不受硬化抗蚀剂保护的铜。漂洗蚀刻后的板，并用溶剂除去抗蚀剂。

半导体构图的主要区别在于，在高温处理步骤中，晶片顶部的二氧化硅层代替了抗蚀剂。 但是，在低温湿法处理中需要抗蚀剂以图案化二氧化硅。

下图（a）中的N型掺杂硅晶片是制造半导体结的原材料。 在高温（超过1000o C，在扩散炉中）中在氧气或水蒸气存在的情况下，在晶片顶部生长二氧化硅层（b）。在冷却的晶片中心施加一层抗蚀剂，然后在 真空吸盘使抗蚀剂均匀分布，在（c）上烘烤的抗蚀剂在（d）处在晶片上镀铬，该掩模上有暴露于紫外线（e）的窗口图案。

制造硅二极管结。

在上图（f）中除去掩模后，可以在碱性溶液中显影（g）正性抗蚀剂，从而在UV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）的影响，仅留下对应于掩模开口的敞开窗口。 在返回扩散炉之前，从晶片上剥离掉剩余的抗蚀剂（i）。 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。 通过开口的每个P扩散都会产生一个PN结。 如果二极管是理想的产品，那么将对晶片进行金刚石划线，然后将其破碎成单个二极管芯片。 但是，整个晶片可以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区的中间进行小的N型扩散。 使用具有较小开口的面罩重复上述步骤即可完成此操作。 尽管在上图（j）中未显示，但在P扩散过程中可能会在该步骤中形成氧化层。 下图（k）显示了P扩散上方的氧化物层。 施加正性光刻胶并干燥（l）。 在玻璃发射器掩模上镀铬（m），并暴露于紫外线（n）。 遮罩被移除（o）。 用碱性溶液（p）去除发射极开口中的UV软化的抗蚀剂。 在（q）处用氢氟酸（HF）蚀刻掉暴露的二氧化硅

制造双极结型晶体管，继续制造硅二极管结。

将未曝光的抗蚀剂从晶片上剥离后，将其放入扩散炉（上图）进行高温处理，N型气态掺杂剂，例如三氯氧化磷（POCl）通过小发射极扩散。这会在氧化物中形成一个窗口，从而形成与BJT的发射极，基极和集电极相对应的NPN层。重要的是，不要一直将N型发射极一直驱动通过P型基极，从而使发射极短路发射极和集电极之间的基极区域也必须很薄，以使晶体管具有有用的β；否则，厚的基极区域可能会形成一对二极管而不是晶体管。这需要重复前面的步骤（此处未显示），并使用一个用于通过氧化物的接触开口的掩模；另一个重复使用另一个掩模来定义氧化物上方的金属化图案，并通过该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到集成电路中。但是，仅显示一个晶体管。将完成的晶圆划片，然后切成单独的芯片进行包装。细规格的铝线将管芯上的金属触点连接到引线框架，从而使触点脱离最终封装。

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回顾

大多数半导体都基于超纯硅，因为它会在晶圆顶部形成玻璃氧化物。 该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。
香肠形的单晶硅通过切克劳斯基（Czochralski）工艺生长而成，将它们金刚石锯切成薄片。
通过光刻对硅晶片进行图案化与对铜印刷电路板进行图案化相似。 将光致抗蚀剂施加到晶片上，该晶片通过掩模暴露在紫外线下。 显影抗蚀剂，然后蚀刻晶片。
氢氟酸蚀刻打开晶圆顶部保护性二氧化硅中的窗口。
暴露于高温下的气态掺杂剂会产生由二氧化硅层中的开口所定义的半导体结。
重复进行光刻以实现更多的扩散，接触和金属化。
金属化可以将多个组件互连成集成电路。

参考资料

Printed Circuit Board Layout and Manufacture Worksheet

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