第12节 半导体制造技术(修订中)
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[本节仅描述硅基半导体](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 集成电路 (opens new window)，因为它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。
# 1. 硅
硅是地壳中第二常见的元素，其形式为二氧化硅、SiO 2，也称为硅砂。硅通过在电弧炉中用碳还原而从二氧化硅中释放出来
SiO 2 + C = CO 2 + Si
这种冶金级硅适用于硅钢变压器叠片，但纯度不足以用于半导体应用。转化为氯化物SiCl 4 (或SiHCl 3 )允许通过分馏进行纯化。用超纯锌或镁还原产生海绵硅，需要进一步纯化。或者，在热的多晶硅棒加热器上被氢气热分解产生超纯硅。
Si + 3HCl = SiHCl 3 + H 2 SiHCl 3 + H 2 = Si + 3HCl 2
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低电压在高电流下直接驱动。在_Czochralski 工艺中_，硅熔体凝固在具有所需晶格取向的铅笔大小的单晶硅棒上。（下图）杆以一定的速度旋转并向上拉，以促使直径扩大到几英寸。一旦达到这个直径，_晶锭_就会自动以一定的速度拉动，以将直径保持在几英尺的长度。可以将掺杂剂添加到坩埚熔体中以产生例如P型半导体。生长装置被封闭在惰性气氛中。
Czochralski 单晶硅生长。
将成品晶锭研磨至精确的最终直径，并修整端部。通过内径金刚石锯将晶锭切成晶片。晶片被磨平并抛光。晶圆可以具有通过热沉积在晶圆顶部生长的 N 型_外延层，以获得更高的质量。_在这个制造阶段的晶片由硅晶片制造商交付给半导体制造商。
硅晶锭被金刚石锯成晶片。
# 2. 半导体加工
半导体的加工涉及光刻，一种通过酸蚀刻制作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。下图中 (opens new window)对此进行了回顾，作为对半导体加工中涉及的光刻的简单介绍。
铜印刷电路板的加工类似于半导体加工的光刻步骤。
我们从上图 (a) 中层压到环氧树脂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，所以需要正性图稿。不过，负抗蚀剂可用于电路板和半导体加工。在 (b) 处，将液态正性光刻胶施加到印刷电路板 (PCB) 的铜面上。它可以干燥，可以在烤箱中烘烤。艺术品可以是按所需尺寸缩放的原始艺术品的塑料薄膜正片复制品。艺术品在 (c) 处与玻璃板下方的电路板接触。板子暴露在紫外线下 (d) 形成_潜伏_软化的光刻胶的图像。去除原稿 (e) 并用碱性溶液 (f) 洗去软化的抗蚀剂。冲洗和干燥（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) 中以去除不受硬化抗蚀剂保护的铜。冲洗蚀刻板并用溶剂去除抗蚀剂。
半导体图案化的主要区别在于，在高温处理步骤中，晶圆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来图案化二氧化硅。
下图 (a) 中的 N 型掺杂硅晶片是制造半导体结的起始材料。二氧化硅层 (b) 在存在氧气或水蒸气的情况下在高温下（在扩散炉中超过 1000 o C）在晶片上生长。在冷却晶片的中心施加一池抗蚀剂，然后在一个真空吸盘以均匀分布抗蚀剂。烘烤的抗蚀剂 (c) 在 (d) 处的晶圆上涂有铬玻璃掩模。该掩模包含暴露于紫外线 (e) 下的窗口图案。
硅二极管结的制造。
在上图 (f) 中去除掩模后，可以在碱性溶液中显影 (g) 正抗蚀剂，在 UV 软化抗蚀剂中打开窗口。抗蚀剂的目的是保护二氧化硅免受氢氟酸蚀刻 (h) 的影响，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。晶片在扩散炉 (j) 中暴露于高温下的气态 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 扩散产生一个 PN 结 (opens new window). 如果二极管是所需的产品，晶圆将被金刚石划线并分解成单独的二极管芯片。然而，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 区域的中间设置一个小的 N 型扩散。使用具有较小开口的掩模重复前面的步骤可以实现这一点。尽管在上图 (j) 中未显示，但在 P 扩散期间的该步骤中可能形成了氧化层。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)。在玻璃发射器掩模上镀铬 (m)，并暴露在紫外线 (n) 上。移除掩码 (o)。用碱性溶液 (p) 去除发射器开口中的 UV 软化抗蚀剂。暴露的二氧化硅在 (q) 处用氢氟酸 (HF) 蚀刻掉
制造双极结型晶体管，继续制造硅二极管结。
这需要使用用于通过氧化物的接触开口的掩模重复前面的步骤（此处未显示）。使用另一个掩模的另一个重复定义了氧化物顶部的金属化图案并通过开口接触晶体管区域。
金属化可以将许多 晶体管 (opens new window)和其他组件连接到一个_集成电路_中。但是，只显示了一个晶体管。完成的晶圆经过金刚石划线并分解成单独的管芯以进行封装。细规格铝线将管芯上的金属化触点连接到_引线框架_，从而将触点从最终封装中取出。
# 3. 总结
- 大多数半导体基于超纯硅，因为它在晶片顶部形成玻璃氧化物。这种氧化物可以用光刻技术进行图案化，使复杂的集成电路成为可能。
- 香肠形状的硅单晶通过 Czochralski 工艺生长，这些被金刚石锯成晶片。
- 通过光刻法对硅晶片进行构图类似于对铜印刷电路板进行构图。将光刻胶涂在晶片上，晶片通过掩模暴露在紫外线下。显影抗蚀剂，然后蚀刻晶片。
- 氢氟酸蚀刻在晶片顶部的保护性二氧化硅中打开窗口。
- 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。
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