集成电路中的材料在线视频

同学们好！

今天我将和大家

共同学习集成电路中

使用的材料，

以及学习如何生长单晶硅。

大家知道，集成电路

是建立在硅这种材料上的，

生长出高纯度的单晶硅

是集成电路的基础。

这是今天课程的目录，

我们先介绍一下

集成电路中

使用到的材料种类，

然后学习如何制备

多晶硅原材料，

之后介绍单晶硅的

两种生长方法，

最后讨论一下

后序处理工艺以得到

可以使用的单晶硅片。

集成电路工艺是

一个非常复杂的流程，

需要非常精密的控制。

一个典型的芯片，它需要

经历700多步的加工步骤，

才能够得到最后可以使用芯片。

这700多步工艺步骤包括氧化，

包括物理气相沉积，

包括化学气相沉积，

包括湿法刻蚀，

包括干法刻蚀，

包括注入，扩散，光刻等

各类单步工艺。如果

将这些工艺步骤进行分类，

你会发现基本上

可以用三大类进行概括，

就是：加上一种材料，

对该材料进行图形化，

和在不需要的地方移去材料。

或者说加材料，图形化材料，减材料

三大类，这个很简单吧？

这个过程就很像照相的过程。

照相就是在底片上

先加上一层感光材料，

然后通过曝光的方式对感光材料

进行图形化，

最后在暗室里面通过显影的技术

将没有曝光的地方的

感光材料去除，最后

就留下来你所需要的照片了。

集成电路工艺就相当于

不断重复这个循环，

加材料，图形化材料，然后减材料，

通过不断的循环就是集成电路的一个集成工艺

在一个典型的集成电路芯片里面，

这个循环重复的次数

往往可以达到40-60次。

这个图片显示了

集成电路制备过程中的

主要工艺步骤，

可以看到第一步

这里一共有四五步，每步都讲一下

第一步是通过氧化的方法

长一层比较厚的氧化层

这个氧化就是得到二氧化硅材料

这里长的是场氧化层，比较厚；

第二步到第五步都是光刻工艺，

也就是图形化工艺，

这里第二步是通过旋转涂胶的

方式先涂上一层光刻胶，

这个光刻胶是一种有机物，

是起到图形转移作用的；

第三步是曝光的过程，

曝光是用激光通过掩膜板，

将图形照到了光刻胶上面，

掩膜板上的图形就是

工艺中期望的图形；

第四步和第五步显示的是

已经曝光的光刻胶

在显影的时候就被移走了，

这样就将掩膜板中的图形

转移到了光刻胶上面了，

这就是图形化过程；

那我们看第二行，就是第六步

第六步是刻蚀工艺，

是将没有光刻胶保护的部分

没有光刻胶保护的二氧化硅的部分

通过刻蚀的办法，把它移走

这样就将在光刻胶上的图形

转移到了二氧化硅上面了，

那么这个去除二氧化硅的过程

也是减材料的过程；

我们看这个周期是加材料,第一步是加材料

第二步到第五步是图形化的过程

第六步是减材料的过程

第七步是将光刻胶去除

光刻胶就是启到转移图形的作用，

不在最后的芯片里面，

是需要彻底移除的；

第八步是再一次进行氧化，

又是一步加材料的过程

这次生长的是高质量的

栅介质氧化层，也是二氧化硅，

又是一次加材料的过程；

第九步是淀积一层多晶硅材料，

也是个加材料的过程；

第十步是图形化

图形化英文叫mask

mask和减材料，etch放到一起了，

第十步是把图形化和减材料放在一起

将图形化转移到了多晶硅和

栅介质层的二氧化硅上面；

第十步和第十一步显示的是

通过注入的方式将掺杂给加入进去，

这也是一种加材料；

第十二步沉积氮化硅，

又是加材料的过程；

第十三步包含了接触孔的图形化

mask和刻蚀来移去孔里面的材料，

就是图形化和减材料；

第十四步是包含了加材料，

沉积金属层，图形化材料

和减材料整个过程，可见

在集成电路的工艺制程当中，

就是加材料，图形化，减材料

这个过程的不断循环。

在每一次循环的过程中，

后一次的图形需要和

前一次的图形对准，

当前的集成电路已经

到了14纳米的工艺节点，

所需要的对准经常是在几个纳米之间，

可见工艺难度之大！

同学们通过本门课程的学习，

将会学习到各种“加材料”的办法，

各种“减材料”的办法，以及

通过光刻的方式对材料进行图形化。

上面提到的集成电路材料，

让我们看一下集成电路工艺

里面都有哪些材料呢？

同学们看一下这张图。

这是个典型的MOSFET的TEM截面图，

就是透射电镜截面图。

我们知道在集成电路里面

MOSFET是最常用的一个基本器件

可以看到这个MOSFET里面

最底端是基地substrate

substrate用的是单晶硅这个材料

最上面一层是沟道

这个MOSFET沟道所在之处

栅材料用的是多晶硅polysilicon；

在栅这一层和基底这层之间

二氧化硅做栅介质层；

那我们知道刚刚讲了，

这个多晶硅这个栅层是多晶硅

的这种材料的方式多晶体

那么在栅层和基地之间接着二氧化硅

是这个非晶态的二氧化硅

我们再往上看，在多晶硅上面

是这个silicide 硅化物

那这个硅化物是一种多晶材料

我们再往左边看，是有两个材料

一个是二氧化硅,一个是氮化硅

这两个材料都是非晶态的材料

右边也是对称的，二氧化硅和氮化硅

他们也是非晶态的材料

可以看到在整个MOSFET里面

我们介绍了几种材料，

比如说单晶硅、多晶硅

硅化物，二氧化硅和氮化硅

都是和硅相关的

我们经常说的“集成电路

就是建立在硅上面的，

而硅就是从沙子里面提纯出来的，

集成电路就是建立在沙子上面的

还真是名不虚传！

那么另外的我们也可以看到

在整个材料里面

我们用到的材料种类就是

单晶材料、多晶材料、非晶材料

让我们来看一下单晶材料，

多晶材料和非晶体材料的区别。

单晶材料就是结晶体内部的微粒

在三维空间呈有规律地、

周期性地排列，或者说晶体的整体

在三维方向上由同一空间格子构成，

整个晶体中质点在空间的排列

为短程有序，而且长程有序，

单晶整个晶格是连续的，

就像图片中排列整齐的树群。

多晶是众多取向晶粒的单晶的集合。

多晶是很多单晶的结合

多晶与单晶内部均以

点阵式的周期性结构为基础，

对同一品种晶体来说，

两者本质相同。

不同之处在于多晶是

短程有序，长程无序，

而单晶则是短程和长程都是有序的；

就像图中所示的稻田，

在每一块稻田内部是排列整齐的，

但是每一块稻田之间的

取向关系却是随机的。

所以多晶每一块里面有很多单晶

那单晶与单晶之间,

他们互相的取向是随机的

那对于整个单晶来讲呢

所有的取向短程长程都是有序的

那最后我们看下非晶体

非晶体又称无定形体内部原子

或分子的排列呈现杂乱无章的

分布状态的固体称为非晶体，

如玻璃、沥青、石蜡等。

非晶体短程和长程都是无序的。

在材料生长过程中，

单晶的制备是非常困难的，

生长条件也是很苛刻的。

在集成电路中，

单晶硅是一个最基础的材料，

我们需要了解和掌握单晶硅

的特性以及生长方法，

那将是下一节将要学习的内容。

总结一下，这小节我们讲了：

1）集成电路的制备流程是

“加材料图形化材料减材料”

这个循环不断重复来实现的；

2）集成电路中使用到的材料种类

有单晶材料，多晶材料和非晶体。

单晶硅是集成电路材料中的基础材料。

谢谢大家