半导体的制造工艺中的关键是什么？

硅的主要来源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来，换句话说就是要将硅还原出来，采用的方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100°C左右，这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸热）

（2）

上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质，称为冶金级硅，其纯度与半导体工业要求的相差甚远，因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体，最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放热）

(3）

随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。

（4）

进行到目前为止，半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小，因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化 。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中，晶体成长时，以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出：

探入晶体“种子”

长出了所谓的“肩部”

长出了所谓的“身体”

这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大长度为3米。

以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法（Czochralski process，也称为柴氏长晶法），此种方法因成本较低而被广泛采用，除此之外，还有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮动区法（floating zone process）都可以用来制造单晶硅。

②热处理目的：还原直拉单晶硅片真实电阻率；

1、热处理后电阻率会有什么变化

由于氧是在大约1400℃引入硅单晶的，所以在一般器件制造过程的温度范围（≤1200℃），以间隙态存在的氧是处于过饱和状态的，这些氧杂质在器件工艺的热循环过程中由于固溶度的降低会产生氧沉淀。一般而言，氧浓度越高，氧沉淀越易成核生长，形成的氧沉淀也就越多。反之，氧沉淀就越少。尤其是当氧浓度小于一定值时（＜5×1017个/厘米3），几乎就观察不到氧沉淀的形成。

2、热处理的几个温度区间概念：

热施主：350-550℃，代表温度450℃.

450℃热处理后（或同等效果，如单晶在炉子里的冷却），可观察到N型样品的电阻率下降而P型样品的电阻率增高，有如引入一定数量的施主现象一样。这是由于在此温度下，溶解的氧原子迅速形成络合物（SiO4）所引起的热生施主，其电阻率与硅中氧含量的四次方成反比。

新施主：550-800℃，代表温度650℃.

650℃热处理，在迅速冷却的条件下（即迅速跨过450℃），可消除热生施主。即我们可观察到N型样品电阻率恢复高；P型样品电阻率恢复低。

沉淀：800-1200℃，代表温度1050℃

1050℃热处理，会带来氧沉淀，且因沉淀诱生层错等缺陷。

还原：＞1200℃

＞1200℃热处理，氧恢复到间隙态。