半导体硅材料的制备

结晶态硅材料的制备方法通常是先将硅石(SiO2)在电炉中高温还原为冶金级硅(纯度95%～99%)，然后将其变为硅的卤化物或氢化物，经提纯，以制备纯度很高的硅多晶。包括硅多晶的西门子法制备、硅多晶的硅烷法制备。在制造大多数半导体器件时，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅单晶。通常用直拉法或区熔法由硅多晶制得硅单晶。

世界上直拉硅单晶和区熔硅单晶的用量约为9：1，直拉硅主要用于集成电路和晶体管，其中用于集成电路的直拉硅单晶由于其有明确的规格，且其技术要求严格，成为单独一类称集成电路用硅单晶。区熔硅主要用于制作电力电子元件，纯度极高的区熔硅还用于射线探测器。硅单晶多年来一直围绕着纯度、物理性质的均匀性、结构完整性及降低成本这些问题而进行研究与开发。

材料的纯度主要取决于硅多晶的制备工艺，同时与后续工序的玷污也有密切关系。材料的均匀性主要涉及掺杂剂，特别是氧、碳含量的分布及其行为，在直拉生长工艺中采用磁场(见磁控直拉法单晶生长)计算机控制或连续送料，使均匀性得到很大改善；对区熔单晶采用中子嬗变掺杂技术，大大改善了均匀性。在结构完整性方面，直拉硅单晶早已采用无位错拉晶工艺，目前工作主要放在氧施主、氧沉淀及其诱生缺陷与杂质的相互作用上。

氧在热处理中的行为非常复杂。直拉单晶经300～500℃热处理会产生热施主，而经650℃以上热处理可消除热施主，同时产生氧沉淀成核中心，在更高温度下处理会产生氧沉淀，形成层错和位错等诱生缺陷，利用这些诱生缺陷能吸收硅中有害金属杂质和过饱和热点缺陷的特性，发展成使器件由源区变成“洁净区”的吸除工艺，能有效地提高器件的成品率。

对硅单晶锭需经切片、研磨或抛光(见半导体晶片加工)后，提供给器件生产者使用。

某些器件还要求在抛光片上生长一层硅外延层，此种材料称硅外延片。

非晶硅材料具有连续无规的网格结构，最近邻原子配位数和结晶硅一样，仍为4，为共价键合，具有短程有序，但是，键角和键长在一定范围内变化。由于非晶硅也具有分开的价带和导带，因而有典型的半导体特性，非晶硅从一晶胞到另一晶胞不具有平移对称性，即具有长程无序性，造成带边的定域态和带隙中央的扩展态，非晶硅属亚稳态，具有某些不稳定性。其制备方法有辉光放电分解法等(见太阳电池材料)。

因为晶体硅具有一个非常重要的特性——单方向导电，也就是说，电流只能从一端流向另一端，制作半导体器件的原材料就需要具有有这种特有的特性材料。\x0d\x0a\x0d\x0a多角度解释：\x0d\x0a（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系.温度升高,半导体的电阻率会明显变小.例如纯锗（Ge）,温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半.\x0d\x0a（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电；受到光照时,就变的容易导电了.例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧.半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”.利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等.\x0d\x0a近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能.目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管.\x0d\x0a另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源.\x0d\x0a（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化.例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米.因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件\x0d\x0a半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强.实际上,半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同,更重要的是半导体具有独特的性能（特性）. \x0d\x0a1． 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质,半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性.例如,晶体管就是利用这种特性制成的. \x0d\x0a2． 当环境温度升高一些时,半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时,半导体的导电能力就显著地下降.这种特性称为“热敏”,热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的. \x0d\x0a3． 当有光线照射在某些半导体时,这些半导体就像导体一样,导电能力很强；当没有光线照射时,这些半导体就像绝缘体一样不导电,这种特性称为“光敏”.例如,用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等,就是利用半导体的光敏特性制成的. \x0d\x0a由此可见,温度和光照对晶体管的影响很大.因此,晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中.在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响.最后,明确一个基本概验：所谓半导体材料,是一种晶体结构的材料,故“半导体”又叫“晶体”. \x0d\x0aP性半导体和N型半导体----前面讲过,在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质,能使半导体的导电能力成百万倍的增加.加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后,在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子,这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后,会产生大量带正电荷的“空穴”,这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）.例如,在纯净的半导体锗中,加入微量的杂质锑,就能形成N型半导体.同样,如果在纯净的锗中,加入微量的杂质铟,就形成P型半导体. \x0d\x0a一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起,见图1所示. \x0d\x0a图1 \x0d\x0a在P型半导体的N型半导体相结合的地方,就会形成一个特殊的薄层,这个特殊的薄层就叫“PN结”.晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）. \x0d\x0a例如,收音机中应用的晶体二极管,其触丝（即触针）部分相当于P型半导体,N型锗片就是N型半导体,他们之间的接触面就是PN结.P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称正极）.N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）. \x0d\x0a如果像图2那样,把正端连接电池的正极,把负端接电池的负极,这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了.因此,通过PN结的电流（I=U/R）就很大.这样的连接方法（图2a）叫“正向连接”.正向连接时,晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正向电压下,二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”,在正向电压下,通过二极管（或PN结）的电流叫“正向电流”.很明显,因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆）,在一定正向电压下,正向电流（I=U/R）就会很大----这表明在正向电压下,二极管（或PN结）具有像导体一样的导电本领. \x0d\x0a图2a 图2b \x0d\x0a反过来,如果把P端接到电池的负极,N端接到电池的正极（见图2b）.这时PN结的电阻很大（大到几百千殴）,电流（I=U/R）几乎不能通过二极管,或者说通过的电流很微弱.这样的连接方法叫“反向连接”.反向连接时,晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向电压”；处在反向电压下,二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”,在反向电压下,通过二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”.显然,因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千欧姆）,在一定的反向电压下,正向电流（I=U/R）就会很小,甚至可以忽略不计,----这表明在一定的反向电压下,二极管（或PN结）几乎不导电. \x0d\x0a上叙实验说明这样一个结论：晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性. \x0d\x0a晶体二极管用字母“D”代表,在电路中常用图3的符号表示,即表示电流（正电荷）只能顺着箭头方向流动,而不能逆着箭头方向流动.图3是常用的晶体二极管的外形及符号. \x0d\x0a图3 \x0d\x0a利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等. \x0d\x0aPN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容,叫做“极间电容”（如图4所示）.由于电容抗随频率的增高而减小.所以,PN结工作于高频时,高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作.但在直流或低频下工作时,极间电容对直流和低频的阻抗很大,故一般不会影响PN结的工作性能.PN结的面积越大,极间电容量越大,影响也约大,这就是面接触型二极管（如整流二极管）和低频三极管不能用于高频工作的原因

如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU，那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器吗？

除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属。目前为止，铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料，而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的，在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜。所谓电迁移问题，就是指当大量电子流过一段导体时，导体物质原子受电子撞击而离开原有位置，留下空位，空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置，会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用。这就是许多Northwood Pentium 4换上SNDS（北木暴毕综合症）的原因，当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超频就急于求成，大幅提高芯片电压时，严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪。这就是intel首次尝试铜互连技术的经历，它显然需要一些改进。不过另一方面讲，应用铜互连技术可以减小芯片面积，同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的速度也更快。

除了这两样主要的材料之外，在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料，它们起着不同的作用，这里不再赘述。

CPU制造的准备阶段

在必备原材料的采集工作完毕之后，这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作。而作为最主要的原料，硅的处理工作至关重要。首先，硅原料要进行化学提纯，这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要，还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。而后，将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过，许多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此。为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净，及单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出，此时一个圆柱体的硅锭就产生了。从目前所使用的工艺来看，硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel和其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的，不过只要企业肯投入大批资金来研究，还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立的工厂耗费了大约35亿美元，新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高，功能更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造过程。

在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑，之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要，它直接 决定了成品CPU的质量。

新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料，而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子进入硅原子之间的空隙，彼此之间发生原子力的作用，从而使得硅原料具有半导体的特性。今天的半导体制造多选择CMOS工艺（互补型金属氧化物半导体）。其中互补一词表示半导体中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用。而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下，切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计，这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。同时在多数情况下，必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造过程的后期，需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS管的形成。

在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度，空气成分和加温时间，该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中，门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分，晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制，电子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小。

准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在光刻蚀过程结束之后，能够通过化学方法将其溶解并除去。

光刻蚀

这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤，为什么这么说呢？光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕， 由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量，而且制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步（每一步进行一层刻蚀）。而且每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话，可以和整个纽约市外加郊区范围的地图相比，甚至还要复杂，试想一下，把整个纽约地图缩小到实际面积大小只有100个平方毫米的芯片上，那么这个芯片的结构有多么复杂，可想而知了吧。

当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质，而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。

掺杂

在残留的感光层物质被去除之后，剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层。这一步之后，另一个二氧化硅层制作完成。然后，加入另一个带有感光层的多晶硅层。多晶硅是门电路的另一种类型。由于此处使用到了金属原料（因此称作金属氧化物半导体），多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀。再经过一部刻蚀，所需的全部门电路就已经基本成型了。然后，要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击，此处的目的是生成N沟道或P沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接，每个晶体管都有输入端和输出端，两端之间被称作端口。

重复这一过程

从这一步起，你将持续添加层级，加入一个二氧化硅层，然后光刻一次。重复这些步骤，然后就出现了一个多层立体架构，这就是你目前使用的处理器的萌芽状态了。在每层之间采用金属涂膜的技术进行层间的导电连接。今天的P4处理器采用了7层金属连接，而Athlon64使用了9层，所使用的层数取决于最初的版图设计，并不直接代表着最终产品的性能差异

接下来的几个星期就需要对晶圆进行一关接一关的测试，包括检测晶圆的电学特性，看是否有逻辑错误，如果有，是在哪一层出现的等等。而后，晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要。

而后，整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元。在最初测试中，那些检测不合格的单元将被遗弃。这些被切割下来的芯片单元将被采用某种方式进行封装，这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了。大多数intel和AMD的处理器都会被覆盖一个散热层。在处理器成品完成之后，还要进行全方位的芯片功能检测。这一部会产生不同等级的产品，一些芯片的运行频率相对较高，于是打上高频率产品的名称和编号，而那些运行频率相对较低的芯片则加以改造，打上其它的低频率型号。这就是不同市场定位的处理器。而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处。比如它在缓存功能上有缺陷（这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪），那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量，降低了性能，当然也就降低了产品的售价，这就是Celeron和Sempron的由来。

在CPU的包装过程完成之后，许多产品还要再进行一次测试来确保先前的制作过程无一疏漏，且产品完全遵照规格所述，没有偏差。

我们希望这篇文章能够为一些对于CPU制作过程感兴趣的人解答一些疑问。毕竟作者水平有限，不可能以专业的水平把制作过程完全展示给您，如果您有兴趣继续钻研，建议您去阅读一些有关集成电路制造的高级教材

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