工藝-硅片制造

1、2022-3-3集成電路工藝 硅片制備2022-3-31、體硅材料的制備2、SOI材料的制備分兩部分：2022-3-3晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 單晶單晶 全域全域重復(fù)結(jié)構(gòu)重復(fù)結(jié)構(gòu) 多晶多晶 局域重復(fù)結(jié)構(gòu)局域重復(fù)結(jié)構(gòu) 非晶（無定形）非晶（無定形） 完全不存在重復(fù)結(jié)構(gòu)完全不存在重復(fù)結(jié)構(gòu)2022-3-3單晶結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)2022-3-3多晶結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)GrainGrain Boundary2022-3-3無定形（非晶）結(jié)構(gòu)無定形（非晶）結(jié)構(gòu)2022-3-3硅的金剛石結(jié)構(gòu)圖晶胞單晶硅單位結(jié)構(gòu)單晶硅單位結(jié)構(gòu)原胞原胞 2022-3-3晶向晶向xyz planexyz planexyz plane2022-3-3 晶

2、面晶面基本格點單胞基本格點原胞 晶面晶面晶面格點晶面格點2022-3-3硅片表面腐蝕坑硅片表面腐蝕坑plane plane2022-3-3缺陷圖解缺陷圖解硅原子置換型雜質(zhì)Frenkel缺陷空位（Schottky缺陷）間隙型雜質(zhì)硅間隙原子2022-3-3層層 錯錯 2022-3-3為什么是硅為什么是硅? 歷史的選擇歷史的選擇 儲量豐富儲量豐富，便宜便宜, 取之不盡，用之不竭取之不盡，用之不竭 二氧化硅性質(zhì)非常穩(wěn)定，絕緣性能極好二氧化硅性質(zhì)非常穩(wěn)定，絕緣性能極好，且很容易通過熱過程生長且很容易通過熱過程生長 禁帶寬度大，工作溫度范圍寬禁帶寬度大，工作溫度范圍寬 電學(xué)和機械性能都非常奇異。電學(xué)和機械

3、性能都非常奇異。2022-3-3Source: http:/www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html2022-3-3從沙子到硅片 原材料：石英砂（二氧化硅） 沙子先轉(zhuǎn)化為多晶硅 (冶金級 MGS) 將MGS粉末與HCl反應(yīng)以形成三氯硅烷（TCS） 用汽化凝結(jié)法提高TCS的純度 將TCS與H2反應(yīng)生成多晶硅(電子級EGS)2022-3-3從沙子到硅片-2 熔化EGS，拉成單晶硅錠 掐頭去尾，磨邊，做槽口或者切面 將硅錠切成硅片 邊緣去角，拋光，濕法刻蝕，CMP 激光刻線 外延淀積 (optional)2022-3-3從沙子到硅片

4、-30.5元元/kg1000元元/kgSiO2 ( 90-95% ) 多晶硅多晶硅( 99.99% ) 單晶硅單晶硅Wafer10000元元/kg2022-3-3 Heat (1700 C)SiO2 + C Si + CO2 Sand Carbon MGS Carbon Dioxide一、用炭從二氧化硅中還原出硅氣體氣體液體液體2022-3-3Si + HCl TCS 硅粉末MGS氯化氫Filters冷凝器提純室Pure TCS with 99.9999999%反應(yīng)腔, 300 C二、生成三氯硅烷（TCS）并提純 Si HCl SiHCl3 SiCl4 MGS TCSCondenser2022

5、-3-3 Heat (1100 C)SiHCl3 + H2 Si + 3HCl TCS Hydrogen EGS Hydrochloride三、用氫從TCS中還原出硅（EGS）液態(tài) TCSH2Carrier gas bubblesH2 and TCS工藝腔ChamberTCS+H2EGS+HClEGS2022-3-3電子級硅電子級硅Source: http:/ （1）拉單晶: CZ 方法石墨坩鍋單晶硅錠 ingot單晶硅種子 seed石英坩鍋加熱板Heating coils1415 C熔化后的硅Quartz CrucibleGraphite Crucible2022-3-3CZ CZ 拉單晶圖

6、示拉單晶圖示Source: http:/ Method熱板多晶硅棒 Rod單晶硅晶種熱板運動熔化后的硅2022-3-3兩種方法的比較 CZ 方法更普遍方法更普遍 成本更低成本更低 硅片尺寸更大硅片尺寸更大 (300 mm已可投入生產(chǎn)已可投入生產(chǎn)) 材料可重復(fù)使用材料可重復(fù)使用 FZ方法（方法（Floating Zone) 單晶純度更高單晶純度更高 (無坩鍋無坩鍋) 成本更高，硅片尺寸偏小成本更高，硅片尺寸偏小 (150 mm) 主要用于功率器件主要用于功率器件2022-3-3五：掐頭去尾、徑向打磨、切面、或者制槽2022-3-3晶向指示標(biāo)記Flat, 150 mm平口Notch, 200 mm

7、槽口2022-3-3六、硅片切割 Wafer SawingOrientation NotchCrystal IngotSaw BladeDiamond CoatingCoolantIngot Movement2022-3-3七、硅片倒角 Edge Rounding硅片硅片運動邊緣去角前的硅片邊緣去角后的硅片2022-3-3八、拋光 粗拋粗拋 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的, , 研磨式的研磨式的, , 磨粉漿拋光磨粉漿拋光 目的在于移除大部分的表面損傷目的在于移除大部分的表面損傷 形成平坦的表面形成平坦的表面2022-3-3九、濕法腐蝕 去除硅片表面的缺陷去除硅片表面的缺陷 4:1:3 4:1:3 比例混合物：

8、比例混合物：HNOHNO3 3 (79 wt% in H (79 wt% in H2 2O), O), HF (49 wt% in HHF (49 wt% in H2 2O), and pure CHO), and pure CH3 3COOH. COOH. 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng): :3 Si + 4 HNO3 Si + 4 HNO3 3 + 6 HF + 6 HF 3 3 H H2 2SiFSiF6 6 + + 4 NO + 8 4 NO + 8 H H2 2O O2022-3-3十、化學(xué)機械拋光SlurryPolishing PadPressureWafer HolderWafer2022-3

9、-3200 mm 硅片厚度和表面粗糙度變化76 mm914 mm硅片切割后12.5 mm814 mm2.5 mm750 mm725 mmVirtually Defect Free拋光后腐蝕后CMP后2022-3-3硅片參數(shù)Wafer Size (mm)Thickness (mm)Area (cm 2 ) Weight (grams)27920.261.3238145.614.05100 (4 in)52578.659.67125 (5 in)625112.7217.87150 (6 in)675176.7227.82200 (8 in)725314.1652.98300 (12 in)7757

10、06.21127.6250.8 (2 in)76.2 (3 in)2022-3-3十一 外延1、作為雙極型晶體管的埋層保持高擊穿電壓的同時減小集電極電阻（Link)。2、有利于改善CMOS和DRAM器件的性能。外延層中氧、炭含量較硅晶體更低。（Link) 加熱 (1100 C)SiH2Cl2 Si + 2HClDCS Epi Hydrochloride2022-3-31、體硅材料的制備2、SOI材料的制備分兩部分：2022-3-3從體硅襯底到SOI襯底From Bulk to Silicon-On-Insulator (SOI)SOI技術(shù)：更好的器件隔離；速度更快；技術(shù)：更好的器件隔離；速度更

11、快；封裝密度更高；電路性能更佳封裝密度更高；電路性能更佳n+n+p+p+n+n+p+p+p-subsn-wellVoutVinVddVssVinVoutVssVddsubs體硅CMOSSOI CMOS2022-3-3SOI 襯底上的襯底上的CMOSp-SiUSGn-Si體硅多晶硅STI埋層氧化層n+ 源/漏p+ 源/漏柵氧2022-3-3SOI襯底的制備方法襯底的制備方法單晶硅膜（SOI）埋氧層（BOX）襯底 (Substrate)兩種主要方法：（1）注入法（2）鍵合法2022-3-3氧注入氧注入 SOI技術(shù)（技術(shù)（SIMOX）Separation by implantion of oxyge

12、n工藝非常簡單，僅僅兩大步：（工藝非常簡單，僅僅兩大步：（1 1）大劑量）大劑量氧離子注入，和（氧離子注入，和（2 2）高溫退火）高溫退火2022-3-3SIMOX技術(shù)的幾個關(guān)鍵因素（1）氧離子注入劑量（2）襯底溫度（3）退火條件2022-3-3（1 1）氧離子注入劑量）氧離子注入劑量臨界劑量的概念： 在離子濃度的峰值處直接形成具有化學(xué)配比的化合物需要的注入劑量。Nc 對氧注入，Nc1.41018/cm2。 注入劑量小于Nc，通常不能形成連續(xù)的BOX。2022-3-3（2 2）襯底溫度）襯底溫度襯底溫度過低，硅膜完全非晶化，不能恢復(fù)成單晶；襯底溫度過高，形成的硅膜內(nèi)有氧沉淀。合適的襯底溫度：5

13、00700C2022-3-3（3 3）退火條件）退火條件 退火通常在含有2 2氧氧的氮氣中進(jìn)行。其兩大作用：I：消除晶格損傷；II:形成界面陡直的頂層硅膜與埋氧層。（a）高度無序含SiO2硅層BOX深度損傷層（b）頂部析出硅膜 含有大量SiO2沉淀和位錯的高缺陷層 BOX Si/SiO2混合層。（c）同上，但各層厚度在改變。（d）硅層和BOX完全形成，但襯底界面處存在硅島（T300 A，L 3002000 A）2022-3-32022-3-3鍵合鍵合SOISOI技術(shù)（技術(shù)（Wafer BondingWafer Bonding） 分兩類：（1）鍵合腐蝕 （BESOI）（2）氫注入鍵合 （Smar

14、t Cut）2022-3-3（1）鍵合腐蝕 （BESOI）Bonding and EtchBack2022-3-3鍵合的基本過程（1）預(yù)鍵合 兩個硅片相合，由于范德瓦爾斯力（中性分子彼此距離非常近時，產(chǎn)生的一種微弱電磁引力）的作用，產(chǎn)生相互吸引力而粘合在一起。 如硅片表面具有親水性，水分子間的氫鍵作用會產(chǎn)生更大的引力。故預(yù)鍵合前表面一般進(jìn)行親水處理，使表面產(chǎn)生大量的羥基團(tuán)（OH）。（2）退火處理 室溫下的粘合很不牢固，退火可顯著增強鍵合強度。退火分3個階段。2022-3-3 階段一（室溫階段一（室溫300 C）：羥基團(tuán)（OH）之間的氫鍵數(shù)量增加、鍵合面積和強度增加。 階段二（階段二（30080

15、0 C）：）：氫鍵逐漸被SiOSi鍵代替，發(fā)生如下聚合反應(yīng)：（SiOH）（HOSi） （SiOSi）H2O400 C 左右聚合反應(yīng)完成。生成的水蒸氣導(dǎo)致界面產(chǎn)生空洞。 階段三（階段三（800 C以上）：以上）：空洞因水蒸氣與硅反應(yīng)生成SiO2而逐漸消失，超過1000 C以后，相鄰原子相互反應(yīng)形成共價鍵，鍵合完成。2022-3-3背面腐蝕減薄過程（a）鍵合前SOI片表面形成高摻雜層（紅色），再外延一低摻雜層（藍(lán)色）。（b）鍵合后，選擇腐蝕去襯底（低摻雜層）,腐蝕液：腐蝕液：乙二胺:鄰苯二酚:水（c）選擇腐蝕去高摻雜層。腐蝕液： HF(1) :HNO3(3) : HAc(8)（d）拋光。 （a） （b） （c） （d）2022-3-3氫誘發(fā)了硅內(nèi)部起泡層氫誘發(fā)了硅內(nèi)部起泡層富氫層富氫層CMP（2）氫注入鍵合（智能剝離Smart Cut）兩片硅片兩片硅片一片注氫一片注氫另一片氧化另一片氧化將兩片硅片在較將兩片硅片在較低溫度下鍵合低溫度下鍵合退火（退火（500500 C C）使鍵合片在富氫使鍵合片在富氫層處裂開層處裂開高溫退火（高溫退火（1100 1100 C C ）增加鍵合強）增加鍵合強度度CMPCMP光滑硅片表面光滑硅片表面2022-3-3SmartSmartCut SOICut SOI技術(shù)優(yōu)勢技術(shù)優(yōu)勢（1）氫離子注入劑量為1016cm2量級，比SIMOX