微電子工藝課件

1、微電子工藝微電子工藝第二章第二章 晶體生長晶體生長 第一章第一章 引言引言第二章第二章 晶體生長晶體生長第三章第三章 工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片的清洗工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片的清洗第四章第四章 硅的氧化硅的氧化第五章第五章 光刻光刻第六章第六章 刻蝕刻蝕第七章第七章 擴散擴散第八章第八章 離子注入離子注入第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積第十章第十章 工藝集成工藝集成 第十一章第十一章 集成電路制造集成電路制造目標目標通過本章的學習，你將能夠：通過本章的學習，你將能夠：1. 掌握用直拉單晶法制備硅片所用的原料，以及提純的過程掌握用直拉單晶法制備硅片所用的原料，以及提純的過程 和制

2、造單晶硅錠的步驟。和制造單晶硅錠的步驟。2. 了解區(qū)熔單晶法制備單晶硅錠的過程。了解區(qū)熔單晶法制備單晶硅錠的過程。3. 了解兩種制備方法各自的特點。了解兩種制備方法各自的特點。5. 從單晶錠到單晶硅片的步驟。從單晶錠到單晶硅片的步驟。6. 硅片質(zhì)量檢測的指標。硅片質(zhì)量檢測的指標。 一一、襯底材料的類型襯底材料的類型元素半導體元素半導體 Si、Ge.2. 化合物半導體化合物半導體 GaAs、SiC 、GaNGe： 漏電流大，禁帶寬度窄，僅漏電流大，禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.1eV)； 工作溫度低，工作溫度低，75（Si:150）；）； GeO2易水解（易水解（SiO2穩(wěn)定）；穩(wěn)定）；

3、 本征電阻率低：本征電阻率低：47 cm（Si: 2.3x105 cm）；）； 成本高。成本高。Si： 含量豐富，占地殼重量含量豐富，占地殼重量25%； 單晶單晶Si 生長工藝簡單，目前直徑最大生長工藝簡單，目前直徑最大18英吋英吋（450mm） 氧化特性好，氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、界面性能理想，可做掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣柵等介質(zhì)材料；鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣柵等介質(zhì)材料； 易于實現(xiàn)平面工藝技術；易于實現(xiàn)平面工藝技術；二、對襯底材料的要求二、對襯底材料的要求 直徑直徑 導電類型：導電類型：N型與型與P型都易制備；型都易制備； 晶向：晶向：Si:雙極器件雙極器

4、件-；MOS-； 電阻率：電阻率：0.01-105 cm，均勻性好（縱向、橫向、微區(qū)）、可，均勻性好（縱向、橫向、微區(qū)）、可 靠性高（穩(wěn)定、真實）；靠性高（穩(wěn)定、真實）； 壽命（少數(shù)載流子）：晶體管壽命（少數(shù)載流子）：晶體管長壽命；長壽命； 開關器件開關器件短壽命；短壽命； 晶格完整性：低位錯（晶格完整性：低位錯（1000個個/cm2）；）； 平整度平整度、禁帶寬度、遷移率等。禁帶寬度、遷移率等。Si 的基本特性的基本特性: FCC 金剛石結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)金剛石結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=5.431 間接帶隙半導體，間接帶隙半導體， 禁帶寬度禁帶寬度 Eg=1.12eV 相對介電常數(shù)，相對介電常數(shù)， r=

5、11.9 熔點：熔點： 1417oC 原子密度：原子密度： 5x1022 cm-3 本征載流子濃度：本征載流子濃度：ni=1.45x1010 cm-3 本征電阻率本征電阻率 =2.3x105 cm 電子遷移率電子遷移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴遷移率空穴遷移率 h=450 cm2/Vs三、起始材料三、起始材料-石英巖（高純度硅砂石英巖（高純度硅砂-SiO2） SiO2+SiCSi(s)+SiO(g)+CO(g) 冶金級硅：冶金級硅：98%；Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2 三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點為三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點為32，利用分餾法去，利用分餾法去除雜質(zhì)；

6、除雜質(zhì)；SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g) 得到電子級硅（片狀多晶硅）。得到電子級硅（片狀多晶硅）。 300oC單晶制備單晶制備一、直拉法（一、直拉法（CZ法）法）CZ CZ 拉晶儀拉晶儀熔爐熔爐石英坩堝：盛熔融硅液；石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；加熱裝置：加熱裝置：RFRF線圈；線圈；拉晶裝置拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；環(huán)境控制系統(tǒng)環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供應系統(tǒng)氣路供應系統(tǒng)流量控制器流量控制器排氣

7、系統(tǒng)排氣系統(tǒng)1.1. 電子控制反饋系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng)拉晶過程拉晶過程熔硅熔硅 將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化 ；注意事項：熔硅時間不易長；注意事項：熔硅時間不易長；引晶引晶 將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱“烤烤晶晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時可減少熱沖擊。當溫度穩(wěn)，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時可減少熱沖擊。當溫度穩(wěn)定時，可將籽晶與熔體接觸，籽晶向上拉，定時，可將籽晶與熔體接觸，籽晶向上拉， 控制溫度使熔體在籽晶上結(jié)晶；控制溫度使熔體在籽晶上結(jié)晶； 收頸收頸 指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶指在引晶后略為降低

8、溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶細的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯的延伸。頸一般要長于內(nèi)原有位錯的延伸。頸一般要長于20mm20mm。 放肩放肩 縮頸工藝完成后，略降低溫度（縮頸工藝完成后，略降低溫度（15-4015-40） ，讓晶體逐，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩放肩”。等徑生長等徑生長 當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。增大，稱為收肩。收肩后保

9、持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時要嚴格控制溫度和拉速。此時要嚴格控制溫度和拉速。收晶收晶 晶體生長所需長度后，升高熔體溫度或熔體溫度不變，晶體生長所需長度后，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。加快拉速，使晶體脫離熔體液面。硅片摻雜硅片摻雜目的：目的：使硅片具有一定電阻率使硅片具有一定電阻率 （比如：（比如： N/P型硅片型硅片 1-100 cm）分凝現(xiàn)象：分凝現(xiàn)象：由于雜質(zhì)在固體與液體中的溶解度不一樣，所以，雜由于雜質(zhì)在固體與液體中的溶解度不一樣，所以，雜 質(zhì)在固質(zhì)在固-液界面兩邊材料中分布的濃度是不同的，這就液界面兩邊材料中分布的濃度是不同的，這就 是所謂雜質(zhì)的分凝

10、現(xiàn)象。是所謂雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象。分凝系數(shù)分凝系數(shù): Cs 和和 Cl分別是固體和液體界面附近的平衡摻雜濃度分別是固體和液體界面附近的平衡摻雜濃度 一般情況下一般情況下k01，ke 1， 為了得到均勻的摻雜分布，為了得到均勻的摻雜分布， 可以通可以通 過較高的拉晶速率和較低的旋轉(zhuǎn)速率。過較高的拉晶速率和較低的旋轉(zhuǎn)速率。D: 熔液中摻雜的擴散系數(shù)熔液中摻雜的擴散系數(shù)直拉法生長單晶的特點直拉法生長單晶的特點優(yōu)點優(yōu)點：所生長單晶的直徑較大成本相對較低：所生長單晶的直徑較大成本相對較低; 通過熱場調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可較好通過熱場調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可較好 控制電阻率徑向均勻性。

11、控制電阻率徑向均勻性。缺點缺點：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響， 易引入氧碳雜質(zhì)，不易生長高電阻率單晶（含氧量通常易引入氧碳雜質(zhì)，不易生長高電阻率單晶（含氧量通常 10-40ppm)。二、懸浮區(qū)熔法（二、懸浮區(qū)熔法（float-zonefloat-zone，F(xiàn)ZFZ法）法）方法方法： 依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶SiSi與下方長出與下方長出 的單晶之間，通過熔區(qū)的移動而進行提純和生長單晶。的單晶之間，通過熔區(qū)的移動而進行提純和生長單晶。區(qū)熔晶體生長區(qū)熔晶體生長RF氣體入口 (惰性)熔融區(qū)可

12、移動RF線圈多晶棒 (硅)籽晶惰性氣體出口卡盤卡盤懸浮區(qū)熔法（懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）法）特點特點：可重復生長、提純單晶，單晶純度較：可重復生長、提純單晶，單晶純度較CZ法高；法高； 無需坩堝、石墨托，污染少；無需坩堝、石墨托，污染少； FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點缺點: 單晶直徑不及單晶直徑不及CZ法法 摻雜分布摻雜分布dxLSkAdxCdSed 0 假設多晶硅棒上的雜質(zhì)摻雜濃度為假設多晶硅棒上的雜質(zhì)摻雜濃度為C0（質(zhì)量濃度），（質(zhì)量濃度）， d為硅為硅的密度，的密度，S為熔融帶中雜質(zhì)的含量，那么當熔融帶移動為熔融帶中雜質(zhì)的含量，那么

13、當熔融帶移動dx距離時，距離時，熔融帶中雜質(zhì)的濃度變化熔融帶中雜質(zhì)的濃度變化dS為：為： LxkeseekCC/0)1 (1 區(qū)熔提純區(qū)熔提純 利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿錠長從一端緩慢地移動到另一端，重復多次（多次區(qū)熔）使雜錠長從一端緩慢地移動到另一端，重復多次（多次區(qū)熔）使雜質(zhì)被集中在尾部或頭部，進而達到使中部材料被提純。質(zhì)被集中在尾部或頭部，進而達到使中部材料被提純。一次區(qū)熔提純與直拉法后的雜質(zhì)濃度分布的比較（一次區(qū)熔提純與直拉法后的雜質(zhì)濃度分布的比較（K=0.01）單就一次提純的效果而言，直拉法的去雜質(zhì)效果好。單就

14、一次提純的效果而言，直拉法的去雜質(zhì)效果好。 多次區(qū)熔提純多次區(qū)熔提純晶體生長整型切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝硅片制備基本工藝步驟硅片制備基本工藝步驟硅片制備硅片制備1. 單晶生長單晶生長2. 單晶硅錠單晶硅錠3. 單晶去頭和徑向研磨單晶去頭和徑向研磨4. 定位邊研磨定位邊研磨5. 硅片切割硅片切割 6. 倒角倒角 7. 磨片磨片 8. 硅片刻蝕硅片刻蝕 9. 拋光拋光10. 硅片檢查硅片檢查磨料磨料拋光臺拋光臺磨頭磨頭多晶多晶籽晶籽晶加熱器加熱器坩堝坩堝晶面定向與晶面標識晶面定向與晶面標識 由于晶體具有各向異性，不同的晶向，物理化學性質(zhì)都不一樣，由于晶體具有各向異性，不同的晶向，物理化學性

15、質(zhì)都不一樣，必須按一定的晶向（或解理面）進行切割。必須按一定的晶向（或解理面）進行切割。 例如：例如： 雙極器件：雙極器件：111面；面； MOS器件：器件：100面。面。1主參考面（主定位面，主標志面）主參考面（主定位面，主標志面） 作為器件與晶體取向關系的參考；作為器件與晶體取向關系的參考； 作為機械設備自動加工定位的參考；作為機械設備自動加工定位的參考； 作為硅片裝架的接觸位置；作為硅片裝架的接觸位置；2. 次參考面（次定位面，次標志面）次參考面（次定位面，次標志面） 識別晶向和導電類型識別晶向和導電類型 ；3. 8 inch 以下硅片需要沿晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導電以下硅片需要沿

16、晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導電 類型。類型。硅片標識定位邊硅片標識定位邊 P-type (111)P-type (100)N-type (111)N-type (100)硅片定位槽和激光刻印硅片定位槽和激光刻印 1234567890定位槽定位槽 標識數(shù)字標識數(shù)字內(nèi)刃內(nèi)刃內(nèi)圓切割機內(nèi)圓切割機拋光的硅片邊緣拋光的硅片邊緣用于去除硅片表面損傷的化學刻蝕用于去除硅片表面損傷的化學刻蝕雙面硅片拋光雙面硅片拋光上拋光墊上拋光墊下拋光墊下拋光墊硅片硅片磨料磨料切片、磨片、拋光切片、磨片、拋光1切片切片 將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求 的

17、單晶薄片。的單晶薄片。 切片基本決定了晶片的晶向、厚度、平行度、翹度，切片切片基本決定了晶片的晶向、厚度、平行度、翹度，切片 損耗占損耗占1/3。2. 磨片磨片 目的：去除刀痕與凹凸不平；目的：去除刀痕與凹凸不平； 改善平整度；改善平整度； 使硅片厚度一致；使硅片厚度一致； 磨料：磨料： 要求要求其硬度大于硅片硬度。其硬度大于硅片硬度。 種類種類Al2O3、SiC、SiO2、MgO等等3. 拋光拋光 目的：進一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無目的：進一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無 損層的損層的“理想理想”表面。表面。 方法：機械拋光、化學拋光、化學機械拋光方法：機械拋光、化學拋

18、光、化學機械拋光晶體缺陷晶體缺陷缺陷的含義缺陷的含義：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構(gòu)發(fā)：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構(gòu)發(fā) 生偏差的區(qū)域。生偏差的區(qū)域。理想晶體理想晶體：格點嚴格按照空間點陣排列。：格點嚴格按照空間點陣排列。實際晶體實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷點缺陷點缺陷 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。寸都很小。線缺陷線缺陷 在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性

19、排列所產(chǎn)在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，分為刃型位錯和螺位錯。分為刃型位錯和螺位錯。刃型位錯刃型位錯:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插 入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯為刃型位錯。入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯為刃型位錯。螺位錯螺位錯:將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形的部分其中一側(cè)上移半層，

20、另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個類似于樓梯成一個類似于樓梯 拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時在拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時在“剪開線剪開線”終結(jié)終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯線）附近的原子面將發(fā)生畸處（這里已形成一條垂直紙面的位錯線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個螺位錯變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個螺位錯 面缺陷面缺陷 二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶、晶粒間界以及堆垛層錯。晶

21、粒間界以及堆垛層錯。孿晶：孿晶：是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面（即是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面（即特定取向關系）構(gòu)成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為特定取向關系）構(gòu)成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為“孿孿晶晶”，此公共晶面就稱孿晶面。，此公共晶面就稱孿晶面。晶粒間界晶粒間界：彼此沒有固定晶向關系的晶體之間的過渡區(qū)。：彼此沒有固定晶向關系的晶體之間的過渡區(qū)。 孿晶界孿晶界晶粒間界晶粒間界堆垛層錯堆垛層錯：是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復堆垛順序在某一層間出：是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復堆垛順序在某一層間出現(xiàn)了錯誤，從而導致的沿該層間平面（稱為層錯面）兩側(cè)附近原子現(xiàn)了錯誤，從而導致的沿該層間平面（稱為層錯面）兩側(cè)附近原子的錯誤排布的錯誤排布 。 體缺陷體缺陷 由