工藝-硅片制造

2024/1/25

P1/31集成電路工藝－硅片制備2023最新整理收集do

something2024/1/25

P2/311、體硅材料的制備2、SOI材料的制備分兩部分：2024/1/25

P3/31晶體結(jié)構(gòu)

單晶全域重復(fù)結(jié)構(gòu)多晶局域重復(fù)結(jié)構(gòu)非晶（無定形）完全不存在重復(fù)結(jié)構(gòu)2024/1/25

P4/31單晶結(jié)構(gòu)2024/1/25

P5/31多晶結(jié)構(gòu)GrainGrainBoundary2024/1/25

P6/31無定形（非晶）結(jié)構(gòu)2024/1/25

P7/31硅的金剛石結(jié)構(gòu)圖晶胞單晶硅單位結(jié)構(gòu)

原胞

2024/1/25

P8/31晶向xyz<100>planexyz<111>planexyz<110>plane2024/1/25

P9/31<100>晶面基本格點(diǎn)單胞基本格點(diǎn)原胞<111>晶面晶面格點(diǎn)2024/1/25

P10/31硅片表面腐蝕坑<111>plane<100>plane2024/1/25

P11/31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2024/1/25

P12/31層錯2024/1/25

P13/31為什么是硅?歷史的選擇儲量豐富，便宜,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，且很容易通過熱過程生長禁帶寬度大，工作溫度范圍寬電學(xué)和機(jī)械性能都非常奇異。2024/1/25

P14/31Source:http://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html2024/1/25

P15/31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)2024/1/25

P16/31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)2024/1/25

P17/31從沙子到硅片-30.5元/kg1000元/kgSiO2

(90-95%)多晶硅(99.99%)

單晶硅Wafer10000元/kg2024/1/25

P18/31

Heat(1700°C)SiO2

+

C

?

Si+CO2

SandCarbonMGSCarbonDioxide一、用炭從二氧化硅中還原出硅氣體液體2024/1/25

P19/31Si+HCl

TCS硅粉末MGS氯化氫Filters冷凝器提純室PureTCSwith99.9999999%反應(yīng)腔,300

C二、生成三氯硅烷（TCS）并提純Si＋HClSiHCl3

＋SiCl4

MGSTCSCondenser2024/1/25

P20/31

Heat(1100°C)SiHCl3+H2

?

Si+3HCl

TCSHydrogenEGSHydrochloride三、用氫從TCS中還原出硅（EGS）液態(tài)

TCSH2CarriergasbubblesH2andTCS工藝腔ChamberTCS+H2EGS+HClEGS2024/1/25

P21/31電子級硅Source:/semiconductors/_polysilicon.html2024/1/25

P22/31四、多晶硅轉(zhuǎn)變成單晶硅兩種主要方法：（1）直拉法（CZ）（2）區(qū)熔法（FZ）2024/1/25

P23/31

（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Heatingcoils1415°C熔化后的硅QuartzCrucibleGraphiteCrucible2024/1/25

P24/31CZ拉單晶圖示Source:/semiconductors/_crystalgrowing.html2024/1/25

P25/31（2）區(qū)熔法－FZMethod熱板多晶硅棒Rod單晶硅晶種熱板運(yùn)動熔化后的硅2024/1/25

P26/31兩種方法的比較CZ方法更普遍成本更低硅片尺寸更大

(300mm已可投入生產(chǎn))材料可重復(fù)使用FZ方法（FloatingZone)單晶純度更高

(無坩鍋)成本更高，硅片尺寸偏小

(150mm)主要用于功率器件2024/1/25

P27/31五：

掐頭去尾、

徑向打磨、

切面、

或者制槽2024/1/25

P28/31晶向指示標(biāo)記Flat,≤150mm平口Notch,

200mm槽口2024/1/25

P29/31六、硅片切割WaferSawingOrientationNotchCrystalIngotSawBladeDiamondCoatingCoolantIngotMovement2024/1/25

P30/31七、硅片倒角EdgeRounding硅片硅片運(yùn)動邊緣去角前的硅片邊緣去角后的硅片2024/1/25

P31/31八、拋光粗拋

傳統(tǒng)的,研磨式的,磨粉漿拋光目的在于移除大部分的表面損傷

形成平坦的表面2024/1/25

P32/31九、濕法腐蝕去除硅片表面的缺陷4:1:3比例混合物：HNO3(79wt%inH2O),HF(49wt%inH2O),andpureCH3COOH.化學(xué)反應(yīng):3Si+4HNO3+6HF

3H2SiF6+4NO+8H2O2024/1/25

P33/31十、化學(xué)機(jī)械拋光SlurryPolishingPadPressureWaferHolderWafer2024/1/25

P34/31200mm硅片厚度和表面粗糙度變化76mm914mm硅片切割后12.5mm814mm<2.5mm750mm725mmVirtuallyDefectFree拋光后腐蝕后CMP后2024/1/25

P35/31硅片參數(shù)WaferSize(mm)Thickness(mm)Area(cm

2

)

Weight(grams)27920.261.3238145.614.05100

(4in)52578.659.67125

(5in)625112.7217.87150

(6in)675176.7227.82200(8in)725314.1652.98300(12in)775706.21127.6250.8(2in)76.2(3

in)2024/1/25

P36/31十一外延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 EpiHydrochloride2024/1/25

P37/311、體硅材料的制備2、SOI材料的制備分兩部分：2024/1/25

P38/31從體硅襯底到SOI襯底

FromBulktoSilicon-On-Insulator(SOI)SOI技術(shù)：更好的器件隔離；速度更快；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CMOSSOICMOS2024/1/25

P39/31SOI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2024/1/25

P40/31SOI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2024/1/25

P41/31氧注入

SOI技術(shù)（SIMOX）

－Separationbyimplantionofoxygen工藝非常簡單，僅僅兩大步：（1）大劑量氧離子注入，和（2）高溫退火2024/1/25

P42/31SIMOX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2024/1/25

P43/31（1）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，Nc～1.4×1018/cm2。注入劑量小于Nc，通常不能形成連續(xù)的BOX。2024/1/25

P44/31（2）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：500～700C2024/1/25

P45/31（3）退火條件

退火通常在含有2％氧的氮?dú)庵羞M(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（T～300A，L～300－2000A）2024/1/25

P46/312024/1/25

P47/31鍵合SOI技術(shù)（WaferBonding）

分兩類：（1）鍵合＋腐蝕（BE－SOI）（2）氫注入＋鍵合（SmartCut）2024/1/25

P48/31（1）鍵合＋腐蝕（BE－SOI）BondingandEtch－Back2024/1/25

P49/31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(qiáng)鍵合強(qiáng)度。退火分3個階段。2024/1/25

P50/31

階段一（室溫～300C）：羥基團(tuán)（OH－）之間的氫鍵數(shù)量增加、鍵合面積和強(qiáng)度增加。階段二（300～800C）：氫鍵逐漸被Si－O－Si鍵代替，發(fā)生如下聚合反應(yīng)：（Si－OH）＋（HO－Si）＝（Si－O－Si）＋H2O400C

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（800C以上）：空洞因水蒸氣與硅反應(yīng)生成SiO2而逐漸消失，超過1000C以后，相鄰原子相互反應(yīng)形成共價鍵，鍵合完成。2024/1/25

P51/31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：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