晶圓詳細介紹

1、1.01 晶圓2.01 制造過程3.01 著名晶圓廠商4.01 制造工藝4.02 表面清洗4.03 初次氧化4.04 熱 CVD4.05 熱處理4.06 除氮化硅4.07 離子注入4.08 退火處理4.09 去除氮化硅層4.10 去除 SIO2 層4.11 干法氧化法4.12 濕法氧化4.13 氧化4.14 形成源漏極4.15 沉積4.16 沉積摻雜硼磷的氧化層4.17 深處理5.01 專業(yè)術語1.01 晶圓晶圓（Wafer）是指硅半導體集成電路制作所用的硅芯片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓。晶圓是生產集成電路所用的載體，一般意義晶圓多指 單晶硅圓片。晶圓是最常用的半導體材料，按其直徑分為 4

2、英寸、5英寸、6 英寸、8英寸 等規(guī)格，近來發(fā)展出 12 英寸甚至研發(fā)更大規(guī)格（ 14 英寸、15 英寸、16 英 寸、20英寸以上等）。晶圓越大，同一圓片上可生產的IC就越多，可降 低成本；但對材料技術和生產技術的要求更高，例如均勻度等等的問題。一 般認為硅晶圓的直徑越大，代表著這座晶圓廠有更好的技術，在生產晶圓的 過程當中，良品率是很重要的條件。2.01 制造過程“長晶”。 硅晶棒再經過切片、研磨、拋光后，即成為集成電路工廠的 基本原料硅晶圓片，這就是“晶圓” 。很簡單的說，單晶硅圓片由普通硅砂拉制提煉，經過溶解、提純、蒸餾 一系列措施制成單晶硅棒，單晶硅棒經過切片、拋光之后，就成為了晶圓

3、。晶圓經多次光掩模處理，其中每一次的步驟包括感光劑涂布、曝光、 顯影、腐蝕、滲透、植入、刻蝕或蒸著等等，將其光掩模上的電路復制到層 層晶圓上，制成具有多層線路與元件的 IC 晶圓，再交由后段的測試、切割、 封裝廠，以制成實體的集成電路成品，從晶圓要加工成為產品需要專業(yè)精細 的分工。3.01 著名晶圓廠商 只制造硅晶圓基片的廠商例如合晶（臺灣股票代號： 6182）、中美晶（臺灣股票代號： 5483）、信 越化學等。晶圓制造廠著名晶圓代工廠有臺積電、聯(lián)華電子、格羅方德（ Global Fundries ） 及中芯國際等。英特爾（ Intel ）等公司則自行設計并制造自己的 IC 晶圓直 至完成并行

4、銷其產品。三星電子等則兼有晶圓代工及自制業(yè)務。南亞科技、 瑞晶科技 （ 現(xiàn)已并入美光科技，更名臺灣美光內存 ） 、 Hynix 、美光科技 （Micron ）等則專于內存產品。日月光半導體等則為晶圓產業(yè)后段的封裝、 測試廠商。4.01 制造工藝4.02 表面清洗晶圓表面附著大約2um的AI2O3和甘晶圓，油混合液保護層，在制作前 必須進行化學刻蝕和表面清洗。4.03 初次氧化由熱氧化法生成 SiO2 緩沖層，用來減小后續(xù)中 Si3N4 對晶圓的應力氧 化技術：干法氧化Si（固）+02 dSi02（固）和濕法氧化 Si（固）+2H2O aS i O2 （固） +2 H 2。干法氧化通常用來形成，

5、柵極二氧化硅膜，要求薄，界面能 級和固定電荷密度低的薄膜。干法氧化成膜速度慢于濕法。濕法氧化通常用 來形成作為器件隔離用的比較厚的二氧化硅膜。當Si02膜較薄時，膜厚與時間成正比。Si02膜變厚時，膜厚與時間的平方根成正比。因而，要形成較 厚Si02膜，需要較長的氧化時間。Si02膜形成的速度取決于經擴散穿過 Si02 膜到達硅表面的02及0H基等氧化劑的數(shù)量的多少。濕法氧化時，因在于0H 基 SiO2 膜中的擴散系數(shù)比 O2 的大。氧化反應， Si 表面向深層移動，距離 為 SiO2 膜厚的 0.44 倍。因此，不同厚度的 SiO2 膜，去除后的 Si 表面的深 度也不同。SiO2膜為透明，

6、通過光干涉來估計膜的厚度。這種干涉色的周期 約為200nm如果預告知道是幾次干涉，就能正確估計。對其他的透明薄膜， 如知道其折射率，也可用公式計算出 (dSiO2)/(dox)=(nox)/(nSiO2) 。 SiO2 膜很薄時，看不到干涉色，但可利用Si的疏水性和SiO2的親水性來判斷SiO2 膜是否存在。也可用干涉膜計或橢圓儀等測出。 SiO2 和 Si 界面能級密度和 固定電荷密度可由MOSX極管的電容特性求得。(100)面的Si的界面能級密 度最低，約為 10E+10- 10E+11/cm ?2.eV-1 數(shù)量級。 (100) 面時，氧化膜中 固定電荷較多，固定電荷密度的大小成為左右閾

7、值的主要因素。4.04 熱 CVD熱 CVD(HotCVD)/(thermalCVD)此方法生產性高，梯狀敷層性佳 ( 不管多凹凸不平，深孔中的表面亦產 生反應，及氣體可到達表面而附著薄膜 )等，故用途極廣。膜生成原理，例 如由揮發(fā)性金屬鹵化物(MX)及金屬有機化合物(MR)等在高溫中氣相化學反 應 ( 熱分解，氫還原、氧化、替換反應等 ) 在基板上形成氮化物、氧化物、碳 化物、硅化物、硼化物、高熔點金屬、金屬、半導體等薄膜方法。因只在高 溫下反應故用途被限制，但由于其可用領域中，則可得致密高純度物質膜， 且附著強度極強，若用心控制，則可得安定薄膜即可輕易制得觸須 (短纖維) 等，故其應用范圍

8、極廣。熱 CVD法也可分成常壓和低壓。低壓 CVD適用于同 時進行多片基片的處理，壓力一般控制在 0.25-2.0Torr 之間。作為柵電極 的多晶硅通常利用HCVD法將SiH4或Si2H。氣體熱分解(約650oC淀積而成。采用選擇氧化進行器件隔離時所使用的氮化硅薄膜也是用低壓CVD法,利用氨和SiH4或Si2H6反應面生成的，作為層間絕緣的SiO2薄膜是用SiH4 和 O2 在 400-4500oC 的 溫 度 下 形 成 SiH4+O2-SiO2+2H2 或 是 用 Si(OC2H5)4(TEOS:tetra ethoxy silanc)和 02在 750oC左右的高溫下反應生成的，后者即

9、采用TEOS成的SiO2膜具有臺階側面部被覆性能好的優(yōu)點。 前者，在淀積的同時導入 PH3 氣體，就形成磷硅玻璃( PSG： phosphor silicate glass )再導入 B2H6氣體就形成 BPSG(borro ? phosphor silicate glass) 膜。這兩種薄膜材料，高溫下的流動性好，廣泛用來作為表面平坦性 好的層間絕緣膜。4.05 熱處理在涂敷光刻膠之前， 將洗凈的基片表面涂上附著性增強劑或將基片放在 惰性氣體中進行熱處理。這樣處理是為了增加光刻膠與基片間的粘附能力， 防止顯影時光刻膠圖形的脫落以及防止?jié)穹ǜg時產生側面腐蝕 (sideetching) 。光刻

10、膠的涂敷是用轉速和旋轉時間可自由設定的甩膠機來 進行的。首先、用真空吸引法將基片吸在甩膠機的吸盤上，把具有一定粘度 的光刻膠滴在基片的表面，然后以設定的轉速和時間甩膠。由于離心力的作 用，光刻膠在基片表面均勻地展開，多余的光刻膠被甩掉，獲得一定厚度的 光刻膠膜，光刻膠的膜厚是由光刻膠的粘度和甩膠的轉速來控制。所謂光刻 膠，是對光、電子束或X線等敏感，具有在顯影液中溶解性的性質，同時具 有耐腐蝕性的材料。一般說來，正型膠的分辨率高，而負型膠具有感光度以 及和下層的粘接性能好等特點。光刻工藝精細圖形 (分辨率，清晰度 )，以及 與其他層的圖形有多高的位置吻合精度 (套刻精度)來決定， 因此有良好的

11、光 刻膠，還要有好的曝光系統(tǒng)。4.06 除氮化硅此處用干法氧化法將氮化硅去除4.07 離子注入離子布植將硼離子 (B+3) 透過 SiO2 膜注入襯底，形成 P 型阱離子注 入法是利用電場加速雜質離子，將其注入硅襯底中的方法。離子注入法的特 點是可以精密地控制擴散法難以得到的低濃度雜質分布。MOS電路制造中，器件隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截斷，調整閥值電壓用的溝道摻雜，CMOS勺阱形成及源漏區(qū)的形成，要采用離子注入法來摻雜。離子注入法通常是將欲 摻入半導體中的雜質在離子源中離子化， 然后將通過質量分析磁極后選定 了離子進行加速，注入基片中。4.08 退火處理去除光刻膠放高溫爐中進行退火處理

12、 以消除晶圓中晶格缺陷和內應 力，以恢復晶格的完整性。 使植入的摻雜原子擴散到替代位置， 產生電特性。4.09 去除氮化硅層用熱磷酸去除氮化硅層，摻雜磷 (P+5) 離子，形成 N 型阱，并使原先 的 SiO2 膜厚度增加，達到阻止下一步中 n 型雜質注入 P 型阱中。4.10 去除 SIO2 層退火處理，然后用 HF 去除 SiO2 層。4.11 干法氧化法干法氧化法生成一層SiO2層，然后LPCVD沉積一層氮化硅。此時P阱的表面因 SiO2 層的生長與刻蝕已低于 N 阱的表面水平面。這里的 SiO2 層 和氮化硅的作用與前面一樣。 接下來的步驟是為了隔離區(qū)和柵極與晶面之間 的隔離層。光刻技

13、術和離子刻蝕技術 利用光刻技術和離子刻蝕技術，保留下柵隔離層上面的氮化硅層。4.12 濕法氧化生長未有氮化硅保護的 SiO2 層，形成 PN 之間的隔離區(qū)。生成 SIO2 薄膜熱磷酸去除氮化硅，然后用 HF 溶液去除柵隔離層位置的 SiO2 ，并重 新生成品質更好的 SiO2 薄膜 , 作為柵極氧化層。4.13 氧化LPCVD沉積多晶硅層，然后涂敷光阻進行光刻，以及等離子蝕刻技術， 柵極結構，并氧化生成 SiO2 保護層。4.14 形成源漏極表面涂敷光阻，去除P阱區(qū)的光阻，注入砷(As)離子，形成NMOS的 源漏極。用同樣的方法，在 N阱區(qū)，注入B離子形成PMOS的源漏極。4.15 沉積利用P

14、ECVD沉積一層無摻雜氧化層，保護元件，并進行退火處理。4.16 沉積摻雜硼磷的氧化層含有硼磷雜質的 SiO2 層，有較低的熔點，硼磷氧化層 (BPSG) 加熱到800 oC 時會軟化并有流動特性，可使晶圓表面初級平坦化。4.17 深處理濺鍍第一層金屬利用光刻技術留出金屬接觸洞，濺鍍鈦 + 氮化鈦 + 鋁+ 氮化鈦等多層金屬膜。離子刻蝕出布線結構，并用PECVD在上面沉積一層SiO2介電質。并用SOG （spin on glass） 使表面平坦，加熱去除 SOG中的 溶劑。然后再沉積一層介電質，為沉積第二層金屬作準備。（1） 薄膜的沉積方法根據(jù)其用途的不同而不同，厚度通常小于1um 。有絕緣膜

15、、半導體薄膜、金屬薄膜等各種各樣的薄膜。薄膜的沉積法主要有 利用化學反應的 CVD（chemical vapor deposition） 法以及物理現(xiàn)象的 PVD（physical vapor deposition）法兩大類。CVD法有外延生長法、HCVD, PECVD等。PVD有濺射法和真空蒸發(fā)法。一般而言，PVD溫度低，沒有毒氣問題； CVD 溫度高，需達到 1000 oC 以上將氣體解離，來產生化學作用。 PVD沉積到材料表面的附著力較 CVD差一些，PVD適用于在光電產業(yè)，而 半導體制程中的金屬導電膜大多使用 PVD 來沉積，而其他絕緣膜則大多數(shù)采 用要求較嚴謹?shù)腃VD技術。以PVD被

16、覆硬質薄膜具有高強度，耐腐蝕等特 點。（2）真空蒸發(fā)法（ Evaporation Deposition ）采用電阻加熱或感應 加熱或者電子束等加熱法將原料蒸發(fā)淀積到基片上的一種常用的成膜方法。 蒸發(fā)原料的分子（或原子）的平均自由程長（ 10 -4 Pa 以下，達幾十米）， 所以在真空中幾乎不與其他分子碰撞可直接到達基片。 到達基片的原料分子 不具有表面移動的能量，立即凝結在基片的表面，所以，在具有臺階的表面 上以真空蒸發(fā)法淀積薄膜時，一般，表面被覆性（覆蓋程度）是不理想的。但若可將Crambo真空抽至超高真空（10 - 8 torr），并且控制電流，使得欲鍍物以一顆一顆原子蒸鍍上去即成所謂分子

17、束磊晶生長（MBE ：Molecular Beam Epitaxy ）。( 3) 濺鍍( Sputtering Deposition ) 所謂濺射是用高速粒子(如 氬離子等)撞擊固體表面，將固體表面的原子撞擊出來，利用這一現(xiàn)象來形 成薄膜的技術即讓等離子體中的離子加速，撞擊原料靶材，將撞擊出的靶材原子淀積到對 面的基片表面形成薄膜。濺射法與真空蒸發(fā)法相比有以下的特點：臺階部分 的被覆性好，可形成大面積的均質薄膜，形成的薄膜，可獲得和化合物靶材 同一成分的薄膜，可獲得絕緣薄膜和高熔點材料的薄膜，形成的薄膜和下層 材料具有良好的密接性能。因而，電極和布線用的鋁合金( Al-Si, Al-Si-Cu

18、 )等都是利用濺射法形成的。最常用的濺射法在平行平板電極間 接上高頻( 13.56MHz )電源，使氬氣(壓力為 1Pa )離子化，在靶材濺射 出來的原子淀積到放到另一側電極上的基片上。為提高成膜速度， 通常利 用磁場來增加離子的密度， 這種裝置稱為磁控濺射裝置( magnetron sputter apparatus )，以高電壓將通入惰性氬體游離，再藉由陰極電場加 速吸引帶正電的4004 的 50mr晶圓和 Core 2 Duo 的 300mm晶圓離子，撞擊在陰極處的靶材，將欲鍍物打出后沉積在基板上。一般均加 磁場方式增加電子的游離路徑，可增加氣體的解離率，若靶材為金屬，則使 用 DC 電場即可，若為非金屬則因靶材表面累積正電荷，導致往后的正離子 與之相斥而無法繼續(xù)吸引正離子，所以改為 RF 電場(因場的振蕩頻率變化 太快，使正離子跟不上變化， 而讓 RF-in 的地方呈現(xiàn)陰極效應) 即可解決問 題。光刻技術定出 VIA 孔洞PECVD法氧化層和氮沉積第二層金屬，并刻蝕出連線結構。然后，用 化硅保護層。光刻和離子刻蝕定出 PAD 位置。最后進行退火處理 以保證整個