晶圓詳細介紹

1、目錄 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(shù)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(chǎn)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英寸、5英寸、6英寸、8英寸等規(guī)格，近來發(fā)展出1

2、2英寸甚至研發(fā)更大規(guī)格（14英吋、15英吋、16英吋、20英吋以上等）。晶圓越大，同一圓片上可生產(chǎn)的IC就越多，可降低成本；但對材料技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)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(shù)，在生產(chǎn)晶圓的過程當中，良品率是很重要的條件。 2.01制造過程二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化并經(jīng)蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達99.999999999%，因在精密電子元件當中，硅晶圓需要有相當?shù)募兌?，不然會產(chǎn)生缺陷。晶圓制造廠再以柴可拉斯基法將此多晶硅熔解，再于溶液內(nèi)摻入一小粒的硅晶體晶種，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是

3、由一顆小晶粒在融熔態(tài)的硅原料中逐漸生成，此過程稱為“長晶”。 硅晶棒再經(jīng)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(jīng)過溶解、提純、蒸餾一系列措施制成單晶硅棒，單晶硅棒經(jīng)過切片、拋光之后，就成為了晶圓。晶圓經(jīng)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(chǎn)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

4、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晶圓直至完成并行銷其產(chǎn)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(nèi)存)、Hynix、美光科技（Micron）等則專于內(nèi)存產(chǎn)品。日月光半導體等則為晶圓產(chǎn)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Al2O3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

5、成SiO2 緩沖層，用來減小后續(xù)中Si3N4對晶圓的應力氧化技術(shù)：干法氧化Si(固)+O2 à SiO2(固)和濕法氧化Si(固)+2H2O à SiO2(固)+2H2。干法氧化通常用來形成，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SiO2膜較薄時，膜厚與時間成正比。SiO2膜變厚時，膜厚與時間的平方根成正比。因而，要形成較厚SiO2膜，需要較長的氧化時間。SiO2膜形成的速度取決于經(jīng)擴散穿過SiO2膜到達硅表面的O2及OH基等氧化劑的數(shù)量的多少。濕法氧化時，因在于OH基Si

6、O2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，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MOS二極管的電容特性求得。(100)面的Si的界面能級密

7、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值的主要因素。4.04熱CVD熱CVD(HotCVD)/(thermalCVD)此方法生產(chǎn)性高，梯狀敷層性佳(不管多凹凸不平，深孔中的表面亦產(chǎn)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

8、致密高純度物質(zhì)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 s

9、ilanc)和O2在750oC左右的高溫下反應生成的，后者即采用TEOS形成的SiO2膜具有臺階側(cè)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?qū)⒒旁诙栊詺怏w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(chǎn)生側(cè)面

10、腐蝕(sideetching)。光刻膠的涂敷是用轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)，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，

11、因此有良好的光刻膠，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(zhì)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(zhì)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(diào)整閥值電壓用的溝道摻雜， CMOS的阱形成及源漏區(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(zhì)在離子源中離子化， 然后將通過質(zhì)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 以消

12、除晶圓中晶格缺陷和內(nèi)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(chǎn)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(zhì)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。光刻技術(shù)和離子刻蝕技術(shù)利用光刻技術(shù)和離子刻

13、蝕技術(shù)，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(zhì)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(shù)，柵極結(jié)構(gòu)，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 PECVD 沉積一層無摻雜氧化層

14、，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(zhì)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(shù)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(jié)構(gòu)，并用PECVD 在上面沉積一層SiO2 介電質(zhì)。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(zhì)，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、半導體薄膜、金屬薄膜等各種各樣的薄

15、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(chǎn)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(chǎn)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(shù)。以PVD 被覆硬質(zhì)薄膜具有高強度，耐腐蝕

16、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(jié)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束磊晶生長（ MBE ： Mol

17、ecular 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(shù)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(zhì)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 ）等都是利用濺射法形成的。最常用的濺射法

18、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(cè)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50mm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(shù)定出 VIA 孔洞沉積第二層金屬，并刻蝕出連線結(jié)構(gòu)。然后，用 PECVD 法氧化層和氮化硅保護層。光刻和離子刻蝕定出 P