學習微電子工藝chapter02of

Dr.DaoliZhangOffice:Room409WestBuilding7Voice:87542894Email:第2章加工環(huán)境和襯底制備TextbookandReferences學完本章之后，你應該能夠：定義極解釋合格率的重要性描述超凈室的基本布局圖解釋超凈室協(xié)議規(guī)范的重要性列出集成電路制備中四種基本操作方式列出至少六種在集成電路生產(chǎn)制備區(qū)間名稱解釋芯片封裝的目的描述標準的打線接合制備與覆晶接合制備目標(Objectives)從元素周期表上至少可以認出兩種半導體材料列出n型和p型的摻雜物描述一個二極管和一個MOS晶體管列出在半導體工業(yè)所制造的三種芯片列出至少四種芯片制造上必備的基本制程說明為何硅比其他半導體材料更被普遍及采用的兩個理由列出單晶硅所偏愛的兩種晶向列出從砂形成硅的基本步驟敘述CZ法和懸浮區(qū)法集成電路生產(chǎn)流程材料設(shè)計掩模版超凈室生產(chǎn)廠房測試

封裝最后測試加熱制備圖案轉(zhuǎn)移制備離子注入與光刻膠剝除金屬化化學機械拋光電介質(zhì)沉積晶圓刻蝕與光刻膠剝除生產(chǎn)廠房的成本生產(chǎn)廠房的成本非常高，八吋晶圓的生產(chǎn)廠房成本>$1B超凈室設(shè)備：每一項工具經(jīng)常>$1M材料：高純度，超高程度設(shè)施人員：培訓和薪酬概述微電子產(chǎn)業(yè)的特點之一：高次品率影響成品率的因素：硅片直徑、芯片尺寸、工藝成熟性、工藝步驟數(shù)以及晶體缺陷等。例：2英寸硅片，缺陷密度為D＝1/cm2加工10mm×10mm芯片，可加工數(shù)12，其中4個無缺陷，成品率33％；加工5mm×5mm芯片，可加工數(shù)57，其中41個無缺陷，成品率72％。晶圓合格率晶粒合格率封裝合格率總合格率YT=YWYDYC

總合格率可以決定一間生產(chǎn)工廠是賺錢還是賠錢生產(chǎn)廠房為何賺(賠)錢成本：晶圓(8”)：~$150/晶圓*處理：~$1200($2/晶圓/步驟，600步驟)封裝：~$5/芯片銷售:~200芯片/晶圓~$50/芯片(2000年的低端處理器)*晶圓成本，每片晶圓的芯片數(shù),以及芯片價格的變動,此處的數(shù)字是隨機一般獲得的信息生產(chǎn)工廠如何賺(賠)錢100%合格率：150=$2350/晶圓50%合格率：150+500=$1850/晶圓0%合格率：150=$1350/晶圓100%合格率：20050=$10,000/晶圓50%合格率：10050=$5,000/晶圓0%合格率：050=$0.00/晶圓100%合格率：10000-2350=$7650/晶圓50%合格率：5000-1850=$3150/wafer0%合格率：0-1350=$1350/晶圓成本:銷售:獲利空間:生產(chǎn)量可以生產(chǎn)的晶圓數(shù)量生產(chǎn)工廠：晶圓/月(典型值10,000)工具: 晶圓/小時(典型值60)高合格率，高產(chǎn)量Question：假如集成電路制造的每一道制備步驟的晶粒合格率都是99%，而且共有600道制備步驟，試問整體的晶粒合格率是多少?解答：相當于99%自乘600次0.99600=0.0024=0.24%幾乎沒有合格率可言!!縮小線寬，減小芯片面積：物理、技術(shù)＆成本的限制；致命缺陷數(shù)目增加。致命缺陷：位于器件關(guān)鍵部位并使器件產(chǎn)生致命性失效的缺陷。線寬減半，潛在危害的缺陷數(shù)目增加4～8倍降低缺陷密度：泊松模型：如芯片面積已知，根據(jù)泊松模型可計算出不同成品率所要求芯片的缺陷密度。例：芯片面積10cm2，成品率要求99％時，采用泊松模型計算的缺陷密度為：0.001個/cm2，意味著：三個12英寸(300mm)硅片上的致命缺陷數(shù)只允許有2個，這是非常高的潔凈度要求。提高成品率方法？缺陷：可能引起產(chǎn)品失效的任何事物。不完善的工藝控制、可靠性問題、微粒以及制造環(huán)境中其他類型污染物都是缺陷的來源。缺陷從哪里來？系統(tǒng)缺陷:工藝錯誤、設(shè)備故障、工藝能力的局限性、起始材料的不純和設(shè)計錯誤。隨機缺陷：保護膜上的針孔、顆粒在硅片上的粘附、金屬線的腐蝕等。缺陷在以下三個特定功能領(lǐng)域?qū)に囘^程和器件產(chǎn)生影響：器件工藝成品率、器件效能、器件可靠性成品率模型泊松模型(指數(shù)模型)：假設(shè)整個硅片缺陷密度均勻，且硅片之間完全相同。適用于低密度的中等集成電路。墨菲模型：廣泛應用的成品率預測模型。假設(shè)缺陷密度在硅片上和硅片之間都不相同，存在中央趨勢：中心缺陷密度低，邊緣缺陷密度高。是預測VLSI和ULSI成品率的優(yōu)秀模型。Seed模型：也假設(shè)硅片上和硅片之間存在不同缺陷變化，適用于VLSI和ULSI技術(shù)的硅片。成品率模型的有效性：成品率模型在模擬穩(wěn)定的制作工藝時有效，這意味著隨機缺陷造成的芯片失效是可以預測的。對于非隨機缺陷(如芯片設(shè)計的修改)造成的芯片失效，這些模型是無法預測的。成品率模型的適用性：微電子制造領(lǐng)域?qū)嶋H使用的成品率模型很多，它們大多適用于特定公司的產(chǎn)品和制作工藝。開發(fā)精確的成品率模型是很多公司正在進行的工作。成品率管理：微電子制造的一個重要目標是減少缺陷，加快成品率斜線上升的速度，提高日益復雜的微電子器件的成品率。每百分之一都有巨大價值百分之一成品率的價值是多少？假如整個制造廠的平均成品率是70％假如制造廠芯片總收入是6億美元成品率70％→71％意味著：多出1.4％的芯片，或每百分之一成品率的提升，增加840萬美元的收益為減少缺陷和提高成品率，必須促進缺陷來源的探測、控制、減少、消除和預防。合格率和晶粒尺寸Y=28/32=87.5%Y=2/6=33.3%致命缺陷晶圓產(chǎn)品示意晶粒切割道晶粒測試結(jié)構(gòu)晶圓產(chǎn)品示意微電子加工環(huán)境微電子加工環(huán)境是指微電子產(chǎn)品在加工過程中接觸的除單晶材料、能源及加工技術(shù)之外的一切物質(zhì)，如空氣、水、化學試劑、加工所用氣體、加工設(shè)備以及加工人員等。在高于ISO2級潔凈室中：裝卸片時操作引起的污染：30％操作者本人引起的污染：30％設(shè)備引起的污染：25％潔凈室引起的污染：10％其他引起的污染：5％污染物：微電子制造過程中引入硅片的任何危害芯片成品率及電學性能的不希望存在的物質(zhì)。包括微粒、金屬離子、化學物質(zhì)、細菌和靜電微粒：微粒污染是成品率損失的較大貢獻者，微粒大小要小于器件上最小特征尺寸的1/10每步每片上的顆粒數(shù)(PWP)：一道工序引入到硅片中的超過某一關(guān)鍵尺寸的顆粒數(shù)。顆粒檢測廣泛采用激光束掃描硅片表面以及檢測顆粒散射的光強位置來進行。金屬離子：可移動離子污染物(MIC)材料中以離子形態(tài)存在的金屬離子，在半導體材料中有很強的可移動性。對芯片的危害：即便器件通過了電性能測試并且運送出去，MIC仍可在器件中移動，影響電學性能和長期可靠性。MIC問題在MOS器件中表現(xiàn)最為嚴重，會造成：氧化物-多晶硅柵結(jié)構(gòu)性缺陷、pn結(jié)漏電流增加、少數(shù)載流子壽命減少、閾值電壓改變金屬離子中，Na最常見、移動性最強，是控制的首要目標，必須≤1010atoms/cm2金屬離子的來源：

化學溶液：存在于絕大部分化學物質(zhì)中。

微電子制造的各工序：離子注入造成的金屬離子污染，在1012~1013atoms/cm2

之間?；瘜W品與傳輸管道和容器的反應：一氧化碳能與不銹鋼中的鎳、墊圈以及氣體傳輸系統(tǒng)中的其它元件反應，生成鎳的四羰基化物顆粒，分布在硅片表面。附著在硅片上的途徑：與硅片表面的氫原子發(fā)生電荷交換而被束縛在硅片表面。這類金屬雜質(zhì)很難消除。

硅片表面氧化時，金屬雜質(zhì)進入氧化層內(nèi)?；瘜W物質(zhì)：工藝過程中所用到的化學試劑和水可能受到對芯片工藝產(chǎn)生影響的痕量物質(zhì)的污染。它們可能導致晶片表面受到不需要的刻蝕，在器件表面生成無法去除的化合物，或者引起不均勻的工藝過程，是微電子工藝領(lǐng)域第三大主要污染物。細菌：在水的系統(tǒng)中或不定期清洗的表面生成的有機物。它一旦在器件上形成，會成為顆粒狀污染物或給器件表面引入不希望見到的金屬離子。靜電：靜電釋放(ESD)也是一種污染，靜電荷在兩物體間未經(jīng)控制地傳遞，可能損壞芯片。更重要的是，電荷積累產(chǎn)生的電場會吸引帶電顆粒或極化并將中性顆粒吸引到硅片表面。掩模版上微粒污染效應掩模版上的微粒正光刻膠上的殘留物負光刻膠上的洞孔薄膜薄膜基片基片微粒污染效應局部注入的接面微粒離子束光刻膠屏蔽氧化層光刻膠中的摻雜物污染控制：實際上，工藝過程中任何與產(chǎn)品接觸的物質(zhì)都是潛在污染源。主要有：空氣、工藝使用水、工藝化學試劑、工藝氣體、生產(chǎn)設(shè)備、凈室人員每種污染源產(chǎn)生特殊類型和級別的污染，需要對其進行特殊控制以滿足工藝要求。潔凈技術(shù)概述潔凈技術(shù)是指微電子技術(shù)中的環(huán)境凈化技術(shù)；目前世界各國有許多自訂的標準，但是最著名的潔凈室(CleanRoom)標準是美國聯(lián)邦標準FS209?？諝猓浩胀諝庵泻性S多污染物，必須經(jīng)過處理才能進入微電子加工環(huán)境。空氣潔凈度：潔凈環(huán)境中空氣含懸浮粒子量的多少程度,以每立方米空氣中的最大允許粒子數(shù)來確定。潔凈度標準：a.以單位體積空氣中大于等于規(guī)定粒徑的粒子個數(shù)直接命名或以符號命名；b.以單位體積空氣中大于等于規(guī)定粒徑的2.08個粒子數(shù)的對數(shù)值命名。式中：Cn－空氣含懸浮粒子最大允許濃度，pc/m3；N－分級序數(shù)，≤9，±0.1；D－被考慮粒徑，μm。209D209E209E和209D等最大之不同點在于209E表示單位增加了公制單位，即潔凈室等級以“M”字頭表示，如M1、M1.5、M2、M2.5、M3......依此類推，其目的在于配合國際公制單位之標準化。M字母后之阿拉伯數(shù)目字是以每立方公尺中≧0.5um之微塵粒子數(shù)目字以10的冪次方表示，而取指數(shù)為之；若微塵粒子數(shù)介于前后二者完全冪次方之間(即非整數(shù)，則以1.5、2.5、或3.5......等表示之?？諝鉂崈舳让绹?lián)邦標準世界各國潔凈度等級規(guī)格表空氣中的污染源主要包括：大氣塵和細菌大氣塵：主要指大氣中的懸浮微粒，粒徑小于10微米，包括固態(tài)微粒和液態(tài)微粒。細菌：一般都附著于塵粒上面，在超凈室環(huán)境中，其等效直徑一般取為1－5微米。超凈室低微粒數(shù)的人造環(huán)境最初的超凈室是為了醫(yī)院手術(shù)房而建的1950年之后半導體工業(yè)采用本項技術(shù)圖形尺寸越小，超凈室需要的純凈度越高微粒數(shù)越少，造價越高微粒是合格率的殺手

集成電路制造必須在超凈室中進行超凈室(cleanroom):泛指集成電路和其它微電子器件制造的生產(chǎn)車間，準確地講，是指集成電路和其它微電子器件管芯加工的區(qū)間。

嚴格控制集成電路和其它微電子器件管芯加工空間室內(nèi)的潔凈度，目的是限制集成電路和其它微電子器件管芯制造過程中可能受到的污染。超凈室(cleanroom)：1、屋頂：復雜的封閉式結(jié)構(gòu)，有兩種類型：a.軋制鋁支架加現(xiàn)場制作的靜壓箱/風道；b.預制的整體式靜壓箱/風道加支架。終端過濾和照明均安裝其上。2、墻：通常為預制模塊化設(shè)計。由軋制鋁框架構(gòu)件及內(nèi)部為蜂窩結(jié)構(gòu)的鋁板組成，其表面涂覆陽極化拋光層或環(huán)氧樹脂層。不產(chǎn)生塵埃，具有很低的氣體釋放特性。初始投資額較大。3、地板：開孔混凝土＋網(wǎng)格高架地板＋側(cè)回風格柵＋ESD級環(huán)氧樹脂涂層。4、空調(diào)：排風、新風，溫度、濕度。簡單的潔凈室操作規(guī)程只有經(jīng)過授權(quán)的人員方可進入潔凈室，沒有接受過嚴格培訓的不得入內(nèi)(潔凈室管理者有最后決定權(quán))只把必需物品帶入；禁止化妝品、香煙、手帕、衛(wèi)生紙、食品飲料、糖果、木質(zhì)/自動鉛筆或鋼筆、香水、手表、珠寶、磁帶機、電話、攝像機、錄音筆、香口膠、梳子、非潔凈室允許的紙張等在潔凈室中所有時間內(nèi)保持超凈服閉合；不要把任何非超凈服裝暴露于潔凈室內(nèi)。不要讓皮膚的任何部分接觸超凈服外的部分始終確保所有的頭部和面部頭發(fā)被包裹起來，不要暴露臉上和頭部的頭發(fā)遵守進入潔凈室的程序，如風淋和鞋清潔器；不要在所有程序完成之前開啟任何一道通往潔凈室的門緩慢移動；不要群聚或快速移動超凈室等級等級10：每立方英尺內(nèi)其直徑大于0.5微米的微粒數(shù)目必須小于10顆等級1：每立方英尺內(nèi)其直徑大于0.5微米的微粒數(shù)目必須小于1顆0.18μm組件需要高于等級1以上的超凈室0.1110100100010000100000Class100,000Class10,000Class1,000Class100Class10Class1微?？倲?shù)/立方英尺0.11.010以微米為單位的微粒尺寸ClassM-1超凈室結(jié)構(gòu)制備區(qū)設(shè)備區(qū)1000級設(shè)備區(qū)1000級孔狀框型高架地板回風HEPA過濾網(wǎng)風扇幫浦、電力供應系統(tǒng)制備工具制備工具補充空氣補充空氣1級微粒最少環(huán)境等級1000的超凈室，較低的成本董事長會議室的安排方式，制備和設(shè)備之間無墻面阻隔在晶圓和制備工具的周圍環(huán)境較等級1佳制備工具間晶圓轉(zhuǎn)移自動化微粒最少環(huán)境的超凈室設(shè)備區(qū)1000級設(shè)備區(qū)1000級孔狀框型高架地板回風HEPA過濾網(wǎng)風扇幫浦、電力供應系統(tǒng)制備工具補充空氣補充空氣制備工具HEPA過濾網(wǎng)<1級更衣區(qū)無塵衣掛架長椅手套、發(fā)套和鞋套架棄物箱刷洗/清潔位置儲物區(qū)手套架手套架入口往超凈室傳統(tǒng)潔凈室的問題技術(shù)：由于制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前集成度越來越高、特征尺寸已進入納米尺度，硅片直徑也開始向400mm發(fā)展，這樣就提出了新的目標，即所謂“零污染”。傳統(tǒng)的潔凈室技術(shù)已很難進一步滿足日益發(fā)展的制造工藝的環(huán)境要求。成本：面對越來越高的潔凈度要求，傳統(tǒng)潔凈室系統(tǒng)即使技術(shù)上能滿足要求，高昂的造價和運行費用對成本的影響也非常大。傳統(tǒng)潔凈廠房的投資費用一般不少于總投資的25%。微環(huán)境技術(shù)和微環(huán)境系統(tǒng)：微環(huán)境技術(shù)由隔離技術(shù)和微環(huán)境潔凈技術(shù)兩部份組成，二者有很強的依存關(guān)系。硅片隔離技術(shù)：加工過程中使硅片與廠房環(huán)境和操作人員實行徹底的隔離，根本解決人在接觸/靠近硅片過程中造成硅片損傷、污染、成品率下降的問題。隔離技術(shù)由四個基本區(qū)域組成：a.生產(chǎn)中各工序需要最高潔凈度的空間。b.阻止污染進入最高潔凈度空間的技術(shù)和產(chǎn)品。c.生產(chǎn)過程中產(chǎn)品進入隔離空間以及在不同潔凈度環(huán)境之間的運送技術(shù)和系統(tǒng)。d.適應生產(chǎn)中工藝布局更改和設(shè)備更新的、無危害性后果的拆分和重建隔離環(huán)境的技術(shù)。微環(huán)境系統(tǒng)：與污染源隔離開來并有一定潔凈度要求的工藝區(qū)?？梢允前_工藝設(shè)備的區(qū)域，也可以是僅僅包含工藝設(shè)備中某一部份的區(qū)域。典型的微環(huán)境系統(tǒng)一般由標準機械接口(SMIF)系統(tǒng)和靈敏跟蹤系統(tǒng)(STS)組成，作為一種標準方式在超潔凈的隔離條件下將硅片與工藝設(shè)備相接合。SMIF系統(tǒng)：

SMIF容器(

SMIFPod)

SMIF導引器(

SMIFIndex)

SMIF裝卸器(

SMIFLoader)

SMIF機械手(

SMIFArm)

SMIF圍護(

SMIFEl)與傳統(tǒng)的潔凈室概念不同的是，采用SMIF微環(huán)境技術(shù)不是通過將工藝設(shè)備置于要求級別的潔凈環(huán)境中，而是將要求級別的潔凈環(huán)境置于工藝設(shè)備中，從而帶來了許多優(yōu)點：能確保關(guān)鍵部位工藝的高潔凈度環(huán)境，從而確保高成品率；適應產(chǎn)品變換所要求的工藝變更，具有高靈活性；能大大降低微環(huán)境外部的潔凈度等級要求，降低了運行成本；也降低了對潔凈室工作人員的凈化要求等。微環(huán)境系統(tǒng)與傳統(tǒng)潔凈室的比較根本解決人在接觸/靠近硅片過程中造成硅片損傷、污染、成品率下降的問題；大大降低投資費用；建造速度快。在對現(xiàn)有生產(chǎn)線的改造方面更有優(yōu)勢；在工藝變動上有更大靈活性；大大降低運行費用。設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備是微電子制造過程中最大的顆粒來源。工藝設(shè)備造成顆粒污染的原因很多，例如：剝落的反應副產(chǎn)物積累在腔壁上

自動化的硅片裝卸和傳送機械操作，如旋轉(zhuǎn)手柄和開關(guān)閥門真空環(huán)境的抽取和排放清洗和維護解決辦法：綜合連續(xù)加工(ISP：IntegratedSequentialProcess)/組合設(shè)備(ClusterTool)設(shè)備本身控制污染超純水：是指雜質(zhì)含量極低的水，主要用于晶片、石英器皿、工裝夾具等的清洗以及化學試劑的配制。一般要求懸浮顆粒直徑在0.45μm以下，細菌數(shù)在0-10個/mL，25℃時電阻率在10MΩ·cm以上。衡量水的指標有：顆粒、總有機碳(TOC)、Si/SiO2、溶解氧(DO)、電阻率等。超純水的制備方法主要有：離子交換法、反滲透法和電滲透法等。超純?nèi)ルx子水不允許有的污染物包括：溶解離子：Na、K等容易形成離子的礦物質(zhì)；有機物質(zhì)：稱為有機碳總量(TOC)，溶解在水中的含碳化合物的總和。有機玷污對氧化層生長具有破壞性作用；細菌：水中的細菌帶來自然氧化層、多晶硅和金屬導體層的缺陷。某些含磷細菌能引起不受控制的摻雜；硅土：細碎的懸浮顆粒，可能淤塞凈化設(shè)備的過濾裝置，并降低生長氧化物的可靠性；溶解氧：導致自然氧化層或引起硅片表面的不完全濕潤。一條200mm工藝線中，制造每個硅片的超純水消耗量超過2000加侖。1英國加侖等于4.5459711330833升氣體：通常分為兩類—常用氣體和特殊氣體。a.常用氣體：氧氣、氫氣、氮氣、氬氣和氦氣(惰性、氧化性和還原性)，純度要求≥99.99999％，有害雜質(zhì)含量10-6

量級。一般被存儲在制造廠外的大型存儲罐或大型管式拖車內(nèi)，通過批量氣體配送(BGD)系統(tǒng)輸送到生產(chǎn)車間?；蛘攥F(xiàn)場制氣。BGD系統(tǒng)集中控制氣體的優(yōu)點是：可靠且穩(wěn)定氣體供應減少雜質(zhì)微粒的污染源減少供應中的人為因素b.特殊氣體：氫化物、氟化物、酸性氣體等，許多必需原料的來源。氨氣(NH3)易燃，腐蝕，低毒

擴散，LPCVD，PECVD氟里昂14(CF4)惰性

刻蝕，鍍膜，等離子刻蝕氟里昂23(CH3F)易燃

刻蝕氪/氖(Kr/Ne)惰性

平板印刷，激光氣溴化氫(HBr)腐蝕，有毒

刻蝕三氟化氮(NF3)氧化劑，低毒

刻蝕，鍍膜一氧化二氮(N2O)氧化劑

擴散，鍍膜，形成氮化硅層硅烷(SiH4)自燃，可燃LPCVD，PECVD六氟化鎢(WF6)腐蝕，有毒LPCVD鎢純度要求≥99.99％，有害雜質(zhì)含量10-6量級，雜質(zhì)微?？刂圃?.1μm之內(nèi)，其它需要控制的污染物是氧、水分和痕量雜質(zhì)(如金屬)。特種氣體系統(tǒng)：出于消除安全隱患、減少玷污、節(jié)約成本、減少環(huán)境污染等方面的考慮，特種氣體一般通過管道、現(xiàn)場制氣或深冷儲罐來輸送。c.超純氣體：一般指純度在99.9999%以上的氣體。在微電子工藝中最常用的氣體是：氧氣O2、氮氣N2、氫氣H2和氬氣Ar。超純氣體在使用前，還需要進一步提純?；瘜W試劑化學試劑的純度分為：化學純、分析純、電子純、MOS級、BV-Ⅰ級、BV-Ⅱ級和BV-Ⅲ級等。而用于超大規(guī)模集成電路中的化學試劑純度一般要求在電子純以上電性雜質(zhì)含量極低，≤10-9量級。微電子工藝用化學品清洗工藝材料及化學品微粒NH4OH/H2O2金屬雜質(zhì)H2SO4/H2O2,HCl/H2O2/H2OHNO3/HF/H2O有機物H2SO4/H2O2NH4OH/H2O2/H2O氧化層HF/H2O干燥IPA光刻工藝材料及化學品曝光光刻膠(G線、I線、深紫外光刻膠)顯影顯影液刻蝕工藝材料及化學品SiO2HF,HF/NH4N(BHF)系Si，非晶硅HF/HNO3/CH3COOH系Si3N4H3PO4AlH3PO4/HNO3/CH3COOH系化學氣相沉積工藝材料及化學品介電前驅(qū)體TEOS,TMPI,TMB,TDEAT,TAETO,DMAH,TDMAT,Ba1-xSrxO3前驅(qū)體金屬前驅(qū)體Cu、Al、Ti的前驅(qū)體平坦化工藝材料及化學品SOG硅酸鹽、硅氧烷TEOSCMP介電膜SiO2Slurry,PUPad,carrierFilm金屬膜Al2O3Slurry,PUPad,carrierFilm集成電路制備流程圖光刻技術(shù)薄膜生長、沉積，和(或)化學機械拋光刻蝕光刻膠剝除光刻膠剝除離子注入快速高溫退火或擴散半導體生產(chǎn)工廠的平面圖制備區(qū)間更衣區(qū)走道設(shè)備區(qū)拉門服務區(qū)半導體生產(chǎn)工廠基本平面圖更衣區(qū)緊急出口服務區(qū)制備和度量工具濕式制備干燥刻蝕、光刻膠涂布或清洗沖洗中心帶區(qū)平帶區(qū)距離溫度加熱線圈石英管氣流晶圓水平爐管垂直爐管制備反應室晶圓塔狀承座加熱器軌道步進機整合示意圖加熱平臺底層涂布反應室冷卻平臺冷卻平臺自旋涂布站顯影站步進機晶圓移動方向晶圓具備刻蝕和光刻膠剝除反應室的集群工具轉(zhuǎn)換室光刻膠剝除反應室裝載站刻蝕反應室光刻膠剝除反應室刻蝕反應室卸除站機械手臂具備電介質(zhì)化學氣相沉積(CVD)及回刻蝕反應室的集群工具轉(zhuǎn)換室裝載站PECVD反應室O3-TOES反應室卸除站機械手臂Ar離子濺射室具有氣相沉積(PVD)反應室的集群工具轉(zhuǎn)換室裝載站Ti/TiN反應室AlCu反應室卸除站機械手臂AlCu反應室Ti/TiN反應室干進、干出多拋光頭的化學機械拋光(CMP)系統(tǒng)晶圓裝載及等待位置CMP后段清潔位置清洗位置干燥及晶圓卸除位置多拋光頭拋光機拋光襯墊清潔機臺拋光頭制備區(qū)和設(shè)備區(qū)制備區(qū)設(shè)備區(qū)設(shè)備區(qū)制備工具計算機桌與測量工具桌服務區(qū)拉門晶圓裝載門測試結(jié)果失效晶粒芯片接合結(jié)構(gòu)硅芯片芯片背面金屬化焊接材料基片金屬化基片(金屬或陶瓷)微電子組件和電路融熔及凝固打線接合制備金屬線形成融熔金屬球接合墊片接合墊片接合墊片緊壓使之連結(jié)接合墊片打線頭退返線夾打線接合制備引線接合墊片接合墊片引線施壓及加熱使金屬線連結(jié)引線線夾閉合加熱以截斷金屬線帶有接合墊片的集成電路芯片接合墊片IC芯片封裝引線端芯片接合墊片具有金屬凸塊的集成電路芯片凸塊覆晶封裝芯片凸塊插座引線端凸塊接觸芯片凸塊插座引線端加熱和凸塊融熔芯片凸塊插座引線端覆晶封裝技術(shù)芯片插座引線端塑料封裝的封膠空腔截面圖接合線IC芯片腳架Pins芯片接合金屬化頂部凹槽底部凹槽封膠空腔陶瓷封裝陶瓷覆蓋層接合線IC芯片引線架，第1層引線端覆蓋層密封金屬化芯片接合金屬化第2層第2層基本器件電阻器電容器二極管雙極型晶體管金氧半場效晶體管電阻器lhwrr：電阻率通常用多晶硅制作IC芯片上的電阻器電阻的高低取決于長度、線寬、結(jié)深和摻雜濃度hkldk：電介質(zhì)常數(shù)電容器電荷儲存器件存儲器件，如DRAM挑戰(zhàn)：在維持相同電容量的條件下降低電容的尺寸高-k

介質(zhì)材料電容器多晶硅1多晶硅2氧化層多晶硅1多晶硅2介質(zhì)層介質(zhì)層重摻雜硅平行板堆棧深溝槽式多晶硅硅金屬間互連與RC時間延遲I金屬，r電介質(zhì)，kdwl二極管P-N結(jié)僅準許電流在正向偏壓時候通過PN++++++++++----------過渡區(qū)(耗盡區(qū))V0VpVn內(nèi)電壓硅V0~0.7V二極管的I-V曲線雙極型晶體管PNP或NPN結(jié)當作開關(guān)使用放大器模擬電路快速、高功率器件NPN和PNP晶體管NNPEBCPPNEBCNPN雙極型晶體管N型外延層pn+電子流n+n+

深埋層p+p+SiO2Al?Cu?Si基極集極射極P型硅n+

深埋層n型外延層pp場氧化層場氧化層CVD氧化層CVD氧化層n+CVD氧化層多晶硅集極射極基極金屬n+場氧化層側(cè)壁基極接觸式NPN雙極型晶體管P型硅金屬氧化半導體晶體管金屬氧化半導體也稱作金氧半場效晶體管(MOSFET)簡單對稱的結(jié)構(gòu)可做為開關(guān)，有助于發(fā)展數(shù)字邏輯電路在半導體工業(yè)中被廣泛使用NMOS器件基本結(jié)構(gòu)VGVD接地n+金屬柵極源極漏極n+VDVG氧化層P型硅NMOS器件+金屬柵極SiO2源極漏極n+VD>0VG>VT>0+++++++-------電子流正電荷負電荷沒有電流n+SiO2源極漏極n+VDVG=0nP型硅P型硅PMOS器件+金屬柵極SiO2源極漏極p+VD>0VG<VT<0+++++++-------空穴電流正電荷負電荷沒有電流p+SiO2源極漏極p+VDVG=0pN型硅N型硅金氧半場效晶體管MOSFET和飲水機(DrinkingFountain)MOSFET源極，漏極，柵極源極/漏極偏壓柵極加上偏壓做為開(關(guān))電流從源極流到集極飲水機

源，漏，柵閥受壓力作用的源閥對柵閥加壓(按鈕)做為開(關(guān))水流從源極流到集極基本電路BipolarPMOSNMOSCMOSBiCMOS不同基片的器件雙極型金氧半場效晶體管雙極型互補型金氧半晶體管硅砷化鎵：可制作頻率達20GHz的器件發(fā)光二極管(LED)化合物雙極型：高速器件鍺主導IC工業(yè)半導體產(chǎn)品的市場占有率金屬半場效晶體管100%50%198019902000化合物半導體雙極型晶體管88%8%4%雙極型集成電路最早的IC芯片1961，四個雙極型晶體管，$150.00市占率快速下降在模擬系統(tǒng)和電源供應器件仍在使用電視，放映機，手機等.PMOS第一個金氧半場效晶體管，19601960年代用在數(shù)字邏輯器件在1970年代中期代替NMOSNMOS較PMOS快1970到1980年代用在數(shù)字邏輯器件電子表以及手持式電子計算器1980年代被CMOS取代CMOS1980年代刊開始被廣泛用在IC芯片的電路中低消耗功率具溫度的高穩(wěn)定性較高的抗噪聲能力對稱式設(shè)計VinVoutVddVssPMOSNMOSCMOS反相器CMOSICP型硅USGN型硅BulkSi多晶硅STIn+

源極/漏極p+源極/漏極氧化物柵BICMOS結(jié)合CMOS和雙極型電路主要發(fā)展在1990年代CMOS做為邏輯電路雙極型做為輸出入器件速度比CMOS快高功率消耗當IC電力的供應降到1伏特以下就會喪失應用性IC芯片組內(nèi)存微處理器

特殊應用的集成電路(ASIC)記憶芯片組以電荷形式的儲存器件揮發(fā)性內(nèi)存動態(tài)隨機存儲器(DRAM)靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)非揮發(fā)性內(nèi)存

可抹除編程只讀存儲器(EPROM)閃存(FLASH)基本DRAM內(nèi)存單元字符線位線VddNMOS電容DRAM計算機和電子儀器的主要儲存器件是IC制程發(fā)展的主要驅(qū)動力一個晶體管和一個電容SRAM做為計算機的貯藏式內(nèi)存來儲存最常用的指令由六個晶體管器件組成速度比DRAM快制程更復雜、價格更昂貴EPROM非揮發(fā)式內(nèi)存需要電力來保存資料利用計算機偏壓的記憶裝置貯藏開機用的指令懸浮柵極用紫外線來清除芯片記憶EPROMn+柵氧化層源極漏極n+VDVG多晶硅1多晶硅2多晶硅間電介質(zhì)可透過UV光線的鈍化電介質(zhì)懸浮柵極控制柵極P型硅EPROM寫入步驟n+柵氧化層源極漏極n+多晶硅2多晶硅間電介質(zhì)可透過UV光線的鈍化電介質(zhì)VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-電子注入懸浮柵極控制柵極P型硅EPROM刪除步驟n+柵氧化層源極漏極p-Sin+多晶硅2多晶硅間電介質(zhì)可透過UV光線的鈍化電介質(zhì)VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-電子穿隧懸浮柵極控制柵極紫外光IC制程摘要

IC生產(chǎn)工廠

添加制程

移除制程

加熱制程圖案化制程

離子注入

擴散

生長薄膜，SiO

沉積薄膜

晶圓清洗

刻蝕

化學機械研磨

退火

再流動

合金化

光刻技術(shù)

CVD

PVD

電鍍

圖案化刻蝕(RIE)剝除全區(qū)刻蝕

電介質(zhì)

金屬

外延，多晶硅

電介質(zhì)

金屬光刻膠涂布(添加)烘烤(加熱及移除)

顯影(移除)金屬氧化物

離子注入

曝光(加熱)

基本雙極型晶體管制程深埋層摻雜外延硅生長絕緣區(qū)和晶體管摻雜連接導線鈍化保護植入深埋層P型硅SiO2n+外延硅生長

n+深埋層N型外延層P型硅植入絕緣區(qū)p+p+N型外延層P型硅

n+深埋層植入射極、集極和基極p+p+pn+n+P型硅N型外延層

n+深埋層沉積金屬層p+p+射極基極集極SiO2Al?Cu?Sip+n+nP型硅N型外延層

n+深埋層鈍化保護的氧化沉積射極基極集極Al?Cu?SiCVD\氧化層SiO2p+p+N型外延p+n+nP型硅

n+深埋層MOSFET有助于數(shù)字電子的發(fā)展主要的驅(qū)動力：手表計算器個人計算機網(wǎng)際網(wǎng)路電信1960s：PMOS制程雙極型晶體管為主第一顆MOSFET在貝爾實驗室制造硅基片摻雜擴散硼在硅中的擴散速度較快PMOSPMOS的制程流程(1960s)晶圓清洗(R)刻蝕氧化層(R)場區(qū)氧化(A)剝除光刻膠(R)掩模版1.(源極/漏極)(P)鋁沉積(A)刻蝕氧化層(R)掩模版4.(金屬)(P)光刻膠剝除/清洗(R)刻蝕鋁(R)S/D擴散(硼/氧化反應)(A)剝除光刻膠(R)掩模版2.(柵極)(P)金屬退火(H)刻蝕氧化層(R)CVD氧化層(A)光刻膠剝除/清洗(R)掩模版5.(接合墊區(qū))(P)柵極氧化(A)刻蝕氧化層(R)掩模版3.(接觸窗)(P)測試和封裝晶圓清洗、場區(qū)氧化及光刻膠涂布N-型硅原生氧化層N-型硅N-型硅場氧化層N-型硅底漆層光刻膠t場氧化層光刻技術(shù)和刻蝕N-型硅源極/漏極掩模版光刻膠場氧化層N-型硅源極/漏極掩模版光刻膠紫外光N-型硅光刻膠場氧化層N-型硅光刻膠場氧化層源極/漏極摻雜極柵極氧化N型硅場氧化層N型硅p+p+場氧化層N型硅p+p+場氧化層N型硅p+p+柵氧化層場氧化層接觸窗孔，金屬化和鈍化N型硅p+p+柵氧化層場氧化層N型硅p+p+柵氧化層場氧化層Al?SiN型硅p+柵氧化層場氧化層p+柵氧化層

N型硅CVD覆蓋氧化物PMOS的說明N型硅柵氧化層CVD覆蓋氧化層p+p+1970年代中期之后的NMOS制程摻雜：離子注入技術(shù)取代擴散NMOS取代PMOSNMOS速度比PMOS快自我對準的源極/漏極主要驅(qū)動力量：手表和計算器P型硅場氧化層柵極源極/漏極柵氧化層磷離子，P+n+n+多晶硅自對準的源極/漏極注入NMOS制備步驟(1970s)晶圓清洗PSG回流生長場氧化層掩模版3.接觸窗掩模版1.器件區(qū)刻蝕PSG/USG刻蝕氧化層光刻膠剝除/清洗光刻膠剝除/清洗鋁沉積生長柵氧化層掩模版4.金屬沉積多晶硅刻蝕鋁掩模版2.

柵極光刻膠剝除/清洗刻蝕多晶硅金屬退火光刻膠剝除/清洗CVD氧化層S/D注入掩模版5.

接合墊區(qū)退火及多晶硅再氧化刻蝕氧化層CVD生長USG及PSG測試及封裝NMOS制備步驟清洗氧化刻蝕多晶硅沉積P+離子注入場區(qū)氧化柵極氧化多晶硅刻蝕退火

p-Sin+

n+

p-Sip-Sip-Sipolypolypolypolyp-Sip-Sip-Sip-SiPSG刻蝕金屬刻蝕金屬沉積氮化硅沉積PSG沉積PSG回流n+

n+

polypolypolypolypolypolyPSGPSGPSGPSGPSGPSGAl·SiAl·SiAl·SiSiNp-Sip-Sip-Sip-Sip-Sip-SiNMOS制備步驟CMOS1980年代MOSFETIC超過雙極型晶體管LCD取代LED電路的耗電量CMOS取代NMOS直到成為IC市場的主流信息革命的骨干CMOS的優(yōu)點功耗低；溫度穩(wěn)定性高；抗噪聲能力好CMOS反相器電路圖、符號和邏輯表Vin

Vout

VssVddVinVoutPMOS

NMOS

In Out0 11 0有雙金屬層的CMOS芯片截面P型基片p+p+N型阱區(qū)SiO2LOCOSBPSGAl·Cu·Si金屬2，Al·Cu·Si氮化硅氧化硅USG沉積/刻蝕/沉積多晶硅柵極IMDPMDPD2PD1p+p+n+n+142FSG金屬4銅鈍化層1，USG鈍化層2，氮化硅鉛錫合金凸塊FSG銅金屬2FSGFSG銅金屬3FSGP型外延層P型晶圓N型阱區(qū)P型阱區(qū)n+STIp+p+USGn+PSG鎢FSGCuCu鉭阻擋層氮化硅刻蝕阻擋層氮化硅密封層M1鎢局部互連鎢栓塞PMD氮化硅阻擋層Ti/TiN阻擋及附著層鉭阻擋層有四層金屬的CMOS芯片截面半導體是什么?介于導體和絕緣體之間通過摻雜物控制導電性硅和鍺半導體化合物碳化硅，鍺化硅砷化鎵，磷化銦，等.元素周期表半導體基片與摻雜物基片P-型摻雜物N-型摻雜物單原子的軌道示意圖與能帶價帶，Ev能隙，Eg核外層原子核導帶，Ec能帶、能隙和電阻率Eg=1.1eVEg=8eV鋁2.7mΩcm鈉4.7mΩcm硅~1010mWcm二氧化硅>1020

mWcm導體半導體絕緣體硅的晶體結(jié)構(gòu)-SiSiSiSiSiSiSiSiSi共用電子為什么用硅豐度高，價格不貴容易在熱氧化過程中生長一層二氧化硅熱穩(wěn)定性二氧化硅具強介電性二氧化硅可以做為擴散摻雜的遮蓋硅元素的性質(zhì)名稱硅符號Si原子序14原子量28.0855發(fā)現(xiàn)者鐘斯、杰可柏、柏塞利爾斯發(fā)現(xiàn)地點瑞典發(fā)現(xiàn)日期1824名稱來源由拉丁字silicis衍生而來，意指火石單晶硅的鍵長度2.352?固體密度2.33g/cm3摩爾體積12.06cm3音速2200m/sec電阻系數(shù)100，000μΩ．cm反射率28%熔點1414°C沸點2900°C單晶硅晶格結(jié)構(gòu)的晶胞晶向平面：<100>xyz<100>平面晶向平面：<111>xyz<100>平面<111>平面晶向平面：<110>xyz<110>平面<100>晶向平面的晶格結(jié)構(gòu)硅原子基本晶胞<111>晶向平面的晶格結(jié)構(gòu)硅原子基本晶胞<100>晶圓上的刻蝕斑<111>晶圓上的刻蝕斑硅原子雜質(zhì)原子在取代位置上法蘭克缺陷空位或肖特基缺陷雜質(zhì)原子在間隙位置上硅間隙原子硅晶體的缺陷位錯缺陷硅材料的一般特性1、電阻率ρ：半導體的電阻率介于導體與絕緣體之間。2.導電能力σ=1/ρ(影響因素)①．導電能力隨溫度上升而迅速增加一般金屬的導電能力隨溫度上升稍有下降，且變化不明顯。硅的導電能力隨溫度上升而增加，且變化非常明顯(在室溫下)從電阻率來分金屬：ρ<10Ω·cm半導體：ρ=10Ω·cm~104Ω·cm絕緣體：ρ>104Ω·cm舉例：

Cu：30C~100C增加不到一半(正溫度系數(shù))

Si：30C~20C增加一倍(負溫度系數(shù))②．半導體的導電能力隨所含的微量雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化一般材料純度為99.9％，含有0.1％的雜質(zhì)不會影響其性質(zhì)。而半導體材料不同，純凈的硅在室溫下：＝21400Ω·cm如果在硅中摻入雜質(zhì)磷原子，使硅的純度仍保持為99.9999％。則其電阻率變?yōu)椋海?.2Ω·cm。因此根據(jù)這一性質(zhì)，通過控制摻雜的水平來獲得所需的半導體材料導電能力。③半導體的導電能力隨光照而發(fā)生顯著變化；④半導體的導電能力隨外加電場、磁場的作用而發(fā)生變化。n-型(砷)摻雜硅及施主能級-SiSiSiSiSiSiSiSiAs額外電子價帶，EvEg=1.1eV導帶，EcEd~0.05eVp-型(硼)摻雜硅及其受主能級價帶，EvEg=1.1eV導帶，EcEa~0.05eV電子-SiSiSiSiSiSiSiSiB

空穴半導體含有兩種載流子：電子(帶負電)和空穴(帶正電)。本征半導體(純凈硅)

:載流子的濃度在室溫(T＝300K)下為：cm-3當硅中摻入Ⅴ族元素P時，硅中多數(shù)載流子為電子，這種半導體稱為n型半導體。cm-3當硅中摻入Ⅲ族元素B時，硅中多數(shù)載流子為空穴，這種半導體稱為p型半導體。cm-3空穴移動的示意說明價帶，EvEg=1.1eV導帶，EcEa~0.05eV電子空穴電子空穴價帶，EvEg=1.1eV導帶，Ec價帶，EvEg=1.1eV導帶，Ec電子空穴摻雜濃度和電阻率摻雜濃度電阻率P-型，硼N-型，磷摻雜濃度越高，提供的載流子越多(電子或空穴)，導電性越高，電阻率越低。電子運動速度比空穴快，相同濃度下，N-型硅比P-型硅電阻率低Si：①占地殼重量25%；②單晶直徑最大，目前16英吋(40cm)，每3年增加1英吋；③SiO2:掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)(多層布線)、絕緣柵、MOS電容的介質(zhì)材料；④多晶硅(

Poly-Si)：柵電極、雜質(zhì)擴散源、發(fā)射極互連線(比鋁布線靈活)。Ge：①漏電流大：禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.1eV)；②工作溫度低：75℃(Si:150℃)；③GeO2:易水解(SiO2穩(wěn)定)；④本征電阻率低：47Ω·cm(Si:2.3×105Ω·cm)；⑤成本高。硅與鍺的比較對襯底材料的要求1．導電類型：N型與P型都易制備；2．電阻率：0.01--105Ω·cm，且均勻性好(縱向、橫向、微區(qū))、可靠性高(穩(wěn)定、真實)；3．少子壽命：晶體管—長壽命；開關(guān)器件—短壽命；4．晶格完整性：無位錯、低位錯(<1000個/cm2)；5．純度高：電子級硅(EGS)—1/109雜質(zhì)；6．晶向：雙極器件—<111>；MOS—<100>；GaAs—<100>；7．直徑：8．平整度：9．主、次定位面：10.禁帶寬度、遷移率、晶格匹配等。原料：硅砂(SiO2)?石英砂、石英石高溫碳還原：SiC＋SiO2→Si＋SiO↑＋CO↑粗硅/冶金級硅：98%SiO2＋C→Si＋CO↑(1600-1800℃)高溫氯化：Si＋3HCl→SiHCl3↑＋H2↑(300℃)Si＋Cl2→SiCl4↑(500-700℃)高溫氫還原：SiCl4

冷凝后為液態(tài)，SiHCl3室溫下呈液態(tài)沸點為32℃，經(jīng)多級精餾提純SiHCl3＋H2→Si＋3HCl↑SiCl4

＋H2→Si＋4HCl↑(1000-1200℃)電子級高純片狀多晶硅(EGS)制備器件級單晶硅的原材料SiO2

+

C

?

Si+CO2

砂

碳冶金級硅二氧化碳Si+HClTCS硅粉末氯化氫過濾器冷凝器純化器99.9999999%純度的三氯硅烷反應器，300C

加熱(2000°C)

加熱(1100°C)SiHCl3

?

Si+3HCl

三氯硅烷

氫氣電子級硅氯化氫

+H2液態(tài)三氯硅烷H2載送氣體的氣泡氫和三氯硅烷制程反應室TCS+H2EGS+HCl電子級硅數(shù)據(jù)源：http：/semiconductors/_polysilicon.html制備方法查克洛斯基直拉法(CzochralskiMethod)(硅單晶)*區(qū)熔法(FloatingZoneMeltingMethod)(硅單晶)布里奇曼法(GaAs單晶)(略)中子嬗變摻雜法(硅單晶)其本質(zhì)都是把熔融硅冷卻成硅晶體。直拉單晶和區(qū)熔單晶。在集成電路工業(yè)中使用的硅幾乎全部是用直拉法生產(chǎn)的。1.直拉法單晶爐的組成(1)爐子：石英坩堝(盛熔融硅液)，石墨基座(支撐石英坩堝；加熱坩堝)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(順時針轉(zhuǎn))，加熱元件與電源(RF線圈)，爐膛(2)拉單晶結(jié)構(gòu)：籽晶軸桿或鏈條，旋轉(zhuǎn)提拉裝置(逆時針)，籽晶夾具[夾持籽晶(單晶)](3)環(huán)境氣氛控制系統(tǒng)：氣體源，流量控制，鈍化管道，排氣或真空系統(tǒng)(4)電子控制反饋系統(tǒng)：微處理機，傳感器，輸出部件爐子：單晶生長系統(tǒng)的最重要部件要算坩堝。理想的坩堝材料應滿足以下要求：(1)不與熔硅反應，也不溶解于熔硅(2)在硅熔點(1420℃)附近的溫度條件下具有較好的熱穩(wěn)定性和機械強度(3)價格便宜，加工方便還沒有一種高溫材料滿足要求。目前，熔融硅土是目前唯一使用的材料?；怯糜谥问③釄宓?，因為石墨的高溫性能好，所以使用高純石墨做基座。為了融化硅材料，采用射頻加熱，或電阻加熱。射頻加熱加熱用于小量熔體，但在大單晶爐中只用電阻加熱。拉晶機構(gòu)：拉晶機構(gòu)是執(zhí)行晶體旋轉(zhuǎn)和向上提拉的機構(gòu)。要求以最小的振動和很高的精度控制生長工藝。氣氛控制：CZ法生長硅必須在惰性氣體或真空中進行。因為：(1)熱的石墨部件必須保護以防止氧的侵蝕；(2)工藝中所用的氣體應該不與熔融的硅起反應。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)在拉晶過程中控制著晶體生長的基本工藝參數(shù)。石墨坩堝單晶硅硅棒單晶硅種晶石英坩堝加熱線圈1415°C融熔硅三菱(Mitsubish)材料硅資料來源：http：/semiconductors/_crystalgrowing.html通過將多晶硅在真空或惰性氣體保護下加熱，使多晶硅熔化，然后利用籽晶來拉制單晶硅。單晶生長過程實際上是液相固相的轉(zhuǎn)化過程。

該轉(zhuǎn)化過程實現(xiàn)的條件：液相—固相界面附近存在溫度梯度(dT/dt)。1在轉(zhuǎn)化的過程中，界面附近區(qū)域中存在著由界面結(jié)晶硅的熱流密度J1和由熔硅界面的熱流密度J2；說明:直拉法基本原理固過液2隨著晶體生長，一部分熔硅轉(zhuǎn)化為晶體，使液面不斷下降。3為了形成n型或p型襯底材料，拉晶過程中可加入摻雜劑。兩者之差為界面區(qū)單位時間內(nèi)釋放的潛能E(即E=J1-J2)；拉晶過程準備工作1.處理好多晶硅，放入爐內(nèi)坩堝中；2.抽真空或通入氬氣進行熔硅處理；3.待熔硅穩(wěn)定后，即可拉制單晶;4.摻雜劑制作，籽晶，坩堝，多晶硅摻雜劑采用重摻雜單晶；5.籽晶控制熔硅的核化和單晶的晶向。籽晶應當從無位錯單晶錠上切取;6.多晶硅是制取單晶硅的基本原料，應具有電子級純度。拉晶過程：熔硅，引晶，收頸，放肩，收肩，等徑生長，收尾。

1.熔硅：將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化；注意事項：熔硅時間不易長；2.引晶：將籽晶下降與液面接近，并預熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，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)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；

3.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20mm。4.放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度(15-40℃)，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。

5.等徑生長：當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時要嚴格控制溫度和拉速。6.收晶：晶體生長所需長度后，拉速不變，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。數(shù)據(jù)源：http：/semiconductors/_crystalgrowing.html拉晶過程(示意圖)3.保持液面在溫度場中的位置不變；坩堝必須自動跟隨液面下降而上升；同時拉晶速度能自動調(diào)節(jié)以保持等徑生長。收尾

直拉法生長單晶過程示意圖放肩

細頸

等徑

細頸

放肩

等徑

收尾

引晶

籽晶軸多晶硅引晶

1.籽晶軸以一定的速度旋轉(zhuǎn)；同時坩堝反方向旋轉(zhuǎn)。2.細頸為了抑制位錯向下延伸；通過增加提拉速度來實現(xiàn)。直拉法生長單晶的特點優(yōu)點：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，可較好控制電阻率徑向均勻性缺點：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，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)

Ar

ambient

籽晶

單晶棒

石英坩堝

水冷腔

熱屏蔽

碳加熱器

石墨坩堝

坩堝基座

溢出托盤

電極

→

C

≈

1015-1016cm-3→

Introduces

SiO2

in

CZ;Oi≈1017-1018cm-3

EGS中雜質(zhì)

<

1

ppb，晶體生長引入

O（≈

1018

cm-3）

和

C

（≈

1016cm-3），融硅中摻雜雜質(zhì)

P、B、As

等直拉法中需要注意的問題單晶與坩堝相反旋轉(zhuǎn)－導致熔體中心區(qū)與外圍區(qū)發(fā)生相對運動，降低熔料的溫度梯度，有利于晶體穩(wěn)定生長。但是旋轉(zhuǎn)速度要適中。拉升速度要適中－提高拉升速度將提高晶體中的溫度梯度，從而提高晶體生長速度。但溫度梯度過大，將在晶體中產(chǎn)生較大的熱應力和晶體缺陷的形成，因此晶體實際生長速度往往低于最大生長速度。Q－傳熱在磁場中拉硅單晶－增加磁粘滯性，改善了CZ方法中由于熔體熱對流存在引起的氧含量增加、電阻率均勻性差、微缺陷密度高以及來自坩堝雜質(zhì)污染使單晶純度降低等缺點。界面區(qū)域的熱傳輸一維連續(xù)性方程：固-液界面溫度分布單晶生長的速度dz/dt假設(shè)：界面附近區(qū)域中，由界面結(jié)晶硅的熱流密度為由熔硅界面的熱流密度為則兩者之差為界面區(qū)單位時間內(nèi)釋放的潛能E(即E=J1-J2)；晶體生長速度cm/s晶體質(zhì)量密度kg/cm3單位面積結(jié)晶質(zhì)量速度kg/s·cm2

結(jié)晶潛熱eV結(jié)晶硅的熱導率W/s·cm2熔硅的熱導率過渡層固相(單晶)液相(熔硅)固-液界面J2J1ZT硅單晶生長的最大速度由上式可得：假設(shè)硅的固、液轉(zhuǎn)化體積不變，則根據(jù)△VL=△VS可得：液面下降的最大速度R——坩堝的半徑r—單晶的半徑液面下降的速度l當，即界面附近液相一側(cè)無溫度梯度時，則單位面積硅結(jié)晶的速度(即硅單晶的生長速度、也是坩堝提升的速度)最大。雜質(zhì)分布固溶度:在一定溫度下，雜質(zhì)能溶入固體硅中的最大濃度。平衡濃度:平衡時雜質(zhì)在固體或液體中的濃度。平衡分凝系數(shù)(SegregationCoefficient)

0

平衡時雜質(zhì)在相接觸的兩相物質(zhì)(或兩種物質(zhì))中的平衡濃度之比。0為一常數(shù)，隨系統(tǒng)而變化。如：在硅(S)—硅(L)系統(tǒng)中，磷0=0.35；硼0=0.8；而在硅—二氧化硅系統(tǒng)中，磷m=10；硼m=0.3；由于B、P的分凝系數(shù)比其它雜質(zhì)大，因此，在制作硅單晶材料時，常用B、P作為的摻雜劑。有效分凝系數(shù)

e

平衡時雜質(zhì)在固體界面處的平衡濃度與液體中過渡區(qū)外的雜質(zhì)比濃度(非平衡濃度)之比。e表示雜質(zhì)濃度之比偏離平衡分凝系數(shù)的程度。(1)過渡區(qū)的雜質(zhì)分布過渡區(qū)雜質(zhì)的連續(xù)性方程：在拉晶的過程中，由于雜質(zhì)的分凝，在界面附近的過渡區(qū)存在一定的分布

表示單位時間內(nèi)過渡區(qū)雜質(zhì)數(shù)的變化等于從熔硅擴散到過渡區(qū)的雜質(zhì)數(shù)與從過渡區(qū)結(jié)晶成固體硅的雜質(zhì)數(shù)總合。邊界條件：Z=0,N(0)=Nl’

；Q=0；即可求得過渡區(qū)的雜質(zhì)分布為：穩(wěn)態(tài)時：過渡區(qū)固相(單晶)液相(熔硅)固-液界面N固-液界面雜質(zhì)分布NlN’lNSOlZ0雜質(zhì)通量總和N(l)=Nl

(2)單晶硅中的雜質(zhì)分布當雜質(zhì)濃度平衡濃度時，界面過渡區(qū)雜質(zhì)(Q=0)；當雜質(zhì)濃度偏離平衡濃度時，界面就有雜質(zhì)流過(Q≠0)，形成非平衡條件下的界面雜質(zhì)流。用有效分凝系數(shù)χe來表示單晶硅中沿生長軸方向雜質(zhì)(的質(zhì)量比)濃度Nso分布:可見，χe

主要受結(jié)晶速度υl、雜質(zhì)在熔硅中的擴散系數(shù)Dl的影響,而Dl(T)、υl(dT/dt)均與T有關(guān)。假如在晶體的生長過程中，過渡區(qū)雜質(zhì)分布不變，初始熔硅的質(zhì)量為Wl，當結(jié)晶硅的質(zhì)量達到WS時，熔硅中的雜質(zhì)質(zhì)量還剩Wil，則熔硅中過渡區(qū)外的雜質(zhì)質(zhì)量比濃度近似為：單晶硅的電阻率ρz是NSO的函數(shù)，而NSO隨χe(T,dT/dt)變化的。所以，保證拉晶過程中的T、dT/dt的穩(wěn)定性對單晶電阻率的均勻性很重要。量為dWs的結(jié)晶硅從熔硅中帶走的雜質(zhì)質(zhì)量為：設(shè)熔硅的初始雜質(zhì)質(zhì)量比濃度為Nl0，則上式兩邊求定積分：求解上式，可得單晶硅中(沿生長軸方向)雜質(zhì)的質(zhì)量比濃度為：平衡分凝系數(shù)對晶體雜質(zhì)分布的影響假設(shè)某種雜質(zhì)的平衡分凝系數(shù)為k0=Cs/Cl，它在初始重量為M0的熔融硅中的初始摻雜濃度為C0。在晶體生長過程中，如果已生長成晶體的重量為M，依然留在熔融液中的摻雜數(shù)量(以重量表示)為S，那么，?dS=CsdM。此時，熔融液所剩重量為M0－M，則：

顯然，已知初始摻雜總量為C0M0，對上式積分：解此方程，可得：如果k0>1，摻雜濃度將會持續(xù)減少，晶錠頭濃度>晶錠尾濃度；如果k0<1，摻雜濃度將會持續(xù)增加，晶錠頭濃度<晶錠尾濃度；只有k0

≈1，可以獲得均勻的摻雜濃度分布。硅中常見摻雜雜質(zhì)的平衡分凝系數(shù)雜質(zhì)

k0

類型

雜質(zhì)

k0

類型B8×10?1

pAs3×10?1

nAl2×10?3

pSb2.3×10?2

nGa8×10?3

pTe2×10?4

nIn4×10?4

pLi1.0×10?2

nO1.25nCu4.0×10?4

深能級C7×10?2

nAu2.5×10?5

深能級P0.35n例題：用直拉法生長硅單晶時，應在熔融液中摻入多少硼原子，才能使硅錠中每立方厘米含1016

個硼原子？假設(shè)開始在坩堝里有60kg的硅，若要達到上述摻雜濃度應該加入多少克的硼(硼的摩爾質(zhì)量為10.8g)？已知摻硼時的平衡分凝系數(shù)k0=0.8，融熔硅的的密度為2.53g/cm3。解：我們假設(shè)在整個晶體生長過程中Cs=k0Cl，硼原子在融熔硅中的平衡濃度為：Cl=Cs/k0=1016/0.8=1.25×1016個/cm3硼原子在融熔硅中的初始濃度為：C0=Cl=1.25×1016個/cm3因為硼原子的濃度如此之小，所以加料后熔融液的體積可用硅的重量來計算。60kg熔融液的體積為：V=2.37×104

(cm3)那么，硼原子在融熔液中的總數(shù)為：C0V=1.25×1016×2.37×104=2.96×1020(個)所以需摻硼的重量為：2.96×1020×10.8/6.02×1023

=5.31×10?3(g)=5.31(mg)例題：采用CZ法生長的硅單晶頂端硼原子濃度為3×1015/cm3，那么當熔料90%已經(jīng)結(jié)晶，剩下10%開始生長時，該處生長的硅單晶中硼濃度是多少。解：根據(jù)公式Cs=k0C0(1-X)k0-1有：Cs(x=0)=k0C0=3×1015/cm3查表得知B的分凝系數(shù)為0.8，則：Cs(x=0.9)=k0C0×0.1-0.2=4.75×1015/cm3雜質(zhì)分布均勻性控制選用K0接近1的雜質(zhì)，則Cs≈Cl，減小在單晶生長過程中的固－液濃度梯度。從Ke的表達式來看，適當增加拉單晶速度V，可以使Ke接近1。從Ke的表達式來看，增加附面層厚度，可以使Ke接近1，可通過降低旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)。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。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)效果好多次區(qū)熔提純

拉制大直徑單晶硅的注意事項熔硅的熱對流(dT/dt引起的熱對流；轉(zhuǎn)動引起的熱對流)：熱對流會使液面出現(xiàn)波紋和起伏，從而造成界面雜質(zhì)過渡區(qū)的不平衡和不穩(wěn)定，導致單晶徑向電阻率不均勻。因此，一般采用晶體旋轉(zhuǎn)方向與熱對流方向相反的方法來抑制。一氧化碳的揮發(fā)：熔硅中的C與石英(SiO2)坩堝反應生成SiO和CO，兩者的揮發(fā)受熱對流和熔硅外表面氬氣的影響變得不穩(wěn)定，引起液面波動。而采用旋轉(zhuǎn)晶體形成的強迫對流會使CO揮發(fā)減少，導致硅單晶中含O量過高。因此，單晶的旋轉(zhuǎn)速度要優(yōu)化選擇。籽晶承載應力：采用大直徑單晶的重力較大，而籽晶的頸部截面積較小。因此，要求單晶的長度應小于2m。直拉單晶的特點C、O含量較高，高達1018cm-3原因：熔硅中的C與石英SiO2發(fā)生反應生成CO，受熱對流影響不易揮發(fā)。直拉法適宜拉制直徑大、電阻低的硅單晶；主要用于VLSI器件