工藝-硅片制造

集成電路工藝－硅片制備9/29/2023P1/3111、體硅材料的制備2、SOI材料的制備分兩部分：9/29/2023P2/312晶體結(jié)構(gòu)

單晶全域重復結(jié)構(gòu)多晶局域重復結(jié)構(gòu)非晶（無定形）完全不存在重復結(jié)構(gòu)9/29/2023P3/313單晶結(jié)構(gòu)9/29/2023P4/314多晶結(jié)構(gòu)GrainGrainBoundary9/29/2023P5/315無定形（非晶）結(jié)構(gòu)9/29/2023P6/316硅的金剛石結(jié)構(gòu)圖晶胞單晶硅單位結(jié)構(gòu)

原胞

9/29/2023P7/317晶向xyz<100>planexyz<111>planexyz<110>plane9/29/2023P8/318<100>晶面基本格點單胞基本格點原胞<111>晶面晶面格點9/29/2023P9/319硅片表面腐蝕坑<111>plane<100>plane9/29/2023P10/3110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9/29/2023P11/3111層錯9/29/2023P12/3112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和機械性能都非常奇異。9/29/2023P13/3113Source:http://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html9/29/2023P14/3114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反應生成多晶硅(電子級EGS)9/29/2023P15/3115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)9/29/2023P16/3116從沙子到硅片-30.5元/kg1000元/kgSiO2

(90-95%)多晶硅(99.99%)

單晶硅Wafer10000元/kg9/29/2023P17/3117

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9/29/2023P18/3118Si+HCl

TCS硅粉末MGS氯化氫Filters冷凝器提純室PureTCSwith99.9999999%反應腔,300

C二、生成三氯硅烷（TCS）并提純

Si＋HClSiHCl3

＋SiCl4

MGSTCSCondenser9/29/2023P19/3119

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+HClEGS9/29/2023P20/3120電子級硅Source:http:///semiconductors/_polysilicon.html9/29/2023P21/3121四、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）9/29/2023P22/3122

（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QuartzCrucibleGraphiteCrucible9/29/2023P23/3123CZ拉單晶圖示Source:http:///semiconductors/_crystalgrowing.html9/29/2023P24/3124（2）區(qū)熔法－FZMethod熱板多晶硅棒Rod單晶硅晶種熱板運動熔化后的硅9/29/2023P25/3125兩種方法的比較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9/29/2023P26/3126五：

掐頭去尾、

徑向打磨、

切面、

或者制槽9/29/2023P27/3127晶向指示標記Flat,≤150mm平口Notch,

200mm槽口9/29/2023P28/3128六、硅片切割WaferSawingOrientationNotchCrystalIngotSawBladeDiamondCoatingCoolantIngotMovement9/29/2023P29/3129七、硅片倒角EdgeRounding硅片硅片運動邊緣去角前的硅片邊緣去角后的硅片9/29/2023P30/3130八、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9/29/2023P31/3131九、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.化學反應:3Si+4HNO3+6HF

3H2SiF6+4NO+8H2O9/29/2023P32/3132十、化學機械拋光SlurryPolishingPadPressureWaferHolderWafer9/29/2023P33/3133200mm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9/29/2023P34/3134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)9/29/2023P35/3135十一外延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 EpiHydrochloride9/29/2023P36/31361、體硅材料的制備2、SOI材料的制備分兩部分：9/29/2023P37/3137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CMOSSOICMOS9/29/2023P38/3138SOI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9/29/2023P39/3139SOI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9/29/2023P40/3140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9/29/2023P41/3141SIMOX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9/29/2023P42/3142（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。9/29/2023P43/3143（2）襯底溫度襯底溫度過低，硅膜完全非晶化，不能恢復成單晶；襯底溫度過高，形成的硅膜內(nèi)有氧沉淀。合適的襯底溫度：500～700C9/29/2023P44/3144（3）退火條件退火通常在含有2％氧的氮氣中進行。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）9/29/2023P45/31459/29/2023P46/3146鍵合SOI技術(shù)（WaferBonding）分兩類：（1）鍵合＋腐蝕（BE－SOI）（2）氫注入＋鍵合（SmartCut）9/29/2023P47/3147（1）鍵合＋腐蝕（BE－SOI）BondingandEtch－Back9/29/2023P48/3148鍵合的基本過程（1）預鍵合兩個硅片相合，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。故預鍵合前表面一般進行親水處理，使表面產(chǎn)生大量的羥基團（OH－）。（2）退火處理室溫下的粘合很不牢固，退火可顯著增強鍵合強度。退火分3個階段。9/29/2023P49/3149階段一（室溫～300C）：羥基團（OH－）之間的氫鍵數(shù)量增加、鍵合面積和強度增加。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：（Si－OH）＋（HO－Si）＝（Si－O－Si）＋H2O400C

左右聚合反應完成。生成的水蒸氣導致界面產(chǎn)生空洞。階段三（800C以上）：空洞因水蒸氣與硅反應生成SiO2而逐漸消失，超過1000C以后，相鄰原子相互反應形成共價鍵，鍵合完成。9/29/2023P50/3150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(8)（d）拋光。