第1章 襯底教材

半導體工藝原理段俊萍科研樓411duanjunping@1在本課程之前電子基礎力學基礎大學物理/數(shù)學ANSYS仿真課程的基本目的了解硅集成電路了解硅MEMS制造領域的新技術、新設備、新工藝具有一定工藝分析和設計、工藝整合的能力。主要內容半導體襯底擴散離子注入氧化光刻技術真空技術和等離子體刻蝕技術薄膜技術工藝集成微型電子設備發(fā)展MEMS的尺度

6微型車床

MicroLathe-Japan小汽車和米粒MiniCarandRice

--Toyota微型飛行器MicroAerialVehicle--MIT微型機器人

MicroRobot--US人造的微小世界（<28克，4cm3）7MEMS的基本特點起源于硅IC工藝尺寸在~1um----幾mm含有可動部件（actuators）/傳感器/相關系統(tǒng)主要工藝借鑒IC能與IC集成封裝相對復雜

81958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎982年：美國U.C.Bekeley，表面犧牲層技術

微型靜電馬達成功

MEMS進入新紀元101988年：靜電旋轉微馬達RichardS.Muller

UCB,Berkeley,CA,USA

FanLong-Shen,TaiYu-ChongandMullerRS1989,IC-processedelectrostaticmicromotorsSensorsActuators,2041–71120世紀90年代初：氣囊微加速度計產業(yè)化氣囊微加速度計的集成電路版圖121320世紀90年代中：ICP的出現(xiàn)促進體硅工藝快速發(fā)展1490年代末：Sandia實驗室5層多晶硅技術代表最高水平152000年底：MEMSSi宣布研制成功與標準

CMOS兼容的加速度計——

——最新動向16WiiMotionPlususingmulti-axisMEMSgyroscopesipadintegratedAccelerometers,3-axisgyroscopes,3-axisdigitalcompass,microhphoneAccelerometersforAirbagDeploymentGyroscopesforElectronicStabilityPressureSensorsforOil,Tires,Intakemanifold,etcDLPProjectorwithasingleDMDchipInkJetprintersAccelerometers&Gyroscopesforimagingstabilization關鍵詞：半導體工藝、集成電路工藝、微機械Keywords:MEMS,Micromachining,Microstructure,Process,MEMSFabrication,Microsystem17期刊SensorandActuatorJournalofMicroelectromechanicalSystemsJournalofmicromechanicsandMicroengineeringMicrosystemTechnologies儀表技術與傳感器光學、精密工程微納電子技術半導體學報固體電子學研究與進展傳感技術學報18相關網站19相關公司20第一講：半導體襯底第一章半導體襯底

掌握晶體生長技術（直拉法、區(qū)熔法），硅圓片制備及規(guī)格，晶體缺陷，硅中雜質。半導體：常溫下導電性能介于導體和絕緣體之間的材料，半導體在收音、電視機及測溫上有著廣泛的應用，如二極管、計算機、移動電話等。

半導體指一種導電性可受控制，范圍可從絕緣體至導體之間的材料。分類：元素半導體，鍺、硅按化學分類

化合物半導體，砷化鎵，磷化鎵等

分立器件

光電半導體按制造分類邏輯IC模擬IC儲存器IC按設計LSIVLSI

這個有世以來的第一個晶體管是將一片金箔帶用刀劃開一條約為50微米間隔的小縫，用一塊三角形的石英晶體將其壓到n型半導體鍺材料上作為發(fā)射極和集電極，形成點接觸PNP晶體管。當一個接觸正偏另一個反偏時，可以觀測到把輸入信號放大的晶體管效應1、單晶硅生長CZ方法CZ晶體拉升器摻雜雜質控制區(qū)熔法發(fā)展大直徑晶錠的理由Czochralski(CZ)－查克洛斯基法生長單晶硅，把熔化了的半導體級硅液體變?yōu)橛姓_晶向并且被摻雜成n型或p型的固體硅錠。85％以上的單晶硅是采用CZ法生長出來的。什么是N型半導體，什么是P型半導體？N型半導體也稱為電子型半導體。N型半導體即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質半導體。在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。在N型半導體中，自由電子為多子，空穴為少子，主要靠自由電子導電。自由電子主要由雜質原子提供，空穴由熱激發(fā)形成。摻入的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能就越強。P型半導體也稱為空穴型半導體

P型半導體即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質半導體。在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半導體。在P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導電?？昭ㄖ饕呻s質原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。摻入的雜質越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能就越強。摻入的雜質越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能就越強。在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半導體。在P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導電。由于P型半導體中正電荷量與負電荷量相等，故P型半導體呈電中性。空穴主要由雜質原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。CZ法特點：低功率IC的主要原料。占有～80％的市場。制備成本較低。硅片含氧量高。CZ拉單晶爐CZ法主要工藝工程:籽晶熔接:加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發(fā)一定時間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質同時可減少熱沖擊。

引晶和縮頸：當溫度穩(wěn)定時，可將籽晶與熔體接觸。此時要控制好溫度，當籽晶與熔體液面接觸，浸潤良好時，可開始緩慢提拉，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結晶，這一步驟叫“引晶”，?！翱s頸”是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原有位錯的延伸。頸一般要長于20mm。放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。在放肩時可判別晶體是否是單晶，否則要將其熔掉重新引晶。單晶體外形上的特征—棱的出現(xiàn)可幫助我們判別，<111>方向應有對稱三條棱，<100>方向有對稱的四條棱。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不變。收尾：隨著晶體生長結束，采用稍升溫，降拉速，使晶體直徑逐漸變小，此過程稱為收尾。CZ拉單晶爐影響直拉法的兩個主要參數(shù)是拉伸速率和晶體旋轉速率。區(qū)熔法（FloatingZonemethod）特點：硅片含氧量低、純度高。主要用于高功率IC。制備成本比CZ法高。難生長大直徑硅晶棒。低阻值硅晶棒、摻雜均勻度較差。CZ法與FZ法比較CZ法：成本低、可做大尺寸晶錠、材料可重復使用更受歡迎FZ法：純度高、成本高、小尺寸晶錠主要用在功率器件

硅是硬而脆的材料，晶體生長后的硅錠對半導體制造來說用處很小。圓柱形的單晶硅錠（又叫單晶錠）要經過一系列的處理過程，最后形成硅片，才能達到半導體制造的嚴格要求。這些硅片制備步驟包括機械加工、化學處理、表面拋光和質量測量。硅片制備的基本流程如圖所示。硅片制備

■整型處理：硅單晶錠在拉單晶爐中生長完成后，整型處理是接下來的第一步工藝。整型處理包括在切片之前對單晶硅錠做的所有準備步驟。

■去掉兩端：第一步是把硅單晶錠的兩端去掉。當兩端被去掉后，可用四探針來檢查電阻以確定整個硅單晶錠達到合適的雜質均勻度。

■徑向研磨：徑向研磨來產生精確的材料直徑。由于在晶體生長中直徑和圓度的控制不可能很精確，所以硅單晶錠都要長得稍大一點以進行徑向研磨。對半導體制造中流水線的硅片自動傳送來講，精確的直徑控制是非常關鍵的。整型處理

■硅片定位邊或定位槽半導體業(yè)界傳統(tǒng)上在硅單晶錠上做一個定位邊來標明晶體結構和硅片的晶向。主定位邊標明了晶體結構的晶向。還有一個次定位邊標明硅片的晶向和導電類型。硅片標識定位邊

硅片定位邊在200mm及以上的硅片已被定位槽所取代。具有定位槽的硅片在硅片上的一小片區(qū)域有激光刻上的關于硅片的信息。對300mm硅片來講，激光刻印于硅片背面靠近邊緣的沒有利用到的區(qū)域。對于300mm硅片，沒有利用到的區(qū)域是在固定質量區(qū)域面積之外，固定質量區(qū)域（FQA）是指硅片上容納芯片的面積?，F(xiàn)在沒有利用的區(qū)域一般是3mm。切片一旦整型處理完成后，硅錠就準備進行切片。對200mm以下硅片來講，切片是用帶有金剛石切割邊緣的內圓切割機來完成的。使用內圓切割機是因為邊緣切割時能更穩(wěn)定，使之產生平整的切面。內圓切割機

對300mm的硅片來講，由于大直徑的原因，內圓切割機不再符合要求。300mm的硅錠目前都是用線鋸來切片的。線鋸在切片過程中減少了對硅片表面的機械損傷。硅片的厚度在切片過程中得到了精確的控制。300mm硅片目前的厚度是775±25微米。更厚的硅片能夠承受在導體制造高溫工藝中的熱能以及機械震動。磨片和倒角（防止產生缺陷）

切片完成后，要進行雙面的機械磨片以去除切片時留下的損傷，達到硅片兩面高度的平行及平坦。磨片是用墊片和帶有磨料的漿料利用壓力旋轉來完成。硅片邊緣拋光修整（又叫倒角）可使硅片邊緣獲得平滑的半徑周線。在硅片邊緣的裂痕和小裂縫會在硅片上產生機械應力并會產生位錯。平滑的邊緣半徑對于將這些影響降到最小?？涛g（去除沾污和損傷層）硅片整型使硅片表面和邊緣損傷及沾污。硅片損傷的深度一般有幾微米深。為了消除硅片表面的損傷，采用硅片刻蝕或化學刻蝕的技術。硅片經過濕法化學刻蝕工藝消除硅片表面損傷和沾污。在刻蝕工藝中，通常要腐蝕掉硅片表面約20微米的硅以保證所有的損傷都被去掉。腐蝕液：HNO3+HF+醋酸拋光（去除表面缺陷）制備硅片的最后一步是化學機械平坦化（CMP），它的目標是高平整度的光滑表面。硅片在拋光盤之間行星式的運動軌跡使硅片表面平坦且兩面平行。最后硅片的兩面都會像鏡子一樣。NaOH＋SiO2清洗（去除殘留沾污）半導體硅片必須被清洗使得在發(fā)送給芯片制造廠之前達到超凈的潔凈狀態(tài)。清洗規(guī)范在過去幾年中經歷了相當大的發(fā)展，使硅片達到幾乎沒有顆粒和沾污的程度。硅片評估在包裝硅片之前，會按照客戶要求的規(guī)范來檢查是否達到質量標準。NH3OH＋H2O2，HCl＋H2O2,H2SO4＋H2O2包裝硅片供應商必須仔細地包裝要發(fā)貨給芯片制造廠的硅片。硅片疊放在有窄槽的塑料片架或“舟”里以支撐硅片。碳氟化合物樹脂材料（如特氟綸）常被用于盒子材料使顆粒產生減到最少。另外，特氟綸被作成導體使其不會產生靜電釋放。裝滿硅片后，片架就會放在充滿氮氣的密封小盒里以免在運輸過程中氧化和其他沾污。當硅片到達硅片制造廠時，它們被轉移到其他標準化片架里使其在被這些制造設備的加工過程中傳送和處理。一種傳送容器是能容納25個硅片的容器，叫做前開口傳送盒，它與硅片制造廠里的自動傳送系統(tǒng)有連接。硅中的晶體缺陷晶體缺陷(微缺陷)是指任何妨礙單位晶胞在晶體中重復性地出現(xiàn)。晶體缺陷依其形式可分為3大類：

硅片上的成品率點缺陷錯位錯層晶體孿生平面在一個平面上，晶體沿著兩個不同的方向生長。硅片標識定位邊硅中雜質世界上最純的物質：硅

硅，是人類在世界上提得最純的物質，目前人類能夠得到的最純的硅，純度是99.99999999999999%，估計數(shù)不過來，告訴您吧，是16個9。但是，純硅雖然也有半導體的性質，卻是一種沒有什么實際用處的半導體。真正要制作能夠使用的半導體器件，包括太陽能電池，就要在其中添加一些雜質，常見的是磷和硼。也有鎵、砷、鋁和其它一些元素。

雜質的作用，總體上來說，是調節(jié)硅原子的能級，學過半導體或固體物理的人知道，由于晶體結構的原因，固體中的全部原子的各能級形成了能帶，硅通常可以分為三個能帶，最上面是導帶，中間是禁帶，下面是價帶。如果以火車為比喻的話，那么，導帶是火車，價帶是站臺，禁帶則是站臺與火車之間的間隙。

如果所有的自由電子都在價帶上，那么，這個固體就是絕緣體,這就好比人站在站臺上，是到不了別處的；如果所有的自由電子都在導帶上，那么這個固體就是導體，這就好象人上了火車，可以周游全國了。

半導體的自由電子平時在價帶上，但受到一些激發(fā)的時候，如熱、光照、電激發(fā)等，部分自由電子可以跑到導帶上去，顯示出導電的性質，所以稱為半導體。。硅就是這樣一種半導體，但由于純硅的導帶和價帶的距離過大（也稱為禁帶過寬，），這就好像是就是站臺離火車太遠，一般的人很難從站臺跳到火車上去一樣，通常只有很少量的電子能夠被從價帶激發(fā)到導帶上，所以純硅的半導體性質比較微弱，不能直接應用。硅中的雜質（一）：有用且必需的雜質為了解決這個問題，科學家們想出了添加雜質的方法，這些雜質在導帶和禁帶之間形成雜質能級，這些雜質能級要么距離導帶很近（如磷），是提供電子的，稱為施主能級；要么距離價帶很近（如硼），是接受電子的，稱為受主能級。這樣，一些很小的激發(fā)就可以使硅具有導電的性質。這就好比在車站和站臺之間，加一些墊腳的石凳，離站臺近的，就是受主能級，離火車近的，是施主能級。提供施主能級或受主能級的雜質，分別稱為施主雜質和受主雜質，這些，當然是有用的雜質。

施主雜質的典型代表是磷，受主雜質的典型代表是硼。這兩種雜質之所以成為最常用的半導體雜質，我的看法是因為它們在硅中的分凝系數(shù)是最接近于1的，也就是說，在摻雜后，拉單晶生長的時候，容易形成均勻的濃度分布。有用的雜質，其數(shù)量也有一個適中的范圍，過小，效果不明顯，過多，使得導電性太強，不容易控制，反而成為廢物。通常，不同的半導體的應用對雜質的要求有不同的范圍。而對于太陽能電池應用來說，對應的電子或空穴的體密度，應該在1017

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CM3左右，大家可以自己計算對應的雜質濃度。

摻雜了受主雜質的硅成為P型，常見的是摻硼的硅。摻雜了施主雜質的硅稱為N型，常見的是摻磷的硅。對于太陽能電池來說，P

型硅比較常見，因為前面所說的，硼的分凝系數(shù)是0.8，

在單晶中，硼比較容易摻雜均勻的緣故。附錄中國多晶硅公司多晶硅生產主要在四川、江蘇、河南等現(xiàn)在好像就甘肅和西藏沒有四川新光、樂電天威、天威四川江蘇中能順大河南中硅內