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1、微電子工藝原理與技術(shù) Technology and Theory of Microelectronic Manufacturing Process,劉憲云,Chapter 1 /第一章Semiconductor Substrates /半導(dǎo)體襯底,outline,1.1 相位與固溶度 1.2 結(jié)晶學(xué)與晶體結(jié)構(gòu) 1.3 晶體缺陷 1.4 直拉法單晶生長(zhǎng) 1.5 區(qū)熔法單晶生長(zhǎng) 1.6 晶圓片制備和規(guī)格 1.7 小結(jié),微電子器件的襯底是半導(dǎo)體材料，常用半導(dǎo)體材料有： Si，Ge，GaAs 還有InP，GaN，InSb，InGaAs， 等等 在微電子器件制造過(guò)程中，用到的材料有： 導(dǎo)體（金屬） Al

2、、Cu、Au等 半導(dǎo)體 絕緣體 SiO2，Si3N4，PSG (Phosphosilicate Glass 磷硅酸鹽玻璃)，BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)，photoresist(光刻膠) 4.多晶體 Poly-Si 5. 合金 Si-Al， Si-Ge，Si-B，Si-P， Si-As，Si-W,本征半導(dǎo)體：不含任何雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，其純度 在99.999999%（810個(gè)9）。摻雜半導(dǎo)體： 半導(dǎo)體材料對(duì)雜質(zhì)的敏感性非常強(qiáng)， 例如在Si中摻入千萬(wàn)分之一的磷( P)或者硼(B)， 就會(huì)使電阻率降低20萬(wàn)倍。硅的電阻率與摻 雜（載流子）濃 度的關(guān)系 用磷、砷、銻摻雜的硅(N型硅）實(shí)現(xiàn)電子傳導(dǎo)； 用硼

3、、BF2來(lái)?yè)诫s的硅（P型硅）實(shí)現(xiàn)空穴傳導(dǎo)。太陽(yáng)能電池硅的雜質(zhì)含量高于IC硅2-4個(gè)數(shù)量級(jí)，通常只有6個(gè)9。,半導(dǎo)體特性,微電子器件對(duì)半導(dǎo)體材料的要求 由于諸如材料的結(jié)構(gòu)、獲得的方法及各自的作用，加上雜質(zhì)、缺陷對(duì)器件性能的影響，對(duì)他們的要求也不盡相同，對(duì)常用的Si、Ge、GaAs其選用的指標(biāo)主要有：1、導(dǎo)電類型（P型或N型）2、電阻率3、少子壽命4、晶格的完整性（晶體缺陷要求少于一定數(shù)量） 5、純度高（對(duì)要求以外的其它雜質(zhì)越少越好） 6、晶向（因?yàn)榫w的各向異性，所以不同的器件要求的晶向不同）,一、 相 圖,相 在由幾種元素組成的材料系統(tǒng)中，具有相同物 理性質(zhì)和化學(xué)組分的均勻狀態(tài) 2. 相變 在

4、一定條件下，系統(tǒng)中相與相之間的互相轉(zhuǎn)變 3. 相圖 在平衡條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)、組成與溫度的關(guān) 系曲線,微電子工藝中相圖的作用： 確定合金材料在特定條件下的組分； 確定摻雜的固融度； 3.判斷確定合適的摻雜工藝條件。,液相線：給定混合物達(dá)到該溫度時(shí)將完全處在液態(tài)。,固相線：在該溫度下，混合物將完全凝固。,既含有液態(tài)，又含有固態(tài)混合物的區(qū)域。,從相圖中可以很容易的定出熔化物的組成。,在此材料系統(tǒng)中將形成GaAs化合物,富砷固體加熱到810度，固溶物將融化,固態(tài)GaAs和砷的混合物,固態(tài)GaAs和鎵的混合物,富鎵混合物固液混合態(tài)在30度左右就出現(xiàn),砷的固溶度隨溫度上升逐漸增加,固溶度：在平衡狀態(tài)下，

5、一種雜質(zhì)可以溶于另一種材料的最高濃度。,4%原子百分比,砷在硅中的固溶度相對(duì)而言很大，因此砷可以用于非常重的摻雜，以形成低電阻率區(qū)域。,常見(jiàn)雜質(zhì)在硅中的固溶度,硅中不同雜質(zhì)的固溶度可以有好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。,二、 晶體結(jié)構(gòu),晶體是由其基本結(jié)構(gòu)（晶胞）在三維空間重復(fù)排布形成的陣列，晶胞體現(xiàn)了晶體的性質(zhì)特點(diǎn)。 半導(dǎo)體晶體的晶胞具有立方對(duì)稱性，三種常見(jiàn)的立方晶胞為簡(jiǎn)立方、體心立方和面心立方。Si、Ge 、GaAs 晶體為金剛石結(jié)構(gòu)，它由兩套FCC晶格嵌套而成。,晶體結(jié)構(gòu),單晶 全域重復(fù)結(jié)構(gòu) 多晶 局域重復(fù)結(jié)構(gòu) 非晶（無(wú)定形） 完全不存在重復(fù)結(jié)構(gòu),（A）常見(jiàn)立方晶體：簡(jiǎn)立方、體心立方和面心立方；（B）

6、立方晶系的晶向,6個(gè)最近鄰原子,8個(gè),12個(gè),金剛石結(jié)構(gòu)：四族半導(dǎo)體有四個(gè)價(jià)電子，還需要有另外四個(gè)電子才能填滿他們的價(jià)電子殼層，在晶體中體現(xiàn)為要與最近鄰的四個(gè)原子構(gòu)成共價(jià)鍵。,晶面、晶向和等價(jià)晶面族,用密勒指數(shù)h，k，l 表示晶胞晶面的方向，標(biāo)為（h，k，l），晶向矢量的方向表示為h，k，l，對(duì)于一個(gè)給定晶面， h，k，l為該平面在三個(gè)坐標(biāo)軸上截距r，s，i 的倒數(shù)（或截距倒數(shù)的最簡(jiǎn)整數(shù)比）。顯然： h=1/r，k=1/s，l=1/i， 該晶面的方程為：hx+ky+lz=1 h，k，l表示的是一系列互相平行的平面,晶面指數(shù)簡(jiǎn)易求法：,在一平面族中，取一個(gè)不過(guò)原點(diǎn)的平面，它在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距分

7、別為x1、x2和x3 取它們的倒數(shù)之比： 其中h、k、l為互質(zhì)整數(shù)，則定義該晶面的面指數(shù)為（hkl）。 等效晶面：hkl,(2) 以一個(gè)晶格常數(shù)a為度量單位求出該晶面與坐標(biāo)軸的截距（m1，n1/2，p1/2）。 (3) 取截距的倒數(shù)（1/m1，1/n2，1/p2），化簡(jiǎn)成最小整數(shù)放入（hkl）內(nèi)，晶面指數(shù)為（122）,例如： (1) 以O(shè)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系OX、OY、OZ（選擇的晶面與坐標(biāo)原點(diǎn)O不能有交點(diǎn)）,晶面指數(shù)最簡(jiǎn)單的晶面族面間距最大，它們也是以后經(jīng)常討論到的最重要的晶面。,x，y，z不僅表示該確定的平面，而且還表示所有與其等價(jià)的其它晶面。 例如： 在立方對(duì)稱晶體中，（100）的性質(zhì)與（

8、010）（001）完全相同，唯一的差別是坐標(biāo)系的選取不同，所以，（100）也同時(shí)表示了（010）和（001）晶面。,不同晶向的硅片的化學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)都不一樣，這會(huì)影響工藝條件和最終的器件性能。在半導(dǎo)體器件工藝中常選（100）Si 為 MOS 器件的襯底，（111）Si 為雙極器件（TTL）的襯底。,由于立方晶格的對(duì)稱性， 沿立方邊的6個(gè)晶向是等價(jià)的。,晶體缺陷就是在重復(fù)排列的晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的任何中斷。每平方厘米硅片上產(chǎn)生的缺陷數(shù)目稱為缺陷密度。 晶體缺陷對(duì)半導(dǎo)體的電學(xué)特性有破壞作用。包括二氧化硅介質(zhì)擊穿和漏電流等。但是，摻雜替位雜質(zhì)是器件制造必須的。不過(guò)少數(shù)替位型雜質(zhì)具有靠近禁帶中心的電子

9、能級(jí)，從而成為有效的電子和空穴的復(fù)合中心，既會(huì)降低雙極晶體管的增益，也可導(dǎo)致PN結(jié)的漏電。隨著器件尺寸的縮小及有源柵區(qū)面積的增加，缺陷出現(xiàn)在芯片敏感區(qū)域的可能性增加，降低器件的成品率。 晶體缺陷會(huì)產(chǎn)生于晶體生長(zhǎng)和后面硅錠和硅片的各項(xiàng)工藝中，熱塑應(yīng)力、高濃度的替位型雜質(zhì)以及晶體的物理?yè)p傷是產(chǎn)生晶體缺陷的三種主要原因。,三、晶體的缺陷,位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷 A 空位 B 自填隙原子 C 替位雜質(zhì) D 刃型位錯(cuò) E 位錯(cuò)環(huán),本征缺陷,簡(jiǎn)單的零維、一維半導(dǎo)體缺陷,非本征缺陷：雜質(zhì)原子處在填隙位置或者晶格位置時(shí),線缺陷：一列額外的原子被插入到另外兩列原子之間，最常見(jiàn)的是位錯(cuò)。,在硅中主要存在三種普遍的缺陷形式：

10、 1. 點(diǎn)缺陷 三種點(diǎn)缺陷?？瘴?、間隙原子、間隙原子-空位對(duì) （Frenkel缺陷）。 空位與自填隙原子是本征缺陷?？瘴慌c自填隙原子濃度滿足Arrhenius 函數(shù)關(guān)系：,對(duì)Si, 原子體密度N0=5.021022/cm3, 激活能Ea2.6eV,在室溫時(shí)1044個(gè)晶格位置僅有一個(gè)空位，當(dāng)溫度升到1000C，空位缺陷急劇上升，每1010個(gè)晶格位置就有一個(gè)空位。因?yàn)樘钕对拥募せ钅転?.5eV，高于空位，所以在硅中的自填隙原子濃度低于空位濃度。這與本征電子與空穴的濃度一定相等不同。硅片表面以及體內(nèi)的點(diǎn)缺陷吸收源，可以了解兩者的差異存在。,GaAs中有兩類晶格位置，Ga原子的周圍都有四個(gè)As原子，

11、As周圍則有四個(gè)Ga原子，GaAs中的空位濃度分別是：,對(duì)1價(jià)，1價(jià)等空位濃度也滿足同樣的由激活能決定的函數(shù)關(guān)系：,式中，Ev-,Ev+ 分別是-1和1價(jià)空位的能級(jí)，Ei為本征能級(jí)，通常接近帶隙中心。n,p 分別是晶體在溫度T時(shí)的電子與空穴濃度，ni為本征載流子濃度， 分別為1和-1價(jià)空位的激活能。 對(duì)帶多個(gè)電荷的空位濃度，將正比于電荷密度與本征載流子濃度比值的若干次冪，冪次與電荷數(shù)相同。因此它們的空位濃度將大大降低。如2價(jià)空位的濃度為：,2. 位錯(cuò) 位錯(cuò)是晶體中存在應(yīng)力的標(biāo)志，經(jīng)常由于點(diǎn)缺陷結(jié)團(tuán)聚集而形成。通常要求3英寸Si片的位錯(cuò)密度小于 50個(gè)/cm2 。對(duì)大尺寸硅片要求越來(lái)越高( 0.

12、1)。 攀移和滑移是位錯(cuò)兩種主要的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。攀移是位錯(cuò)線的簡(jiǎn)單延伸和收縮，滑移是位錯(cuò)線在不沿原來(lái)方向的移動(dòng)，由剪切應(yīng)力造成。,位錯(cuò)的攀移和滑移,原始刃型位錯(cuò),攀移：位錯(cuò)線簡(jiǎn)單的延伸或收縮,滑移：位錯(cuò)線在不沿該位錯(cuò)線的其他方向上的移動(dòng),3. 層錯(cuò) 經(jīng)常發(fā)生在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，層錯(cuò)是一種面缺陷，堆垛層錯(cuò)是重要的缺陷。在層錯(cuò)中原子排列在兩個(gè)方向上被中斷，僅在第三個(gè)方向保持。層錯(cuò)要么終止于邊緣，要么終止于位錯(cuò)線。,層錯(cuò)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)常發(fā)生在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中?；凭褪且环N層錯(cuò)，它沿著一個(gè)或更多的平面發(fā)生滑移,另一種層錯(cuò)是孿生平面，就是在一個(gè)平面上，晶體沿著兩個(gè)不同的方向生長(zhǎng),一般說(shuō)來(lái)，缺陷是不受歡迎的，

13、但可以利用遠(yuǎn)離有源區(qū)的缺陷來(lái)吸收晶體內(nèi)部的雜質(zhì)。例如，可以在硅片背面蒸金或離子注入Ar等方法引入缺陷來(lái)吸雜，降低器件的漏電，這在雙極器件中廣泛應(yīng)用。 另一種有效的吸雜方式是利用硅體內(nèi)的氧沉淀。點(diǎn)缺陷與重金屬原子會(huì)被氧沉淀俘獲和限制，從而降低它們?cè)谄骷性磪^(qū)的濃度。它利用了硅片內(nèi)部固有的氧，稱為本征吸雜。 要進(jìn)行本征吸雜，氧濃度應(yīng)當(dāng)在1520ppm (7.81017 11018/cm3)，濃度過(guò)小氧雜質(zhì)分離過(guò)遠(yuǎn)，難以結(jié)團(tuán)，不起吸雜作用；氧濃度過(guò)高，會(huì)使硅片翹曲，從而產(chǎn)生穿越有源區(qū)的擴(kuò)展缺陷，增大器件漏電。,本征吸雜的三個(gè)步驟為：外擴(kuò)散、成核和沉積 其中，外擴(kuò)散必須首先完成，目的是形成近表面的脫氧

14、層，脫氧層的厚度應(yīng)當(dāng)大于有源區(qū)的最深結(jié)深和器件加上工作電壓后耗盡層的厚度，典型脫氧層厚度在2030微米。脫氧的方法主要是在保護(hù)氣氛中高溫退火，使表面氧外釋。脫氧層厚度可以由下式計(jì)算：,可以根據(jù)氧的固溶度關(guān)系與上式聯(lián)合求出滿足Cox20m 的工藝條件。例如：1200C，3小時(shí)的退火可以得到12ppm的氧濃度和25 m 的脫氧層厚度。由于O可以在碳雜質(zhì)處沉淀，必須嚴(yán)格控制硅中的C濃度小于0.2ppm。,氧在硅中的固融度 虛線對(duì)應(yīng)變化的上下限,四、單晶硅和硅片制備,硅是用來(lái)制造芯片的主要半導(dǎo)體材料，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最重要的材料。鍺是第一個(gè)用做半導(dǎo)體的材料，它很快被硅取代了，這主要有四個(gè)原因：,1）硅

15、有廣泛的廉價(jià)原料 2）高的熔化溫度（1412C)允許更寬的工藝容限 3）器件有寬的工作溫度范圍（-40-140C) 4）可以方便地在表面熱生長(zhǎng)一層與硅結(jié)合良好、界面態(tài)密度低、致密、穩(wěn)定的絕緣介質(zhì)(氧化硅) 而這些是Ge、GaAs不具備的，無(wú)法與硅競(jìng)爭(zhēng)，只能在微波、發(fā)光、紅外等特殊領(lǐng)域發(fā)展。,0.5元/kg,300元/kg,SiO2 ( 90-95% ),多晶硅 ( 99.99% ),單晶硅 Wafer,從沙子到硅片,用來(lái)做芯片的高純硅被稱為半導(dǎo)體級(jí)硅（semiconductor-grade silicon）, 或者SGS，也被稱做電子級(jí)硅（EGS）。,得到電子級(jí)硅(EGS)的主要方法：,氣體,

16、液體,1、用碳從的硅石（SiO2）中還原生產(chǎn)得到冶金級(jí)硅（MGS）,2. 將冶金級(jí)硅壓碎，并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成含硅的三氯硅烷（TCS）氣體并提純。 Si（固體）+3HCl（氣體） SiHCl3（氣體）+H2（氣體）,MGS TCS,Condenser,3. 含硅的三氯硅烷氣體經(jīng)過(guò)再一次化學(xué)過(guò)程并用氫氣還原 制備出純度為99.9999999%的半導(dǎo)體級(jí)硅,Carrier gas bubbles,2SiHCl3（氣體）+2H2（氣體） 2Si（固體）+6HCl（氣體）,Heat (1100C）,TCS EGS,電子級(jí)硅,Source: ,這種生產(chǎn)純SGS的工藝稱為西門子工藝。半導(dǎo)體級(jí)硅具有半導(dǎo)體制造

17、要求的超高純度，它包含少于百萬(wàn)分之（ppm）二的碳元素和少于十億分之一（ppb）的、族元素（主要的摻雜元素）。,晶體生長(zhǎng)是把半導(dǎo)體級(jí)硅的多晶硅塊轉(zhuǎn)換成一塊大的單晶硅。生長(zhǎng)后的單晶硅稱為硅錠。,多晶硅轉(zhuǎn)變成單晶硅,兩種主要方法： （1）直拉法（CZ）最普遍的技術(shù) （2）區(qū)熔法（FZ）,CZ法生長(zhǎng)單晶硅把熔化了的半導(dǎo)體級(jí)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(zhǎng)出來(lái)的。 區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅錠是把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個(gè)模型里。一個(gè)籽晶固定到一端然后放進(jìn)生長(zhǎng)爐中。用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域。晶體生長(zhǎng)中的加熱過(guò)程沿著晶棒的軸向移動(dòng)。,原理 在一定溫度

18、場(chǎng)、提拉速度和旋轉(zhuǎn)速度下，熔體通過(guò)籽晶生長(zhǎng)，形成一定尺寸的單晶。,直拉法（CZ）：切克勞斯基1916年首創(chuàng),工藝過(guò)程 熔化坩堝內(nèi)的原料籽晶浸入熔體籽晶回熔建立要求的溫度場(chǎng)籽晶桿旋轉(zhuǎn)并提升形成一定尺寸的晶體。,溫度梯度 通過(guò)籽晶桿傳熱形成單向溫度梯度最好。,“切克勞斯基法”直拉單晶硅,1415 C,直拉單晶硅工藝步驟,1. 多晶硅的裝料和熔化 a. 粉碎至適當(dāng)大小 b. 裝料時(shí)，底部不能有過(guò)多空隙，不能碰到坩堝上邊沿 c. 抽真空，充入保護(hù)氣 d. 加熱溫度高于1412 2. 種晶 先將籽晶降至液面數(shù)毫米處，暫停片刻，使籽晶溫度盡量接近熔硅溫度，然后將籽晶浸入熔硅，使頭部熔解，接著籽晶上升，生長(zhǎng)

19、單晶硅 3. 縮頸 將籽晶快速提升，縮小結(jié)晶直徑 4. 放肩 放慢生長(zhǎng)速度，晶體硅直徑增大,5. 等徑 穩(wěn)定生長(zhǎng)速度，使晶體硅直徑保持不變 6. 收尾 加快提升速度，同時(shí)升高熔硅溫度，使晶體硅直徑不斷縮小，形成一個(gè)圓錐形，最終離開(kāi)液面。,Source: ,直拉單晶硅,Silicon Ingots (400mm),51,CZ直拉法生長(zhǎng)單晶硅,把熔化了的半導(dǎo)體級(jí)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 特點(diǎn) 生產(chǎn)85%以上單晶硅 制作大直徑硅片 硅錠中氧含量較高,區(qū)融法,將一個(gè)多晶材料棒，通過(guò)一個(gè)狹窄的高溫區(qū)，使材料形成一個(gè)狹窄的熔區(qū)，移動(dòng)材料棒或加熱體，使熔區(qū)移動(dòng)而結(jié)晶，最后材料棒

20、就形成了單晶棒。,區(qū)熔法解釋,使材料提純。一般是用一個(gè)高頻加熱環(huán)形外套，將較長(zhǎng)的棒狀材料的一端熔化，使形成一個(gè)狹窄的熔區(qū)，然后移動(dòng)加熱環(huán)，使熔區(qū)緩慢地向另一端推進(jìn)。 隨著熔區(qū)的移動(dòng)，已熔部分重新凝固。通過(guò)多次的這種區(qū)域熔化和再凝固，可使大部分雜質(zhì)最后集中于棒的某一端，而使棒的其余部分達(dá)到極高的純度。 區(qū)域熔化除了主要應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的提純外，也用于提高金屬、無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物的純度。,53,54,區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅,把摻雜好的多晶硅棒鑄在模型里，用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域，硅棒軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng) 特點(diǎn) 20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái) 很難引入濃度均勻的摻雜 硅片直徑較小 純度高，含氧量低

21、,生長(zhǎng)大直徑晶錠的區(qū)熔系統(tǒng)原理圖,不同生長(zhǎng)技術(shù)可獲得的最小載流子濃度,常規(guī)直拉法,加橫向磁場(chǎng)直拉法,標(biāo)準(zhǔn)多晶硅區(qū)融法,超高純多晶硅區(qū)融法,摩爾效應(yīng)法測(cè)試的濃度,光致發(fā)光法測(cè)試的濃度,直拉法 特點(diǎn)： 多晶硅完全融化 適合拉大尺寸單晶，成本低 摻雜方便 較難獲得高純度晶體 區(qū)融法 特點(diǎn)： 多晶硅局部融化 不適合拉大重量單晶，成本更高 能獲得高純度晶體，主要用于功率器件,The history of wafer size,58,A larger wafer size considerably improves the production efficiency of semiconductor de

22、vices,請(qǐng)問(wèn)為什么要把wafer 尺寸做大？,追求更大直徑硅錠的原因,硅錠直徑從20世紀(jì)50年代初期的不到25mm增加到現(xiàn)在的500mm,硅片直徑的歷史發(fā)展趨勢(shì)如圖解所示。更大直徑硅片有著更大的表面積來(lái)做芯片,這樣就會(huì)在一個(gè)硅片上生產(chǎn)更多的芯片。這帶來(lái)三大好處: 1) 每塊芯片的加工和處理時(shí)間減少,導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)效率提高； 2) 硅片邊緣的芯片少了,轉(zhuǎn)化為更高的生產(chǎn)成品率； 3) 由于在同一工藝過(guò)程中有更多的芯片,設(shè)備的重復(fù)利用率提高了。 總之，提高了成品率，降低了芯片成本。,五、硅片的制造,五、硅片的制造,定向 按規(guī)定標(biāo)定晶面、摻雜型號(hào) 切片 不同尺寸厚度不同 3. 磨片 去除機(jī)械損傷層

23、拋光 獲得器件級(jí)平整度 5. 檢測(cè) 平整度、厚度、位錯(cuò)密度等,硅是硬而脆的材料，晶體生長(zhǎng)后的圓柱形的單晶硅錠要經(jīng)過(guò)一系列的處理過(guò)程，最后形成硅片，才能達(dá)到半導(dǎo)體制造的嚴(yán)格要求。這些硅片制備步驟包括:,（一）整型處理 整型處理是在切片之前對(duì)單晶硅錠做的準(zhǔn)備步驟 1）去掉兩端 2）徑向研磨 3）硅片定位邊或定位槽 （二）切片 將整型處理后的硅錠切成一片片的硅片。 （三）磨片和倒角 切片完成后，進(jìn)行雙面的機(jī)械磨片以去除切片時(shí) 留下的損傷，達(dá)到硅片兩面高度的平行及平坦。硅 片邊緣倒角可使硅片邊緣獲得平滑的半徑周線。,硅片加工,（四）刻蝕 硅片整型使硅片表面和邊緣損傷及沾污，損傷的深度一般有幾微米深，硅

24、片刻蝕是一個(gè)利用化學(xué)刻蝕選擇性去除表面物質(zhì)的過(guò)程。硅片經(jīng)過(guò)濕法化學(xué)刻蝕工藝消除硅片表面損傷和沾污。 （五）拋光 制備硅片的最后一步是化學(xué)機(jī)械研磨（CMP），也叫拋光。,掐頭去尾、徑向打磨、切面、或者制槽,1.整形處理,Flat, 150 mm 平口,硅片晶向的區(qū)分,定位面（200mm及以下）,定位槽,2.切片,硅錠切割方式:外圓、內(nèi)圓、線切割 200mm以下的硅片 用帶有金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機(jī) 300mm及以上硅片 線鋸法更薄的切口損失 機(jī)械損傷較小 表面平整度還存在問(wèn)題 如：300mm 厚 77525m,晶圓片處理,內(nèi)圓切割機(jī),DXQ-601型多線切割機(jī),3.倒角,硅片,硅片運(yùn)動(dòng),邊緣去

25、角前的硅片,邊緣去角后的硅片,硅片邊緣圓滑化處理,4.磨片,表面研磨,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,5.化學(xué)刻蝕,濕法腐蝕,去除硅片表面的缺陷 4:1:3 比例混合物：HNO3 (79 wt% in H2O), HF (49 wt% in H2O), and pure CH3COOH. 化學(xué)反應(yīng): 3 Si + 4 HNO3 + 6 HF 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O,6.拋光,化學(xué)機(jī)械拋光,Slurry,Polishing Pad,Pressure,Wafer Holder,Wafer,100 SiO2 particl

26、e in NaOH solution,漿液,200 mm 硅片厚度和表面粗糙度變化,76 mm,914 mm,硅片切割后,12.5 mm,814 mm,2.5 mm,750 mm,725 mm,Virtually Defect Free,磨片后,腐蝕后,化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)后,幾乎是缺陷的表面,7.清洗、質(zhì)量檢測(cè)、包裝,清洗 質(zhì)量檢測(cè)： 物理尺寸 平整度 微粗糙度 氧含量 晶體缺陷 顆粒 體電阻率 包裝,外延層,在某些情況下，需要硅片有非常純的與襯底有相同晶體結(jié)構(gòu)（單晶）的硅表面，還要保持對(duì)雜質(zhì)類型和濃度的控制。這要通過(guò)在硅表面淀積一個(gè)外延層來(lái)達(dá)到。 在硅外延中，硅基片作為籽晶在硅片上面生長(zhǎng)

27、一薄層硅。新的外延層會(huì)復(fù)制硅片的晶體結(jié)構(gòu)。由于襯底硅片是單晶，外延層也是單晶。 外延層可以是n型也可以是p型，這并不依賴于原始硅片的摻雜類型。外延層通常是沒(méi)有沾污的。,硅中雜質(zhì),在實(shí)際集成電路制造中所需要的絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料，都人為地?fù)饺胍欢〝?shù)量的某種原子(雜質(zhì))，以便控制導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力。 摻入的雜質(zhì)主要是A族元素(受主元素)和A族元素(施主元素)。這些雜質(zhì)在硅晶體中一般是替代硅原子而占椐晶格位置，并能在適當(dāng)?shù)臏囟认率┓烹娮踊蚩昭?，控制和改變晶體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類型（n型或p型）。,如果在硅中同時(shí)存在淺施主和淺受主兩種雜質(zhì)，這時(shí)它的導(dǎo)電類型要由雜質(zhì)濃度高的那種雜質(zhì)決定，它首先要補(bǔ)償?shù)舨煌?/p>

28、型的雜質(zhì)，剩余部分才對(duì)導(dǎo)電能力有貢獻(xiàn)。,雜質(zhì)在硅中并不能無(wú)限制的摻入，在一定的溫度和平衡態(tài)下，它有一個(gè)溶解到硅中的最大濃度，這就是雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度，也稱固溶度。固溶度是隨著溫度而變化的。 對(duì)n型摻雜，還可以用中子輻照，核反應(yīng)方程是：,從體硅襯底到絕緣襯底上的硅From Bulk to Silicon-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,SOI材料,SOI在器件性能上具有以下優(yōu)點(diǎn)： 減小了寄生電容，提高了運(yùn)行速度。與體硅材料相比，SOI 器件的運(yùn)行速度提高了20-35%； 具有更低的功耗。由于減少了寄生電容，降低了漏電，S

29、OI 器件功耗可減小35-70%； 消除了閂鎖效應(yīng)； 抑制了襯底的脈沖電流干擾，減少了軟錯(cuò)誤的發(fā)生； 與現(xiàn)有硅工藝兼容，可減少 13-20%的工序。,Silicon-On-Insulator,單晶硅膜（SOI）,埋氧層（BOX）,襯底 (Substrate),制備SOI材料的兩種主要方法：,工藝非常簡(jiǎn)單，僅僅兩大步：（1）大劑量氧離子注入，和（2）高溫退火,（一）注入法,氧離子注入技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵因素,（1）氧離子注入劑量 （2）襯底溫度 （3）退火條件,（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(xué)配比的化合物需要的注入劑量。Nc對(duì)氧注入，Nc1.41018/cm2

30、。 注入劑量小于Nc，通常不能形成連續(xù)的BOX。,（2）襯底溫度,襯底溫度過(guò)低，硅膜完全非晶化，不能恢復(fù)成單晶； 襯底溫度過(guò)高，形成的硅膜內(nèi)有氧沉淀。 合適的襯底溫度：500700C,（3）退火條件,退火通常在含有2氧的氮?dú)庵羞M(jìn)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(wú)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(cuò)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（T300 A，L 3002000 A）,（二）鍵合法,（1）鍵合腐蝕（BESOI）,鍵合的基本過(guò)程,（1）預(yù)鍵合 兩個(gè)硅片相合，由于范德瓦爾斯力（中性分子彼此距離非常近時(shí)，產(chǎn)生的一種微弱電磁引力）