工艺-硅片制造

1、2022-3-3集成电路工艺 硅片制备2022-3-31、体硅材料的制备2、SOI材料的制备分两部分：2022-3-3晶体结构晶体结构 单晶单晶 全域全域重复结构重复结构 多晶多晶 局域重复结构局域重复结构 非晶（无定形）非晶（无定形） 完全不存在重复结构完全不存在重复结构2022-3-3单晶结构单晶结构2022-3-3多晶结构多晶结构GrainGrain Boundary2022-3-3无定形（非晶）结构无定形（非晶）结构2022-3-3硅的金刚石结构图晶胞单晶硅单位结构单晶硅单位结构原胞原胞 2022-3-3晶向晶向xyz planexyz planexyz plane2022-3-3 晶

2、面晶面基本格点单胞基本格点原胞 晶面晶面晶面格点晶面格点2022-3-3硅片表面腐蚀坑硅片表面腐蚀坑plane plane2022-3-3缺陷图解缺陷图解硅原子置换型杂质Frenkel缺陷空位（Schottky缺陷）间隙型杂质硅间隙原子2022-3-3层层 错错 2022-3-3为什么是硅为什么是硅? 历史的选择历史的选择 储量丰富储量丰富，便宜便宜, 取之不尽，用之不竭取之不尽，用之不竭 二氧化硅性质非常稳定，绝缘性能极好二氧化硅性质非常稳定，绝缘性能极好，且很容易通过热过程生长且很容易通过热过程生长 禁带宽度大，工作温度范围宽禁带宽度大，工作温度范围宽 电学和机械性能都非常奇异。电学和机械

3、性能都非常奇异。2022-3-3Source: http:/www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html2022-3-3从沙子到硅片 原材料：石英砂（二氧化硅） 沙子先转化为多晶硅 (冶金级 MGS) 将MGS粉末与HCl反应以形成三氯硅烷（TCS） 用汽化凝结法提高TCS的纯度 将TCS与H2反应生成多晶硅(电子级EGS)2022-3-3从沙子到硅片-2 熔化EGS，拉成单晶硅锭 掐头去尾，磨边，做槽口或者切面 将硅锭切成硅片 边缘去角，抛光，湿法刻蚀，CMP 激光刻线 外延淀积 (optional)2022-3-3从沙子到硅片

4、-30.5元元/kg1000元元/kgSiO2 ( 90-95% ) 多晶硅多晶硅( 99.99% ) 单晶硅单晶硅Wafer10000元元/kg2022-3-3 Heat (1700 C)SiO2 + C Si + CO2 Sand Carbon MGS Carbon Dioxide一、用炭从二氧化硅中还原出硅气体气体液体液体2022-3-3Si + HCl TCS 硅粉末MGS氯化氢Filters冷凝器提纯室Pure TCS with 99.9999999%反应腔, 300 C二、生成三氯硅烷（TCS）并提纯 Si HCl SiHCl3 SiCl4 MGS TCSCondenser2022

5、-3-3 Heat (1100 C)SiHCl3 + H2 Si + 3HCl TCS Hydrogen EGS Hydrochloride三、用氢从TCS中还原出硅（EGS）液态 TCSH2Carrier gas bubblesH2 and TCS工艺腔ChamberTCS+H2EGS+HClEGS2022-3-3电子级硅电子级硅Source: http:/ （1）拉单晶: CZ 方法石墨坩锅单晶硅锭 ingot单晶硅种子 seed石英坩锅加热板Heating coils1415 C熔化后的硅Quartz CrucibleGraphite Crucible2022-3-3CZ CZ 拉单晶图

6、示拉单晶图示Source: http:/ Method热板多晶硅棒 Rod单晶硅晶种热板运动熔化后的硅2022-3-3两种方法的比较 CZ 方法更普遍方法更普遍 成本更低成本更低 硅片尺寸更大硅片尺寸更大 (300 mm已可投入生产已可投入生产) 材料可重复使用材料可重复使用 FZ方法（方法（Floating Zone) 单晶纯度更高单晶纯度更高 (无坩锅无坩锅) 成本更高，硅片尺寸偏小成本更高，硅片尺寸偏小 (150 mm) 主要用于功率器件主要用于功率器件2022-3-3五：掐头去尾、径向打磨、切面、或者制槽2022-3-3晶向指示标记Flat, 150 mm平口Notch, 200 mm

7、槽口2022-3-3六、硅片切割 Wafer SawingOrientation NotchCrystal IngotSaw BladeDiamond CoatingCoolantIngot Movement2022-3-3七、硅片倒角 Edge Rounding硅片硅片运动边缘去角前的硅片边缘去角后的硅片2022-3-3八、抛光 粗抛粗抛 传统的传统的, , 研磨式的研磨式的, , 磨粉浆抛光磨粉浆抛光 目的在于移除大部分的表面损伤目的在于移除大部分的表面损伤 形成平坦的表面形成平坦的表面2022-3-3九、湿法腐蚀 去除硅片表面的缺陷去除硅片表面的缺陷 4:1:3 4:1:3 比例混合物：

8、比例混合物：HNOHNO3 3 (79 wt% in H (79 wt% in H2 2O), O), HF (49 wt% in HHF (49 wt% in H2 2O), and pure CHO), and pure CH3 3COOH. COOH. 化学反应化学反应: :3 Si + 4 HNO3 Si + 4 HNO3 3 + 6 HF + 6 HF 3 3 H H2 2SiFSiF6 6 + + 4 NO + 8 4 NO + 8 H H2 2O O2022-3-3十、化学机械抛光SlurryPolishing PadPressureWafer HolderWafer2022-3

9、-3200 mm 硅片厚度和表面粗糙度变化76 mm914 mm硅片切割后12.5 mm814 mm2.5 mm750 mm725 mmVirtually Defect Free抛光后腐蚀后CMP后2022-3-3硅片参数Wafer Size (mm)Thickness (mm)Area (cm 2 ) Weight (grams)27920.261.3238145.614.05100 (4 in)52578.659.67125 (5 in)625112.7217.87150 (6 in)675176.7227.82200 (8 in)725314.1652.98300 (12 in)7757

10、06.21127.6250.8 (2 in)76.2 (3 in)2022-3-3十一 外延1、作为双极型晶体管的埋层保持高击穿电压的同时减小集电极电阻（Link)。2、有利于改善CMOS和DRAM器件的性能。外延层中氧、炭含量较硅晶体更低。（Link) 加热 (1100 C)SiH2Cl2 Si + 2HClDCS Epi Hydrochloride2022-3-31、体硅材料的制备2、SOI材料的制备分两部分：2022-3-3从体硅衬底到SOI衬底From Bulk to Silicon-On-Insulator (SOI)SOI技术：更好的器件隔离；速度更快；技术：更好的器件隔离；速度更

11、快；封装密度更高；电路性能更佳封装密度更高；电路性能更佳n+n+p+p+n+n+p+p+p-subsn-wellVoutVinVddVssVinVoutVssVddsubs体硅CMOSSOI CMOS2022-3-3SOI 衬底上的衬底上的CMOSp-SiUSGn-Si体硅多晶硅STI埋层氧化层n+ 源/漏p+ 源/漏栅氧2022-3-3SOI衬底的制备方法衬底的制备方法单晶硅膜（SOI）埋氧层（BOX）衬底 (Substrate)两种主要方法：（1）注入法（2）键合法2022-3-3氧注入氧注入 SOI技术（技术（SIMOX）Separation by implantion of oxyge

12、n工艺非常简单，仅仅两大步：（工艺非常简单，仅仅两大步：（1 1）大剂量）大剂量氧离子注入，和（氧离子注入，和（2 2）高温退火）高温退火2022-3-3SIMOX技术的几个关键因素（1）氧离子注入剂量（2）衬底温度（3）退火条件2022-3-3（1 1）氧离子注入剂量）氧离子注入剂量临界剂量的概念： 在离子浓度的峰值处直接形成具有化学配比的化合物需要的注入剂量。Nc 对氧注入，Nc1.41018/cm2。 注入剂量小于Nc，通常不能形成连续的BOX。2022-3-3（2 2）衬底温度）衬底温度衬底温度过低，硅膜完全非晶化，不能恢复成单晶；衬底温度过高，形成的硅膜内有氧沉淀。合适的衬底温度：5

13、00700C2022-3-3（3 3）退火条件）退火条件 退火通常在含有2 2氧氧的氮气中进行。其两大作用：I：消除晶格损伤；II:形成界面陡直的顶层硅膜与埋氧层。（a）高度无序含SiO2硅层BOX深度损伤层（b）顶部析出硅膜 含有大量SiO2沉淀和位错的高缺陷层 BOX Si/SiO2混合层。（c）同上，但各层厚度在改变。（d）硅层和BOX完全形成，但衬底界面处存在硅岛（T300 A，L 3002000 A）2022-3-32022-3-3键合键合SOISOI技术（技术（Wafer BondingWafer Bonding） 分两类：（1）键合腐蚀 （BESOI）（2）氢注入键合 （Smar

14、t Cut）2022-3-3（1）键合腐蚀 （BESOI）Bonding and EtchBack2022-3-3键合的基本过程（1）预键合 两个硅片相合，由于范德瓦尔斯力（中性分子彼此距离非常近时，产生的一种微弱电磁引力）的作用，产生相互吸引力而粘合在一起。 如硅片表面具有亲水性，水分子间的氢键作用会产生更大的引力。故预键合前表面一般进行亲水处理，使表面产生大量的羟基团（OH）。（2）退火处理 室温下的粘合很不牢固，退火可显著增强键合强度。退火分3个阶段。2022-3-3 阶段一（室温阶段一（室温300 C）：羟基团（OH）之间的氢键数量增加、键合面积和强度增加。 阶段二（阶段二（30080

15、0 C）：）：氢键逐渐被SiOSi键代替，发生如下聚合反应：（SiOH）（HOSi） （SiOSi）H2O400 C 左右聚合反应完成。生成的水蒸气导致界面产生空洞。 阶段三（阶段三（800 C以上）：以上）：空洞因水蒸气与硅反应生成SiO2而逐渐消失，超过1000 C以后，相邻原子相互反应形成共价键，键合完成。2022-3-3背面腐蚀减薄过程（a）键合前SOI片表面形成高掺杂层（红色），再外延一低掺杂层（蓝色）。（b）键合后，选择腐蚀去衬底（低掺杂层）,腐蚀液：腐蚀液：乙二胺:邻苯二酚:水（c）选择腐蚀去高掺杂层。腐蚀液： HF(1) :HNO3(3) : HAc(8)（d）抛光。 （a） （b） （c） （d）2022-3-3氢诱发了硅内部起泡层氢诱发了硅内部起泡层富氢层富氢层CMP（2）氢注入键合（智能剥离Smart Cut）两片硅片两片硅片一片注氢一片注氢另一片氧化另一片氧化将两片硅片在较将两片硅片在较低温度下键合低温度下键合退火（退火（500500 C C）使键合片在富氢使键合片在富氢层处裂开层处裂开高温退火（高温退火（1100 1100 C C ）增加键合强）增加键合强度度CMPCMP光滑硅片表面光滑硅片表面2022-3-3SmartSmartCut SOICut SOI技术优势技术优势（1）氢离子注入剂量为1016cm2量级，比SIMOX