工艺-硅片制造

1、2020/6/28,集成电路工艺 硅片制备,2020/6/28,1、体硅材料的制备 2、SOI材料的制备,分两部分：,2020/6/28,晶体结构,单晶 全域重复结构 多晶 局域重复结构 非晶（无定形） 完全不存在重复结构,2020/6/28,单晶结构,2020/6/28,多晶结构,Grain,Grain Boundary,2020/6/28,无定形（非晶）结构,2020/6/28,硅的金刚石结构图 晶胞,单晶硅单位结构 原胞,2020/6/28,晶向,x,y,z, plane,2020/6/28, 晶面, 晶面,晶面格点,2020/6/28,硅片表面腐蚀坑,plane, plane,2020

2、/6/28,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,2020/6/28,层 错,2020/6/28,为什么是硅?,历史的选择 储量丰富，便宜, 取之不尽，用之不竭 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 禁带宽度大，工作温度范围宽 电学和机械性能都非常奇异。,2020/6/28,Source: http:/www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html,2020/6/28,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

3、) 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),2020/6/28,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),2020/6/28,从沙子到硅片-3,0.5元/kg,1000元/kg,SiO2 ( 90-95% ),多晶硅 ( 99.99% ),单晶硅 Wafer,10000元/kg,2020/6/28,一、用炭从二氧化硅中还原出硅,气体,液体,2020/6/28,二、生成三氯硅烷（TCS）

4、并提纯,Condenser,2020/6/28,三、用氢从TCS中还原出硅（EGS）,2020/6/28,电子级硅,Source: ,2020/6/28,四、多晶硅转变成单晶硅,两种主要方法： （1）直拉法（CZ） （2）区熔法（FZ）,2020/6/28,（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 coils,1415 C,熔化后的硅,Quartz Crucible,Graphite Crucible,2020/6/28,CZ 拉单晶图示,Source: ,2020/6/28,（2）区熔法FZ Method,2020/6

5、/28,两种方法的比较,CZ 方法更普遍 成本更低 硅片尺寸更大 (300 mm已可投入生产) 材料可重复使用 FZ方法（Floating Zone) 单晶纯度更高 (无坩锅) 成本更高，硅片尺寸偏小 (150 mm) 主要用于功率器件,2020/6/28,五： 掐头去尾、 径向打磨、 切面、 或者制槽,2020/6/28,晶向指示标记,2020/6/28,六、硅片切割 Wafer Sawing,2020/6/28,七、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,2020/6/28,八、抛光,粗抛 传统的, 研磨式的, 磨粉浆抛光 目的在于移除大部

6、分的表面损伤 形成平坦的表面,2020/6/28,九、湿法腐蚀,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. 化学反应: 3 Si + 4 HNO3 + 6 HF 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O,2020/6/28,十、化学机械抛光,Slurry,Polishing Pad,Pressure,Wafer Holder,Wafer,2020/6/28,200 mm 硅片厚度和表面粗糙度变化,76 mm,914 mm,硅片切割后,12.5 mm,814 mm,2.5

7、 mm,750 mm,725 mm,Virtually Defect Free,抛光后,腐蚀后,CMP后,2020/6/28,硅片参数,Wafer Size,(mm),Thickness,(m,m),Area,(cm,2,),Weight,(grams),279,20.26,1.32,381,45.61,4.05,100 (4 in),525,78.65,9.67,125 (5 in),625,112.72,17.87,150 (6 in),675,176.72,27.82,200 (8 in),725,314.16,52.98,300 (12 in),775,706.21,127.62,50

8、.8 (2 in),76.2 (3 in),2020/6/28,十一 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),2020/6/28,1、体硅材料的制备 2、SOI材料的制备,分两部分：,2020/6/28,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；封装密度更高；电路性能更佳,2020/6/28,SOI 衬底上的CMOS,p-Si,USG,n-Si,体硅,多晶硅,STI

9、,埋层氧化层,n+ 源/漏,p+ 源/漏,栅氧,2020/6/28,SOI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,2020/6/28,氧注入 SOI技术（SIMOX） Separation by implantion of oxygen,工艺非常简单，仅仅两大步：（1）大剂量氧离子注入，和（2）高温退火,2020/6/28,SIMOX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,2020/6/28,（1）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

10、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。,2020/6/28,（2）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：500700C,2020/6/28,（3）退火条件,退火通常在含有2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

11、衬底界面处存在硅岛（T300 A，L 3002000 A）,2020/6/28,2020/6/28,键合SOI技术（Wafer Bonding）,分两类： （1）键合腐蚀 （BESOI） （2）氢注入键合 （Smart Cut）,2020/6/28,（1）键合腐蚀 （BESOI） Bonding and EtchBack,2020/6/28,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

12、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。,2020/6/28,阶段一（室温300C）：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（300800C）：氢键逐渐被SiOSi键代替，发生如下聚合反应： （SiOH）（HOSi） （SiOSi）H2O 400 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（800C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。,2020/6/28,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

13、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：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）,2020/6/28,氢诱发了硅内部起泡层,富氢层,CMP,（2）氢注入键合（智能剥离Smart Cut）,两片硅片 一片注氢 另一片氧化 将两片硅片在较低温度下键合 退火（500C）使键合片在富氢层处裂开 高温退火（1100 C ）增加键合强度 CMP光滑硅片表面,2020/6/28,SmartCut SOI技术优势,（1）氢离子注入剂量为1016cm2量级，比SIMOX的氧剂量小2个数量级，普通注入机即可。 （2）SOI层膜厚均匀，且厚度可由氢注入条件精确控制。 （