硅晶圆制造工艺 ppt课件
第2章 硅晶圆制程
1．直拉法生长硅单晶
（5）放肩——在缩颈工艺中，当细颈生长到足够长度时， 通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整，使晶体直径逐 渐变大而达到工艺要求直径的目标值，为了降低晶棒头部 的原料损失，目前几乎都采用平放肩工艺，即使肩部夹角 呈180°。 （6）等径生长——在放肩后当晶体直径达到工艺要求直 径的目标值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的 调整，使晶体生长进入等直径生长阶段，并使进固体直径 控制在大于或接近工艺要求的目标公差值。 （7）收尾——晶体生长的收尾主要要防止位错的反延， 一般讲，晶体位错反延的距离大于或等于晶体生长界面的 直径，因此当晶体生长的长度达到预定要求时，应逐渐缩 小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开硅熔融体 液面，这就是晶体生长的收尾阶段，如图2-5所示。
集成电路芯片制造实用技术
第2章 硅晶圆制程
第2章 硅晶圆制程
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 概述 半导体硅材料制备 生长硅单晶 晶圆加工成型 晶圆抛光 晶圆清洗 实训 拉晶工艺
2.1 概述
地壳中硅的含量大约是26%，因而，硅是地球上含量最丰富的元素之 一，其含量仅次于氧。以二氧化硅为主要成分的石英砂可以在许多地 方找到。随着硅单晶技术的发展，单晶硅晶圆的价格也逐渐下降，而 且变得比单晶锗晶圆或其他单晶半导体材料的价格还要低。 硅作为衬底材料的另一个主要优势，是它能够在热氧化步骤中很容易 地生长出一层二氧化硅。而且，这一热生长的二氧化硅层与下面的硅 衬底之间的界面质量优良，这对于提高MOS晶体管的电学特性很有 帮助。 与锗相比，硅拥有较大的能隙，因此，它能够承受较高的工作温度， 而且具有较大的杂质掺杂浓度范围。此外，硅的击穿电压也比锗要高。 对磷和硼等常用的掺杂杂质而言，二氧化硅可以当作掺杂的掩蔽层， 因为大部分的掺杂物在二氧化硅中的扩散速率要比在单晶硅中的扩散 速率慢得多。
半导体制造技术第四章PPT课件
半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的 技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。
②晶体缺陷的影响
A：生长出不均匀的二氧化硅膜 B：淀积的外延膜质量差 C：掺杂层不均匀 D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正 常工作。
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硅中三种普遍的缺陷形式
• 点缺陷：原子层面的局部缺陷 • 位错：错位的晶胞 • 层错：晶体结构的缺陷
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶 圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个 芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体 结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正 是对晶圆生产的一个挑战。
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3
2.1 硅的晶体结构
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
24 2
5000
0.17
3.0 ( 5%)
Year
(Critical Dimension)
1998
2000
(0.25 mm) (0.18 mm)
200
0.17 (26 x 32)
0.15
300
0.12 26 x 32
0.1
23 2
23 1.5
1000
500
0.13
0.075
2.0 ( 3%) 1.4 ( 2%)
非晶：原子排列无序 晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，
晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单 元。 单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。 多晶体：晶胞排列不规律
.
4
非晶原子排列
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5
三维结构的晶胞
晶胞
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6
4-硅晶圆加工技术
硅晶圆加工技术Why Silicon?冶金级硅硅砂＋焦炭＋煤＋木屑纯度为98-99%的冶金级硅MGS:Metallurgical Grade Silicon基于Simens 法多晶硅的制备１、工业硅的获得２、三氯氢硅的获得 盐酸化：三氯氢硅（TCS)蒸馏:去除TCS中的杂质纯度可达十亿分之一。
半导体级硅的纯度为99.9999999％３、氢还原得到高纯多晶硅西门子法的缺点流体床反应炉技术生产太阳能级多晶硅(６N)单晶硅的制备－Czochralski 法林兰英院士（1918.2.7~2003.3.4）为什么晶圆尺寸越来越大直拉法单晶硅生长设备长晶炉长晶程序石英坩埚——盛装原料用坩埚生长环境•石英坩埚在高温及惰性气氛下脱氧•石墨高温下反应导致材质衰变温度与速度的控制•速度控制：•硅熔融液温度需要控制的参数：长晶理论（一）——对流长晶理论（二）——分凝3.3×10-13.3×10170.07C1.3×10-12.7×10181.25O 3.74×10-14 ×10190.008Ga 3.851 .3×10210.35P 1.535×1030.33Ge 1.3855 ×10200.002Al 9.1×10-21 ×10210.8B 扩散系数最大固熔度分凝系数元素长晶理论（三）——掺杂长晶理论（四）——O、C控制•去裸带•本征杂质吸取作用C 是不良杂质，控制其含量2×1015∼8×1016cm-3太阳电池多晶硅锭定向凝固技术晶圆加工成形200mm 以前采用金刚石刀300mm 用线锯，表面平整度有问题晶边磨圆晶圆晶面研磨去除以前各步机械加工所造成的操作，同时获得干净且光亮的表面。
晶圆刻蚀酸性腐蚀液：Si+4HNO 3SiO 2+4NO 2+2H 2OSiO 2+6HF H 2SiF 6+2H 2O3Si+4HNO 3+ 18HF H 2SiF 6 +4NO 2+8H 2O放热反应需要控制温度碱性腐蚀液：Si+4OH SiO 4-4+2H 2成本低，无有毒气体排放，刻蚀速率与晶向有关，表面热退火去除氧的施主型杂质，使电学特性更加稳定快速热退火：吸除法处理残留缺陷吸除法：利用晶圆中晶格子缺陷来控制或消除其它缺陷。
晶圆制备PPT课件
3.5.3区熔法
另一种晶体生长的方 法是区熔法，是20世 纪50年代发展起来的， 在特殊需要中使用， 所生产的单晶硅锭的 氧含量很低，并且能 生产到目前为止最纯 的硅单晶。生长系统 如图所示。
惰性气体 （氩气）
滑动射 频线圈
籽晶
行进 方向
通入惰性气体
上卡盘 多晶硅棒
• 制造SGS过程： 1. 用碳加热硅石来制备冶金级硅 2.
S( s ) i S C 2 iS O ( l) iS( g i ) O C ( g )O
5
2.通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯 硅烷
S (s )i 3 H (g ) C S l i3 ( H g ) H C 2 (g )
6
3.利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反 应来生产SGS
• 如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞都 会沿着这个坐标轴重复排列。
20
3.5 晶体生长
• 半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。 • 这种半导体材料叫做晶棒，是从大块的具有多
晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。 • 把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定
向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。 • 有三种不同的生长方法：直拉法 、区熔法 和
液体掩盖直拉法.
21
3.5.1 直拉法
大部分的单晶都是 通过直拉法生长的。生 产过程如图所示。
旋转卡盘
籽晶
生长晶体
射频加热线圈
熔融 硅
22
23
3.5.2 液体掩盖直拉法
此方法主要用来生长 砷化镓晶体，和标准的直 拉法一样，只是做了一些 改进。由于熔融物里砷的 挥发性通常采用一层氧化 硼漂浮在熔融物上来抑制 砷的挥发。故得其名，如 图所示。
硅与晶圆的制备
晶種 鈍氣出口
圖 4.11
平盤
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晶圓直徑的趨勢
300 mm
200 mm 150 mm 125 mm 100 mm 75 mm
3
4
5
6
8
圖 4.12
12
20
晶圓直徑與屬性
直徑 (mm) 150 200 300 400
厚度 (m) 675 20 725 20 775 20 825 20
2
Si (s) + 3HCl (g) SiHCl3 (g) + H2 (g) + 熱
3
2SiHCl3 (g) + 2H2 (g) 2Si (s) + 6HCl (g)
表 4.1
3
晶體結構
非晶材料 晶胞 多晶與單晶結構 晶體方向
4
用於SG矽的Siemens反應 器
SiHCl3
多晶體矽柱
圖 4.1
表 4.13
22
300mm晶圓直徑和方向需要的發展規格
參數 直徑 厚度 (中心點) 彎曲 9 點厚度變化 缺口深度 缺口角度 背部表面拋光 邊緣輪廓表面拋光 FQA (品質固定區域－晶圓 表面可允許的半徑範圍) 單位 mm m m m mm 度 一般 300.00 775 100 10 1.00 90 蝕刻／研磨 研磨 mm 147 + 0.25, -0.00 +5, -1 一些典型誤差值 0.20 25
表 4.4
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矽之晶體缺陷
晶體缺陷 (微缺陷) 是指任何妨礙單位晶胞 重複性地出現於晶體 晶體缺陷依其形式可區分為3大類： 1.點缺陷：原子級的局部缺陷。 2.差排：單位晶胞錯置。 3.整體缺陷：晶體結構之缺陷。
半导体级晶圆硅生产工艺
加工流程：单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片倒角→研磨腐蚀--抛光→清洗→包装切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度，切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。
切断的设备：内园切割机或外园切割机切断用主要进口材料：刀片外径磨削：由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。
外径滚磨的设备：磨床平边或V型槽处理：指方位及指定加工，用以单晶硅捧上的特定结晶方向平边或V型。
处理的设备：磨床及X－RAY绕射仪。
切片：指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。
切片的设备：内园切割机或线切割机倒角：指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。
倒角的主要设备：倒角机研磨：指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。
研磨的设备：研磨机（双面研磨）主要原料：研磨浆料（主要成份为氧化铝，铬砂，水），滑浮液。
腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。
腐蚀的方式：（A）酸性腐蚀，是最普遍被采用的。
酸性腐蚀液由硝酸（HNO3），氢氟酸（HF），及一些缓冲酸（CH3COCH，H3PO4）组成。
（B）碱性腐蚀，碱性腐蚀液由KOH或NaOH加纯水组成。
[Page]抛光：指单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度晶片的抛光。
抛光的设备：多片式抛光机，单片式抛光机。
抛光的方式：粗抛：主要作用去除损伤层，一般去除量约在10－20um；精抛：主要作用改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1um以下主要原料：抛光液由具有SiO2的微细悬硅酸胶及NaOH（或KOH或NH4OH）组成，分为粗抛浆和精抛浆。
清洗：在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗主要是抛光后的最终清洗。
教学课件PPT基本半导体材料及晶圆制备
由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气 相外延和分子束外延；由外延过程中的生长 机构可分为直接外延和间接外延。
“切克劳斯基法”生长单晶 硅
单晶硅生长
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接 着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生 成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶 体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需 要花费三天时间生长。
掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获 得期望的电阻率
杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性， 要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚 金属沾污，但要适量。
半导体的电导率：σ =μ n*n+ μ p*p μ n 电子迁移率。 μ p 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比
4、本征硅半导体的 结构
1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。
3多晶和单晶
多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排 列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似， 每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具 有多晶结构。
。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测 的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可 预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾， 晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的 晶元是至关重要的
3. 电阻率和迁移率
1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的
能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为
倒数。
R
半导体制造流程PPT课件
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晶圆处理制程
融化（MeltDown）
颈部成长（Neck Growth）
晶柱成长制程
晶冠成长（Crown Growth）
晶体成长（Body Growth）
尾部成长（Tail Growth）
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晶圆处理制程
切片 （Slicing）
圆边 （Edge Polishin
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晶圆处理制程
• 离子注入是另一种掺杂技术，离子注入掺杂也分为两 个步骤：离子注入和退火再分布。离子注入是通过高 能离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被 注入硅本体，在其他部位，杂质离子被硅表面的保护 层屏蔽，完成选择掺杂的过程。进入硅中的杂质离子 在一定的位置形成一定的分布。通常，离子注入的深 度(平均射程)较浅且浓度较大，必须重新使它们再分 布。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺 杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。
• 一个现代的IC含有百万个以上的独立组件，而其尺寸通 常在数微米，在此种尺寸上，并无一合适的机械加工机 器可以使用，取而代之的是微电子中使用紫外光的图案 转换(Patterning),这个过程是使用光学的图案以及光感 应膜來将图案转上基板,此种过程称为光刻微影 (photolithography）
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晶圆处理制程
曝光（exposure） • 在光刻微影过程，首先为光阻涂布，先将适量光阻滴上基
板中心，而基板是置于光阻涂 布机 的真空吸盘上，转盘 以每分钟數千转之转速，旋转30-60秒，使光阻均匀涂布 在 基板上，转速与旋转时间，依所需光阻厚度而定。 • 曝照于紫外光中，会使得光阻的溶解率改变。紫外光通过 光罩照射于光阻上，而在光照及阴影处产生相对应的图形 ，而受光照射的地方，光阻的溶解率产生变化，称之 为光 化学反应， 而阴影处的率没有变化，这整个过称之为曝光 （exposure）。
半导体制造工艺流程课件PPT(共 105张)
三、IC构装制程
• IC構裝製程（Packaging）：利用塑膠 或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路
• 目的：是為了製造出所生產的電路的保 護層，避免電路受到機械性刮傷或是高 溫破壞。
半导体制造工艺分类
MOS型
双极型
PMOS型 NMOS型 CMOS型 饱和型
非饱和型
BiMOS TTL I2L ECL/CML
SiO2
P+ N-epi P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗 —去膜--清洗—P+扩散(B)
第三次光刻—P型基区扩散孔
决定NPN管的基区扩散位置范围 SiO2
外延层淀积
1。VPE（Vaporous phase epitaxy) 气相外延生长硅 SiCl4+H2→Si+HCl 2。氧化
Tepi>Xjc+Xmc+TBL-up+tepi-ox SiO2
N-epi
N+-BL
N+-BL
P-SUB
第二次光刻—P+隔离扩散孔
• 在衬底上形成孤立的外延层岛,实现元件的隔离.
半导体制造工艺流程
半导体相关知识
• 本征材料：纯硅 9-10个9
250000Ω.cm
• N型硅： 掺入V族元素--磷P、砷As、锑 Sb
• P型硅： 掺入 III族元素—镓Ga、硼B
• PN结：
P
-
-
++ + ++
N
半导体元件制造过程可分为
• 前段（Front End）制程 晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab）、 晶圆针测制程（Wafer Probe）；
制造芯片的硅晶体的原理和过程方法26页PPT
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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11 PPT课件
12 PPT课件
一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
13 PPT课件
4. 研磨
用甘油和三氧化铝的混合液研磨——抛光
14 PPT课件
3. 切割
反应得到的多晶Si还不能直接用于生产电子元器件，必 须将它制成单晶体
5 PPT课件
2. 单晶硅制备
直拉法（Czochralski法）单晶生长 晶体主流生长技术
6 PPT课件
晶体和坩锅彼此是相互反向运动： 一定晶向的硅柱 低温 籽晶旋转 熔融的单晶硅
7 PPT课件
直拉法基本过程
1. 引晶：通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化 ，并保 持略高于硅熔点的温度;
2 PPT课件
硅晶圆的制备工艺主要分五个阶段：
• 1. 多晶硅原料 • 2. 单晶硅制备 • 3. 切割 • 4. 研磨 • 5. 评估
3 PPT课件
1. 多晶硅原料
地球中硅以硅砂（SiO2）状态存在
还原炉SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)
粗硅
化学法
纯化 (99.999999999%)
2. 将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时 旋转引出晶体；
8 PPT课件
3. 等径生长：根据熔体和单晶炉情况，控制晶体等径生 长 到所需长度；
4. 收尾：直径逐渐缩小，离开熔体； 5. 降温：降级温度，取出晶体，待后续加工 。
9 PPT课件
晶体生长最大速度：
与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率 、晶体密度等有关。
温度梯度：提高晶体中的温度梯度，可以提高晶体生长速度；
但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等 晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。
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熔体中的对流：
晶体和坩锅彼此是相互反向运动。相反 旋转的晶体和坩埚产生对流，反向旋转 速度相差越大，对流强烈，所生长的晶 体的直径越大。但对流越强烈，会造成 熔体中温度波动，从而导致晶体中的杂 质分布不均匀。
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5. 晶片评估
厚度、缺陷
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不同尺寸圆片的生命周期
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1 PPT课件
硅作为集成电路半导体材料的主要原因：
1. 硅含量丰富（占地壳27%）； 2. 硅提纯和结晶方便； 3. 在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一
的强酸; 4. 硅的器件工作温度高，能达250℃ ； 5. 硅的表面能形成 牢固致密的SiO2膜，SiO2
能充当电容的电介质、扩散的隔离层、器 件表面的保护层，使器件的稳定性提高。
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化学法纯化
西 盐酸法：粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应
门 子
Si十3HCl==SiHCl3（L）+H2（g）（实际反应极复杂）
式
多
精馏： 将SiHCl3置于蒸馏塔中
晶
利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯
硅
工
分解： 将精馏过的SiHCl3置于CVD反应炉中
艺
用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl