半导体衬底.pdf

JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺技术集成电路工艺技术Integrated Circuit Technology 康博南康博南JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY第一章 半导体衬底第二章 氧化第三章 扩散第四章 离子注入第五章 光刻第六章 刻蚀第七章 化学气相沉积第八章 化学机械化平坦第九章 金属化工艺第十章第一章 半导体衬底第二章 氧化第三章 扩散第四章 离子注入第五章 光刻第六章 刻蚀第七章 化学气相沉积第八章 化学机械化平坦第九章 金属化工艺第十章 CMOS工艺流程工艺流程JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY教材：1、半导体制造技术，作者 Michael Quirk，电子工业出版社。参考2、微电子制造科学原理与工程技 术，作者 Stephen A.Campbell，电子 工业出版社。教材：1、半导体制造技术，作者 Michael Quirk，电子工业出版社。参考2、微电子制造科学原理与工程技 术，作者 Stephen A.Campbell，电子 工业出版社。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY第一章 半导体衬底第一章 半导体衬底晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性Crystal Growth,Wafer Fabrication and Basic Properties of Silicon WafersJILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1、集成电路发展历程回顾2、描述天然硅原料如何加工提炼成半导体级硅(1、集成电路发展历程回顾2、描述天然硅原料如何加工提炼成半导体级硅(semiconductor-grade silicon,SGS)。3、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。4、讨论硅晶体的主要缺陷。5、简单敘述由硅晶锭加工成为硅晶圆的基本步 骤。6、说明并讨论晶圆供应商所需进行的7项品质测量 项目。7、外延层及其重要性。)。3、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。4、讨论硅晶体的主要缺陷。5、简单敘述由硅晶锭加工成为硅晶圆的基本步 骤。6、说明并讨论晶圆供应商所需进行的7项品质测量 项目。7、外延层及其重要性。课程内容课程内容JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路发展历程回顾集成电路发展历程回顾1、1906年 第一只三极管年 第一只三极管“Audion”2、1925年 场效应晶体管的提出年 场效应晶体管的提出3、1948年 点接触晶体管年 点接触晶体管4、1950年 面接触晶体管年 面接触晶体管5、1958年 第一块集成电路年 第一块集成电路6、1960年 年 MOS场效应晶体管场效应晶体管JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY18000个电子管，占地150m18000个电子管，占地150m2 2，重30吨，计算速度每秒 5000次，存储容量千位。，重30吨，计算速度每秒 5000次，存储容量千位。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY第一台计算机中 使用的晶体管。第一台计算机中 使用的晶体管。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路的划分集成电路的划分集成电路的划分集成电路的划分VLSILSIMSISSI小规模，100个晶体管小规模，100个晶体管中规模，100 1000个晶体管1000 100000个 晶体管中规模，100 1000个晶体管1000 100000个 晶体管100000 个晶体管100000 个晶体管JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY?1971年年Intel公司推出的微处理器芯片上只有公司推出的微处理器芯片上只有2300个晶体管个晶体管;?1982年年Intel80286微处理器上有微处理器上有13万万4千个晶体管千个晶体管;1 MHz,5V5k Components1959年开始了集成电路时代1959年开始了集成电路时代JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYIntel Pentium(III)Microprocessor1994100 MHz,3.3V3M ComponentsJILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYIntel Pentium(IV)Microprocessor19991.2 GHz,1.8V42M ComponentsJILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYLilienfeld FET Transistor(1930)Lilienfeld FET Transistor(1930)Julius Edgar Lilienfeld，利 林 费 尔 德(1882-1963)：德国人，曾在莱比锡大学任 教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式 而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925 年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930 年获得专利。1935年,德国物理学家海尔（Oskar Heil）描述了一种类似于结型场效应晶 体 管 的 结 构(O.Heil,British Patent 439,457,1935).然而，由于材料的困难实际 制 备 晶 体 管 在 1960 年 以 前 是 不 可 能 的。Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完 全驳回；Bardeen，巴丁(美国物理学家,1956,1972两度获诺贝尔物理学奖)的点接触晶 体管的专利也因为有Lilienfeld的专利在前，而有超过半数的人认为不能通过。Julius Edgar Lilienfeld，利 林 费 尔 德(1882-1963)：德国人，曾在莱比锡大学任 教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式 而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925 年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930 年获得专利。1935年,德国物理学家海尔（Oskar Heil）描述了一种类似于结型场效应晶 体 管 的 结 构(O.Heil,British Patent 439,457,1935).然而，由于材料的困难实际 制 备 晶 体 管 在 1960 年 以 前 是 不 可 能 的。Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完 全驳回；Bardeen，巴丁(美国物理学家,1956,1972两度获诺贝尔物理学奖)的点接触晶 体管的专利也因为有Lilienfeld的专利在前，而有超过半数的人认为不能通过。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJohn Bardeen and Walter Brattain(沃尔特 布拉顿沃尔特 布拉顿)at Bell Laboratories constructed the first solid-state transistor.This PNP point-contact germanium transistor operated with a power gain of 18 on Dec.23,1947.With their manager,William Shockley,they won the Nobel Prize in 1956.第一个晶体管第一个晶体管JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开 一条约为50微米间隔的小缝，用一块三角形的石英晶体 将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极，形成 点接触PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时，可以 观测到把输入信号放大的晶体管效应。这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开 一条约为50微米间隔的小缝，用一块三角形的石英晶体 将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极，形成 点接触PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时，可以 观测到把输入信号放大的晶体管效应。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY肖克莱在点接触 晶体管发明后，提出 了可以利用两个肖克莱在点接触 晶体管发明后，提出 了可以利用两个p型 层中间夹一型 层中间夹一n型层作 为半导体放大结构的 构想。并与型层作 为半导体放大结构的 构想。并与M.Sparks 和和G.K.Teal一起发明 了单晶锗一起发明 了单晶锗NPN结型 晶体管。结型 晶体管。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1958 年，德州仪器 公司（TI）的杰克1958 年，德州仪器 公司（TI）的杰克基尔比（Jack Kilby），研制出 了世界上第一块集成电 路。该电路是在锗衬底上 制作的相移振荡器和触发 器，共有12个器件。器件 之间是介质隔离，器件间 互连线采用的是引线焊接 方法。基尔比（Jack Kilby），研制出 了世界上第一块集成电 路。该电路是在锗衬底上 制作的相移振荡器和触发 器，共有12个器件。器件 之间是介质隔离，器件间 互连线采用的是引线焊接 方法。集成电路的诞生集成电路的诞生JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY罗伯特罗伯特诺伊斯（诺伊斯（Robert Noyce）杰克）杰克.基尔比和罗伯特基尔比和罗伯特诺伊斯诺伊斯两个集成电路的独立发明人两个集成电路的独立发明人JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY人类智力的一次飞跃瑞典皇家科学院将2000年诺贝 尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞 物理技术研究所的人类智力的一次飞跃瑞典皇家科学院将2000年诺贝 尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞 物理技术研究所的阿尔弗洛夫博士阿尔弗洛夫博士,美国加州大学圣巴巴拉分校的,美国加州大学圣巴巴拉分校的克罗 克罗 默教授默教授和美国TI公司的和美国TI公司的基尔比教授基尔比教授,他们是因为,他们是因为高速晶体管高速晶体管,激光二极 管激光二极 管和和集成电路集成电路而荣获此项奖励的.其中,阿尔弗洛夫和克罗默将分享 奖金的1/2,而基尔比教授则独得奖 金的另一半.而荣获此项奖励的.其中,阿尔弗洛夫和克罗默将分享 奖金的1/2,而基尔比教授则独得奖 金的另一半.JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY制备半导体级硅制备半导体级硅(SGS)的过程的过程 步骤步骤 过程描述过程描述 反应方程式反应方程式 1 用碳加热硅石来制备冶金级硅用碳加热硅石来制备冶金级硅(MGS)。SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)2 通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷气体。通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷气体。Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)+热热 3 利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产半导体级硅利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产半导体级硅(SGS)。2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)半导体级硅半导体级硅JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY用 来 做 芯 片 高 纯 硅 称 为 半 导 体 级 硅（semiconductor-grade silicon)，或SGS。用 来 做 芯 片 高 纯 硅 称 为 半 导 体 级 硅（semiconductor-grade silicon)，或SGS。得到SGS的第一步是在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO得到SGS的第一步是在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2 2)，一种纯沙，来生产冶金级硅。)，一种纯沙，来生产冶金级硅。在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98。由于冶金级硅的 沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。通常将冶金 级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98。由于冶金级硅的 沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。通常将冶金 级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯 度为99.9999999%的半导体级硅。含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯 度为99.9999999%的半导体级硅。这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。三氯硅烷和氢气被注入到 西门子反应器中，然后在加热的超纯硅棒上进行化学反应。几天后 工艺过程结束，将淀积的SGS棒切成用于硅晶体生长的小片。这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。三氯硅烷和氢气被注入到 西门子反应器中，然后在加热的超纯硅棒上进行化学反应。几天后 工艺过程结束，将淀积的SGS棒切成用于硅晶体生长的小片。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCondense SiOSiO+COSiO2+C1500Form SiCFrom SiO and CMelt SiO2SiO+2CSiC+CO1780SiC+SiO2Si+SiO+COSIO2+CSiO+COLiquid SiDischarge SiQuartziteCoke(焦炭焦炭)Wood chipCO,SiO,H2 OEffluentinput元素元素浓度（浓度（ppma)Al12001400Fe16003000B3745P2730Ca590Cr50140Cu2490Mn7080Mo10Ni4080Ti150200Zr30 MGS一般杂质种类与浓度一般杂质种类与浓度埋弧电炉生产冶金级硅埋弧电炉生产冶金级硅JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超过靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超过2000，按下 式产生硅：，按下 式产生硅：SiC+SiO2Si+SiO+CO在此部位的上方，温度稍低一些，达在此部位的上方，温度稍低一些，达17001500，上升的副产 品气体发生反应形成中间产物碳化硅，如下式：，上升的副产 品气体发生反应形成中间产物碳化硅，如下式：SiO+CSiC+CO靠近顶部，这里的温度低于靠近顶部，这里的温度低于1500，根据热力学，预计逆向反应占主导地 位：，根据热力学，预计逆向反应占主导地 位：SiO+COSiO2+C炉料是从炉顶加入炉内的，而液态硅从炉底周期性的放出，铸成锭 条。如果铸锭是定向的，符合被称为正常凝固的条件，其杂质再分 布可利用来进行一定提纯：炉料是从炉顶加入炉内的，而液态硅从炉底周期性的放出，铸成锭 条。如果铸锭是定向的，符合被称为正常凝固的条件，其杂质再分 布可利用来进行一定提纯：Cs=keff C0(1-g)keff-1，为了使电弧炉反应 进行得顺利，要保持炉料的多孔性，使得，为了使电弧炉反应 进行得顺利，要保持炉料的多孔性，使得SiO和和CO能有均匀的气 流，并能使能有均匀的气 流，并能使CO，SiO和和H2 O能散出到炉顶，为此，加入一些木块在 炉料中，而硅石的状态必须是在炉上部加热时不易碎化，否则会过 早熔融，结壳，导致炉内气压过高有爆炸的危险。能散出到炉顶，为此，加入一些木块在 炉料中，而硅石的状态必须是在炉上部加热时不易碎化，否则会过 早熔融，结壳，导致炉内气压过高有爆炸的危险。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY废气回收废气回收废弃物 分离处 理废弃物 分离处 理蒸馏蒸馏/冷凝 纯化冷凝 纯化收集收集反 应 器反 应 器金属氯化废弃物金属氯化废弃物三氯硅烷，三氯硅烷，TCS纯度高于纯度高于99.9999999盐酸萃取纯化盐酸萃取纯化三氯硅烷三氯硅烷,TCSSi+3HClSiHCl3+H2300JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY石英钟罩反应腔加热体石英钟罩反应腔加热体电极电极SiHCl3+H2Si(SGS)+3HCl9001100 含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原 制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原 制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY为什么生产集成电路必须使用单晶硅？为什么生产集成电路必须使用单晶硅？这是因为器件的许多电学和机械性质都 与它的这是因为器件的许多电学和机械性质都 与它的原子级结构原子级结构有关。这就要求原子具有 有关。这就要求原子具有 重复性结构重复性结构，从而使得芯片与芯片之间的性 能具有，从而使得芯片与芯片之间的性 能具有重复性重复性。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYWhy Silicon?Abundant,cheap Silicon dioxide is very stable,strongdielectric,and it is easy to grow in thermalprocess.Large band gap,wide operation temperaturerange.JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY硅单晶制造流程硅单晶制造流程沙子沙子 SiO2冶金级多晶硅冶金级多晶硅 MGS三氯硅烷三氯硅烷 SiHCl电子级多晶硅电子级多晶硅 EGS硅单晶硅单晶电弧炉，焦炭还原电弧炉，焦炭还原HCl溶解纯化溶解纯化块状多晶硅制造粒状多晶硅制造块状多晶硅制造粒状多晶硅制造Cz法与区熔法法与区熔法JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY单晶硅生长单晶硅生长 CZ 方法CZ 方法 CZ 晶体拉升器CZ 晶体拉升器 掺杂掺杂 杂质控制杂质控制 区熔法区熔法 发展大直径晶锭的理由发展大直径晶锭的理由JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY公共邮箱：公共邮箱：密码：密码：ictechnology康博南：康博南：13756553011JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCZ法定义法定义Czochralski(CZ)查克洛斯基法生长 单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体 变为有正确晶向并且被掺杂成查克洛斯基法生长 单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体 变为有正确晶向并且被掺杂成n型或型或p 型的固体硅锭。型的固体硅锭。85以上的单晶硅是 采用以上的单晶硅是 采用CZ法生长出来的。法生长出来的。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCZ法特点：法特点：低功率低功率IC的主要原料。的主要原料。占有占有80的市场。的市场。制备成本较低。制备成本较低。硅片含氧量高。硅片含氧量高。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY籽晶熔融多晶 硅热屏蔽籽晶熔融多晶 硅热屏蔽水套单晶硅石英坩锅碳加热部件晶体拉伸与转 动机械水套单晶硅石英坩锅碳加热部件晶体拉伸与转 动机械CZ拉单晶炉CZ拉单晶炉JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY用CZ方法生长的硅锭用CZ方法生长的硅锭Photograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si ingotJILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCZ法主要工艺工程法主要工艺工程:籽晶熔接籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一 定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一 定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。引晶和缩颈：引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时 要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可 开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步 骤叫当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时 要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可 开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步 骤叫“引晶引晶”，又称，又称“下种下种”。“缩颈缩颈”是指在引晶后略为降低 温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是 排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延 伸。颈一般要长于是指在引晶后略为降低 温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是 排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延 伸。颈一般要长于20mm。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY放肩：放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到 所需的直径为止。这称为缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到 所需的直径为止。这称为“放肩放肩”。在放肩时可判别晶体是 否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特 征。在放肩时可判别晶体是 否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特 征棱的出现可帮助我们判别，棱的出现可帮助我们判别，方向应有对称三条 棱，方向应有对称三条 棱，方向有对称的四条棱。方向有对称的四条棱。等径生长：等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶 体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶 体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。收尾：收尾：随着晶体生长结束，采用稍升温，降拉速，使晶 体直径逐渐变小，此过程称为收尾。随着晶体生长结束，采用稍升温，降拉速，使晶 体直径逐渐变小，此过程称为收尾。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCzochralski(CZ)Crystal Growth1.Polysiliconcharge in silica crucible.3.Shoulder growth,after neck is complete.5.Body growth.2.Start of neck.Seed is dipped to 1400 C melt.4.Start of body,after completion of shoulder.5.Conical tail growth after completion of body.JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCZ拉单晶炉CZ拉单晶炉Photograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si crystal puller影响直拉法的两个主要 参数是影响直拉法的两个主要 参数是拉伸速率拉伸速率和和晶体 旋转速率晶体 旋转速率。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY硅掺杂浓度术语硅掺杂浓度术语浓度浓度(原子数原子数/cm3)杂质 材料类型 杂质 材料类型 1019(重掺杂重掺杂)五价 n n-n-n n+三价 三价 p p-p-p p+JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY区熔法晶体生长区熔法晶体生长RF气体入口(惰性)熔融区可移动 RF线图多晶棒(硅)籽晶惰性气体出口卡盘卡盘气体入口(惰性)熔融区可移动 RF线图多晶棒(硅)籽晶惰性气体出口卡盘卡盘JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY区熔法（区熔法（Floating Zone method）特点：）特点：硅片含氧量低、纯度高。硅片含氧量低、纯度高。主要用于高功率主要用于高功率IC。制备成本比制备成本比CZ法高。法高。难生长大直径硅晶棒。难生长大直径硅晶棒。低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较差。低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较差。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY单晶生长单晶生长(Crystal growth)切断切断(Cropping)外径磨削外径磨削(Gringing)平边或平边或V槽磨削槽磨削(Flat or V-notch)切片切片(Slicing)磨圆边磨圆边(Edge Profiling)研磨研磨(Lapping)刻蚀刻蚀(Etching)抛光抛光(Polishing)清洗清洗(Cleaning)品质检验品质检验(Inspection)包装包装(packaging)硅片制造流程硅片制造流程JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCropping切断目的：取样测量电阻值及确定结晶方向，并切割出符合阻值规格的长度范围。切断目的：取样测量电阻值及确定结晶方向，并切割出符合阻值规格的长度范围。Grinding外径磨削目的：磨削至客户所需的硅片尺寸大小。外径磨削目的：磨削至客户所需的硅片尺寸大小。Flat or V-notch平边或平边或V槽磨削目的：定位硅片槽磨削目的：定位硅片结晶方向（平边或结晶方向（平边或V 型槽）型槽）硅单晶棒磨削加工硅单晶棒磨削加工JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY锯刃锯刃Slicing切片目的：硅单晶棒切片切片目的：硅单晶棒切片Edge profiling磨圆边目的：将硅片边缘锐角或微缺陷去除，以减少制造过程中产生微粒、防止晶 片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加外延层及光刻胶层的平坦度。磨圆边目的：将硅片边缘锐角或微缺陷去除，以减少制造过程中产生微粒、防止晶 片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加外延层及光刻胶层的平坦度。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYLapping研磨目的：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。研磨目的：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。研磨浆 料入口研磨浆 料入口JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY打气泡酸刻蚀槽打气泡酸刻蚀槽清洗水槽清洗水槽1清洗水槽清洗水槽2Etching刻蚀目的刻蚀目的: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。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。Step I:Si+2HNO3SiO2+2HNO22HNO2 NO+NO2+H2 OStep II:SiO2+6HF H2 SiF6+2H2 OJILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYPolishing抛光目的：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。粗抛：主要作用去除损伤层，一般去除量约在抛光目的：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。粗抛：主要作用去除损伤层，一般去除量约在1020 m；精抛：主要作用改善晶片表面 的微粗糙程度，一般去除量；精抛：主要作用改善晶片表面 的微粗糙程度，一般去除量 1 m以下主要原料：抛光液由具有 以下主要原料：抛光液由具有 SiO2的微细悬硅酸胶及的微细悬硅酸胶及NaOH（或（或KOH或或NH4 OH）组成，分为粗抛浆和精抛浆。）组成，分为粗抛浆和精抛浆。JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCleaning清洗目的：去除硅片表面的污染物，微、屬离子、有机物、原生 氧化层等。清洗目的：去除硅片表面的污染物，微、屬离子、有机物、原生 氧化层等。SC1:NH4OH+H2 O2+H2 O(1:1:5 1:2:7)SC2:HCl+H2 O2+H2 O(1:1:6 1:2:8)JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYAfter Edge Rounding(边缘圆滑化）边缘圆滑化）After Lapping(粗磨）粗磨）After Etch(刻蚀）刻蚀）After CMP(化学机械研磨）化学机械研磨）After Wafer Sawing(切片）切片）JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY控制污染有三道防线:控制污染有三道防线:环境净化（clean room）环境净化（clean room）硅片清洗（wafer cleaning）硅片清洗（wafer cleaning）吸杂（gettering）吸杂（gettering）实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1、空气净化、空气净化From Intel Museum实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于 净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于 0.5 m的粒子总数不超过的粒子总数不超过X个。个。0.5um实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYParticle Diameter（m）Class0.10.30.55.013531103503010100300100100010007100001000070100000100000700实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY高效过滤高效过滤排气除尘排气除尘超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜：过滤大颗 粒，静电吸 附小颗粒超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜：过滤大颗 粒，静电吸 附小颗粒泵循环系统泵循环系统2022 C4046RH实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY由于集成电路內各元件及连线相当微 细，因此制造过程中，如果遭到灰尘、金 属的污染，很容易造成芯片内电路功能的 损坏，形成短路或断路，导致集成电路的 失效！在现代的由于集成电路內各元件及连线相当微 细，因此制造过程中，如果遭到灰尘、金 属的污染，很容易造成芯片内电路功能的 损坏，形成短路或断路，导致集成电路的 失效！在现代的VLSI工厂中，工厂中，75%的产 品率下降都来源于硅芯片上的颗粒污染。成品率提高的产 品率下降都来源于硅芯片上的颗粒污染。成品率提高3.8，年利率增加，年利率增加1000万美 元。实验室净化及硅片清洗万美 元。实验室净化及硅片清洗JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗Contaminants may consist of particles,organic films(photoresist),heavy metals or alkali ions.JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY外来杂质的危害性例外来杂质的危害性例2.MOS阈值电压受碱金属离子的影响阈值电压受碱金属离子的影响oxMoxfAsfFBthCqQCqNVV)2(22当当tox10 nm，QM6.51011 cm-2（10 ppm)时，时，Vth0.1 V例例3.MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求的要求 1015 cm2，vth=107 cm/s若要求若要求 G100 s，则，则Nt 1012 cm-3=0.02 ppb!tthGNv1实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗颗粒粘附实验室净化及硅片清洗颗粒粘附所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。颗粒来源：颗粒来源：空气空气人体人体设备设备化学品化学品超级净化空气超级净化空气风淋吹扫、防护服、面 罩、手套等，机器手风淋吹扫、防护服、面 罩、手套等，机器手/人人特殊设计及材料定期清洗特殊设计及材料定期清洗超纯化学品去离子水超纯化学品去离子水JILIN UNIVERSITY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗0.2m0.5mNH4 OH130-24015-30H2 O220-1005-20HF0-10HCl2-71-2H2 SO4180-115010-80在在在在ULSIULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目级化学试剂中的颗粒浓度（数目级化学试剂中的颗粒浓度（数目级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml/ml