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1、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 概述 2.2 半导体硅材料制备 2.3 生长硅单晶 2.4 晶圆加工成型 2.5 晶圆抛光 2.6 晶圆清洗 2.7 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
2、，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。,2.1 概述,1975年全球多晶硅产量1700吨，1995年上升为4500吨，1995年虽已增至11 500吨，需求却高达13 000吨。2002年国际多晶硅市场需求量多达2.5万吨，总产量预测却2万多吨。而我国多晶硅生产却远远不能满足日益发展的信息产业的需要，到1998年只有60吨的年生产能力，
3、需求量的85%以上依靠进口。 我国2002年IC产量已超过50亿块，多晶硅需求1000多吨，而产量仅100吨。国际市场需求量现在以每年10-12%的速度增长，据此速度预测，到2005年，全球需求将达27 000吨，2010年将达60 000吨，缺口超过万吨以上。 日本是亚洲最大的多晶硅生产国，1996年产量达到3880吨，2002年产量预测可实现5700吨。但国内仍然缺口很大，还需大量进口，多次在我国寻求货源。不仅日本，亚太地区特别是台湾、新加坡、韩国等地，都是多晶硅的主要需求地。仅以韩国为例，1999年其多晶硅年需求量为2000吨，2001年超过了4000吨。而韩国至今不能生产多晶硅，完全依
4、靠进口。,2.2 半导体硅材料制备,采石 冶金级硅的制备 提纯 （1）盐酸化（Hydrochlorination） （2）蒸馏 （3）分解,2.3 生长硅单晶,直拉法 区熔法,2.3 生长硅单晶,2.3.1 单晶生长设备,1石英坩埚 硅单晶生长所用盛装原料的坩埚是由玻璃质二氧化硅制成。高纯度的二氧化硅可由四氯化硅与水气反应生成。但是这种方法过于昂贵，又有高含量的OH键，而不适于大坩埚的制作。传统的坩埚是用天然纯度高的硅砂制成。,2.3.1 单晶生长设备,2.3.1 单晶生长设备,2.3.2 单晶生长,1直拉法生长硅单晶,1直拉法生长硅单晶,（1）装料将半导体级别的多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石
5、英坩埚中，掺杂剂可以选择掺杂Si、P、B、Sb、As等（选择掺杂材料用以产生P型或N型材料）生长直径300mm的硅单晶生长系统一次最大装料量一般可达300kg。 （2）熔化当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度（1420），使单晶硅和掺杂物熔化。 （3）引晶拉晶开始，先引出直径为35mm的细颈，以消除结晶位错。当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中（籽晶在硅熔融体中也会被熔化），然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔融体的固液交接面
6、之间的硅熔融体冷却形成固态的硅单晶。 （4）缩径（颈）当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体表面张力作用会使籽晶晶格产生大量位错，这些位错可利用“缩颈”工艺使之消失。,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、（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。,2区熔法生长硅单晶,区熔法（Float Zone，FZ）是在20世纪50年代被提出来并很快被应用到晶体生长技术中的。用这种方法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电子器件。虽然目前悬浮区熔法制备的单晶硅所占有的市场份额较小，但其仍然在特殊需要中被使用。例如，对于有些器件（高功率的晶闸管和整流器），高的氧含量是不能被接受的，而直拉法的一个缺点即是坩埚
8、中的氧进入到晶体中造成硅锭的不纯。对于制造高纯度硅或无氧硅等特殊要求，晶体必须用区熔法来生长。,2区熔法生长硅单晶,（1）水平区熔法,2区熔法生长硅单晶,（2）悬浮区熔法,2.3.2 单晶生长,直拉法与悬浮区熔法相比较，它具有更多的优点： 1）有直拉法能够拉出直径大于200mm的单晶硅棒； 2）拉法能够使用晶体碎片和多晶硅，因此它的价格相对较低； 3）拉法能够把掺杂物与硅一起熔化、凝固而做出高掺杂的单晶硅。 悬浮区熔法的两个缺点： 1）熔体与晶体的界面很复杂，所以很难得到无层错的晶体； 2）成本高，因为它需要高纯度的多晶硅棒作为原始材料。,2.3.3 其他单晶生长方法,1外延法 外延是指在一定
9、条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上，通过排列时控制有关工艺条件，形成具有一定的导电类型、电阻率及厚度的新单晶层的过程。 2液体掩盖直拉法（LEC） 液体掩盖直拉法用来生长砷化镓晶体。,2.4 晶圆加工成型,2.4.1 晶锭滚圆,1切割分段 2外圆滚磨 3研磨定位,2.4.2 切片（Slicing）,2.4.2 切片（Slicing）,2.4.2 切片（Slicing）,影响质量的主要因素 （1）机械运动的精确和稳定性； （2）刀片的张紧度； （3）刀片的质量； （4）人为操作因素。,2.4.3 倒角（Edge Contouring）,倒角的主要目的有： （1）防
10、止晶圆边缘的碎裂； （2）防止热应力造成的缺陷； （3）增加外延层和光刻胶在硅片边缘的平坦度。,2.4.3 倒角（Edge Contouring）,2.4.4 晶面研磨（Lapping）,（1）将硅片表面因切片所引起的刀痕和凹凸面。 （2）规整硅片的厚度，使片与片之间的厚度差值缩小。 （3）使表面加工损伤达到一致，这样在化学腐蚀过程中表面腐蚀速率才能达到一致。 （4）提高平行度，使硅晶圆片各处的厚度均匀。 （5）提高表面平坦度。,2.4.4 晶面研磨（Lapping,2.4.5 晶圆腐蚀（Etching）,硅晶圆片的腐蚀工艺主要目的是去除晶圆表面在机械加工过程中产色好难过的加工损伤层和油污。腐
11、蚀还能暴露磨平过程中产生的不易观察的划痕等缺陷。根据磨片工艺中常用磨料Ml4颗粒的粒径，可以估计出加工损伤层厚度约为1020m，因此化学腐蚀这道工序应从硅片的两个表面个去除20m左右。,2.5 晶圆抛光,1机械抛光法 2化学抛光法 3化学机械抛光法（CMP）,2.5.2 抛光的设备,2.5.3 抛光工艺,2.5.3 抛光工艺,2.5 晶圆抛光,要获得好的平整度需要控制以下参数： （1）抛光时间； （2）晶圆和抛光垫上的压力。 （3）旋转速度。 （4）抛光液颗粒尺寸。 （5）抛光液流速。 （6）抛光液的PH值。 （7）抛光垫材料等。,2.6 晶圆清洗,晶圆片中主要杂质是用来自于加工的本身，另外，
12、晶圆片清洗工序本身也能引起污染沉积，清洗方法不当或者清洗操作不正确，会使清洗不起作用，或者引起杂质的再污染，也是造成产品污染的一个原因。通常来说，一个晶圆片清洗的工艺必须在去除芯片表面全部污染物的同时，不会刻蚀或损害晶圆片表面，它在生产配制上是安全的，经济的。,2.7 实训 拉晶工艺,2.7.1 设备概况,1TDR-70A/B型单晶炉,2.7.1 设备概况,2JRDL-800型单晶炉,2.7.2 生产工艺,1作业准备 2设备装载与清洁 3石墨件安装 4石英坩埚安装,2.7.3 拉晶工艺,1硅料安装 2籽晶安装 3抽空检漏 4充氩气 5升功率 6熔料 7拉晶步骤 8降功率 9停炉冷却 10热态检漏 11取单晶和籽晶,
