晶圆详细介绍

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1、1.01 晶圆2.01 制造过程3.01 着名晶圆厂商4.01 制造工艺4.02 表面清洗4.03 初次氧化4.04 热 CVD4.05 热处理4.06 除氮化硅4.07 离子注入4.08 退火处理4.09 去除氮化硅层4.10 去除 SIO2 层4.11 干法氧化法4.12 湿法氧化4.13 氧化4.14 形成源漏极4.15 沉积4.16 沉积掺杂硼磷的氧化层4.17 深处理5.01 专业术语1.01 晶圆晶圆（Wafer）是指硅半导体集成电路制作所用的硅芯片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。晶圆是生产集成电路所用的载体，一般意义晶圆多指 单晶硅圆片。晶圆是最常用的半导体材料，按其直径分为 4

2、英寸、5英寸、6 英寸、8英寸 等规格，近来发展出 12 英寸甚至研发更大规格（ 14 英寸、15 英寸、16 英 寸、20英寸以上等）。晶圆越大，同一圆片上可生产的IC就越多，可降 低成本；但对材料技术和生产技术的要求更高，例如均匀度等等的问题。一 般认为硅晶圆的直径越大，代表着这座晶圆厂有更好的技术，在生产晶圆的 过程当中，良品率是很重要的条件。2.01 制造过程“长晶”。 硅晶棒再经过切片、研磨、抛光后，即成为集成电路工厂的 基本原料硅晶圆片，这就是“晶圆” 。很简单的说，单晶硅圆片由普通硅砂拉制提炼，经过溶解、提纯、蒸馏 一系列措施制成单晶硅棒，单晶硅棒经过切片、抛光之后，就成为了晶圆

3、。晶圆经多次光掩模处理，其中每一次的步骤包括感光剂涂布、曝光、 显影、腐蚀、渗透、植入、刻蚀或蒸着等等，将其光掩模上的电路复制到层 层晶圆上，制成具有多层线路与元件的 IC 晶圆，再交由后段的测试、切割、 封装厂，以制成实体的集成电路成品，从晶圆要加工成为产品需要专业精细 的分工。3.01 着名晶圆厂商 只制造硅晶圆基片的厂商例如合晶（台湾股票代号： 6182）、中美晶（台湾股票代号： 5483）、信 越化学等。晶圆制造厂着名晶圆代工厂有台积电、联华电子、格罗方德（ Global Fundries ） 及中芯国际等。英特尔（ Intel ）等公司则自行设计并制造自己的 IC 晶圆直 至完成并行

4、销其产品。三星电子等则兼有晶圆代工及自制业务。南亚科技、 瑞晶科技 （ 现已并入美光科技，更名台湾美光内存 ） 、 Hynix 、美光科技 （Micron ）等则专于内存产品。日月光半导体等则为晶圆产业后段的封装、 测试厂商。4.01 制造工艺4.02 表面清洗晶圆表面附着大约2um的AI2O3和甘晶圆，油混合液保护层，在制作前 必须进行化学刻蚀和表面清洗。4.03 初次氧化由热氧化法生成 SiO2 缓冲层，用来减小后续中 Si3N4 对晶圆的应力氧 化技术：干法氧化Si（固）+02 dSi02（固）和湿法氧化 Si（固）+2H2O aS i O2 （固） +2 H 2。干法氧化通常用来形成，

5、栅极二氧化硅膜，要求薄，界面能 级和固定电荷密度低的薄膜。干法氧化成膜速度慢于湿法。湿法氧化通常用 来形成作为器件隔离用的比较厚的二氧化硅膜。当Si02膜较薄时，膜厚与时间成正比。Si02膜变厚时，膜厚与时间的平方根成正比。因而，要形成较 厚Si02膜，需要较长的氧化时间。Si02膜形成的速度取决于经扩散穿过 Si02 膜到达硅表面的02及0H基等氧化剂的数量的多少。湿法氧化时，因在于0H 基 SiO2 膜中的扩散系数比 O2 的大。氧化反应， Si 表面向深层移动，距离 为 SiO2 膜厚的 0.44 倍。因此，不同厚度的 SiO2 膜，去除后的 Si 表面的深 度也不同。SiO2膜为透明，

6、通过光干涉来估计膜的厚度。这种干涉色的周期 约为200nm如果预告知道是几次干涉，就能正确估计。对其他的透明薄膜， 如知道其折射率，也可用公式计算出 (dSiO2)/(dox)=(nox)/(nSiO2) 。 SiO2 膜很薄时，看不到干涉色，但可利用Si的疏水性和SiO2的亲水性来判断SiO2 膜是否存在。也可用干涉膜计或椭圆仪等测出。 SiO2 和 Si 界面能级密度和 固定电荷密度可由MOSX极管的电容特性求得。(100)面的Si的界面能级密 度最低，约为 10E+10- 10E+11/cm ?2.eV-1 数量级。 (100) 面时，氧化膜中 固定电荷较多，固定电荷密度的大小成为左右阈

7、值的主要因素。4.04 热 CVD热 CVD(HotCVD)/(thermalCVD)此方法生产性高，梯状敷层性佳 ( 不管多凹凸不平，深孔中的表面亦产 生反应，及气体可到达表面而附着薄膜 )等，故用途极广。膜生成原理，例 如由挥发性金属卤化物(MX)及金属有机化合物(MR)等在高温中气相化学反 应 ( 热分解，氢还原、氧化、替换反应等 ) 在基板上形成氮化物、氧化物、碳 化物、硅化物、硼化物、高熔点金属、金属、半导体等薄膜方法。因只在高 温下反应故用途被限制，但由于其可用领域中，则可得致密高纯度物质膜， 且附着强度极强，若用心控制，则可得安定薄膜即可轻易制得触须 (短纤维) 等，故其应用范围

8、极广。热 CVD法也可分成常压和低压。低压 CVD适用于同 时进行多片基片的处理，压力一般控制在 0.25-2.0Torr 之间。作为栅电极 的多晶硅通常利用HCVD法将SiH4或Si2H。气体热分解(约650oC淀积而成。采用选择氧化进行器件隔离时所使用的氮化硅薄膜也是用低压CVD法,利用氨和SiH4或Si2H6反应面生成的，作为层间绝缘的SiO2薄膜是用SiH4 和 O2 在 400-4500oC 的 温 度 下 形 成 SiH4+O2-SiO2+2H2 或 是 用 Si(OC2H5)4(TEOS:tetra ethoxy silanc)和 02在 750oC左右的高温下反应生成的，后者即

9、采用TEOS成的SiO2膜具有台阶侧面部被覆性能好的优点。 前者，在淀积的同时导入 PH3 气体，就形成磷硅玻璃( PSG： phosphor silicate glass )再导入 B2H6气体就形成 BPSG(borro ? phosphor silicate glass) 膜。这两种薄膜材料，高温下的流动性好，广泛用来作为表面平坦性 好的层间绝缘膜。4.05 热处理在涂敷光刻胶之前， 将洗净的基片表面涂上附着性增强剂或将基片放在 惰性气体中进行热处理。这样处理是为了增加光刻胶与基片间的粘附能力， 防止显影时光刻胶图形的脱落以及防止湿法腐蚀时产生侧面腐蚀 (sideetching) 。光刻

10、胶的涂敷是用转速和旋转时间可自由设定的甩胶机来 进行的。首先、用真空吸引法将基片吸在甩胶机的吸盘上，把具有一定粘度 的光刻胶滴在基片的表面，然后以设定的转速和时间甩胶。由于离心力的作 用，光刻胶在基片表面均匀地展开，多余的光刻胶被甩掉，获得一定厚度的 光刻胶膜，光刻胶的膜厚是由光刻胶的粘度和甩胶的转速来控制。所谓光刻 胶，是对光、电子束或X线等敏感，具有在显影液中溶解性的性质，同时具 有耐腐蚀性的材料。一般说来，正型胶的分辨率高，而负型胶具有感光度以 及和下层的粘接性能好等特点。光刻工艺精细图形 (分辨率，清晰度 )，以及 与其他层的图形有多高的位置吻合精度 (套刻精度)来决定， 因此有良好的

11、光 刻胶，还要有好的曝光系统。4.06 除氮化硅此处用干法氧化法将氮化硅去除4.07 离子注入离子布植将硼离子 (B+3) 透过 SiO2 膜注入衬底，形成 P 型阱离子注 入法是利用电场加速杂质离子，将其注入硅衬底中的方法。离子注入法的特 点是可以精密地控制扩散法难以得到的低浓度杂质分布。MOS电路制造中，器件隔离工序中防止寄生沟道用的沟道截断，调整阀值电压用的沟道掺杂，CMOS勺阱形成及源漏区的形成，要采用离子注入法来掺杂。离子注入法通常是将欲 掺入半导体中的杂质在离子源中离子化， 然后将通过质量分析磁极后选定 了离子进行加速，注入基片中。4.08 退火处理去除光刻胶放高温炉中进行退火处理

12、 以消除晶圆中晶格缺陷和内应 力，以恢复晶格的完整性。 使植入的掺杂原子扩散到替代位置， 产生电特性。4.09 去除氮化硅层用热磷酸去除氮化硅层，掺杂磷 (P+5) 离子，形成 N 型阱，并使原先 的 SiO2 膜厚度增加，达到阻止下一步中 n 型杂质注入 P 型阱中。4.10 去除 SIO2 层退火处理，然后用 HF 去除 SiO2 层。4.11 干法氧化法干法氧化法生成一层SiO2层，然后LPCVD沉积一层氮化硅。此时P阱的表面因 SiO2 层的生长与刻蚀已低于 N 阱的表面水平面。这里的 SiO2 层 和氮化硅的作用与前面一样。 接下来的步骤是为了隔离区和栅极与晶面之间 的隔离层。光刻技

13、术和离子刻蚀技术 利用光刻技术和离子刻蚀技术，保留下栅隔离层上面的氮化硅层。4.12 湿法氧化生长未有氮化硅保护的 SiO2 层，形成 PN 之间的隔离区。生成 SIO2 薄膜热磷酸去除氮化硅，然后用 HF 溶液去除栅隔离层位置的 SiO2 ，并重 新生成品质更好的 SiO2 薄膜 , 作为栅极氧化层。4.13 氧化LPCVD沉积多晶硅层，然后涂敷光阻进行光刻，以及等离子蚀刻技术， 栅极结构，并氧化生成 SiO2 保护层。4.14 形成源漏极表面涂敷光阻，去除P阱区的光阻，注入砷(As)离子，形成NMOS的 源漏极。用同样的方法，在 N阱区，注入B离子形成PMOS的源漏极。4.15 沉积利用P

14、ECVD沉积一层无掺杂氧化层，保护元件，并进行退火处理。4.16 沉积掺杂硼磷的氧化层含有硼磷杂质的 SiO2 层，有较低的熔点，硼磷氧化层 (BPSG) 加热到800 oC 时会软化并有流动特性，可使晶圆表面初级平坦化。4.17 深处理溅镀第一层金属利用光刻技术留出金属接触洞，溅镀钛 + 氮化钛 + 铝+ 氮化钛等多层金属膜。离子刻蚀出布线结构，并用PECVD在上面沉积一层SiO2介电质。并用SOG （spin on glass） 使表面平坦，加热去除 SOG中的 溶剂。然后再沉积一层介电质，为沉积第二层金属作准备。（1） 薄膜的沉积方法根据其用途的不同而不同，厚度通常小于1um 。有绝缘膜

15、、半导体薄膜、金属薄膜等各种各样的薄膜。薄膜的沉积法主要有 利用化学反应的 CVD（chemical vapor deposition） 法以及物理现象的 PVD（physical vapor deposition）法两大类。CVD法有外延生长法、HCVD, PECVD等。PVD有溅射法和真空蒸发法。一般而言，PVD温度低，没有毒气问题； CVD 温度高，需达到 1000 oC 以上将气体解离，来产生化学作用。 PVD沉积到材料表面的附着力较 CVD差一些，PVD适用于在光电产业，而 半导体制程中的金属导电膜大多使用 PVD 来沉积，而其他绝缘膜则大多数采 用要求较严谨的CVD技术。以PVD被

16、覆硬质薄膜具有高强度，耐腐蚀等特 点。（2）真空蒸发法（ Evaporation Deposition ）采用电阻加热或感应 加热或者电子束等加热法将原料蒸发淀积到基片上的一种常用的成膜方法。 蒸发原料的分子（或原子）的平均自由程长（ 10 -4 Pa 以下，达几十米）， 所以在真空中几乎不与其他分子碰撞可直接到达基片。 到达基片的原料分子 不具有表面移动的能量，立即凝结在基片的表面，所以，在具有台阶的表面 上以真空蒸发法淀积薄膜时，一般，表面被覆性（覆盖程度）是不理想的。但若可将Crambo真空抽至超高真空（10 - 8 torr），并且控制电流，使得欲镀物以一颗一颗原子蒸镀上去即成所谓分子束磊晶生长（MB