芯片硅圆及硅圆芯片计算

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1、晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅 晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材 料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并 经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999999999%。晶圆是制造半导体芯片的基本材料，半导体集成电路最主要的原料是硅，因此对应的就 是硅晶圆。硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中，硅晶圆的制造可以归纳 为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。首先是硅提纯，将沙石原料放入一个温度约为2000 C,并且有碳源存

2、在的电弧熔炉中，在高温下，碳和沙石中的二氧化硅进行化学反应（碳与氧结合，剩下硅），得到纯度约 为98%的纯硅，又称作冶金级硅，这对微电子器件来说不够纯，因为半导体材料的电学特 性对杂质的浓度非常敏感，因此对冶金级硅进行进一步提纯：将粉碎的冶金级硅与气态的氯 化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶 硅，其纯度高达99.999999999%，成为电子级硅。接下来是单晶硅生长，最常用的方法叫直拉法。如下图所示，高纯度的多晶硅放在石英坩埚 中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，温度维持在大约1400 C,炉中的空气通常是 惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产

3、生不需要的化学反应。为了形成单晶硅，还需要控 制晶体的方向：坩埚带着多晶硅熔化物在旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽 晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅会粘在籽晶的 底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定 的,在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。用直拉法生长后， 单晶棒将按适当的尺寸进行切割，然后进行研磨，将凹凸的切痕磨掉，再用化学机械抛光工 艺使其至少一面光滑如镜，晶圆片制造就完成了。单晶硅棒的直径是由籽晶拉出的速度和旋转速度决定的，一般来说，上拉速率越慢，生 长的单晶硅棒直径越大

4、。而切出的晶圆片的厚度与直径有关，虽然半导体器件的制备只在晶 圆的顶部几微米的范围内完成，但是晶圆的厚度一般要达到1 mm,才能保证足够的机械应 力支撑，因此晶圆的厚度会随直径的增长而增长。晶圆制造厂把这些多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱 状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成， 此过程称为长晶。硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，包装后，即成 为集成电路工厂的基本原 一硅晶圆片，这就是晶圆。基本原料硅是由石英砂所精练出来的，晶圆便是硅兀素加以纯化（99.999% ），接着是将这些纯硅制 成硅晶棒，成为制造集成电

5、路的石英半导体的材料，经过照相制版，研磨，抛光，切片等程 序，将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圆。TT皿皿耐；门 删 tm u.HillhWiMMW-M-di * WUUHVHIfr M n-wMM.SwMM 釦p |HKSB9SI -1 V . . 1-=iMnnvBmnff口出川：曲羯丄ju 士丄一誉&闻WMiMWWa VMM w *W. W.BW:iMMBMMI ii3 4M 吨jihmbiM MBBHtfW SSHHHH7制造工艺表面清洗晶圆表面附着大约2um的AI2O3和甘油混合液保护层，在制作前必须进行化学刻蚀和表面清 洗初次氧化由热氧化法生成SiO2缓冲层，

6、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 a SiO2 (固)和湿法氧化Si(固)+2H2O a SiO2 (固)+2H2。干法氧化通常用来形成， 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Si02膜中的扩散系数比02

7、的 大。氧化反应,Si表面向深层移动，距离为Si02膜厚的0.44倍。因此，不同厚度的Si02 膜，去除后的Si表面的深度也不同。Si02膜为透明，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(dSi02)/(dox)=(nox)/(nSi02)。Si02膜很薄时，看不 到干涉色,但可利用Si的疏水性和Si02的亲水性来判断Si02膜是否存在。也可用干涉膜 计或椭圆仪等测出。Si02和Si界面能级密度和固定电荷密度可由M0S二极管的电容特性 求得。(100)面的Si的界面能级密度最低，约为

8、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值的主要因素。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

9、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 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02 在400-4500OC的温度下形成SiH4+O2-SiO2+2H2或是用Si(OC2H5)4(TEOS：tetraethoxysilanc)和02在750oC

10、左右的高温下反应生成的，后者即采 用TEOS形成的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。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)。

11、光刻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，因此有良好的光刻胶

12、，还要有好的曝光系 统。除氮化硅此处用干法氧化法将氮化硅去除离子注入离子布植将硼离子(B+3)透过Si02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。M0S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的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。退火处理去除光刻胶放高温炉中进行退火处理以消除晶圆中晶格缺陷和内应力，以恢复晶格的完整性。

13、 使植入的掺杂原子扩散到替代位置，产生电特性。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。去除SIO2层退火处理，然后用HF去除SiO2层。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。湿法氧化生长未有氮化硅保护的SiO2层，形成PN之间的隔离

14、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。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。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。沉积利用PECVD沉积一层无掺杂氧化层，保护元件，并进行退火处理。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。深处

15、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、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