第8章微电子器件材料

1、2022-6-131第8章微电子器件材料微电子器件材料2022-6-1321.微电子工业微电子工业2. 微电子材料微电子材料3. 硅集成电路硅集成电路outline2022-6-1331.微电子工业微电子工业 集成电路集成电路是将各种是将各种电路器件电路器件集成于半导体表面而形成的集成于半导体表面而形成的电路。近年来集成电路几乎已成为所有电子产品的心脏。目电路。近年来集成电路几乎已成为所有电子产品的心脏。目前科技的飞速进展与集成电路的发展应用有密不可分的关系。前科技的飞速进展与集成电路的发展应用有密不可分的关系。 目前科技的飞速进展与集成电路的发展应用有密不可分的关系。目前科技的飞速进展与集成

2、电路的发展应用有密不可分的关系。 2022-6-134 十九世纪工业革命主要以机器节省人力十九世纪工业革命主要以机器节省人力， 二十世纪二十世纪的工业革命则主要以电脑为人脑分劳的工业革命则主要以电脑为人脑分劳。 而而电脑的发展归于集成电路工业电脑的发展归于集成电路工业。 由于由于集成电路微小化的趋向，使电子集成电路微小化的趋向，使电子产品变得产品变得“轻、薄、轻、薄、短、小短、小”。故集成电路工业又称。故集成电路工业又称微电子工业微电子工业。2022-6-135 微电子工业可溯源于微电子工业可溯源于19471947年肖克利等人发明晶体管年肖克利等人发明晶体管取代真空管放大器。差不多在同时取代真

3、空管放大器。差不多在同时, ,数字计算器的发展数字计算器的发展提供了应用晶体管的庞大潜在市场。提供了应用晶体管的庞大潜在市场。 新器件的出现与应用的配合，造就了晶体管和计算机工新器件的出现与应用的配合，造就了晶体管和计算机工业的爆炸性成长。业的爆炸性成长。First Transistor (1947)2022-6-136 同时因为计算机、太空卫星、同时因为计算机、太空卫星、飞弹（飞弹（巡航导弹，有翼导弹巡航导弹，有翼导弹）电子电子系统系统“轻、薄、短、小轻、薄、短、小”的需求刺激了集成电路的发的需求刺激了集成电路的发展。展。 到到1950年代末期，集成电路已发展到耐用可靠性相当良年代末期，集成

4、电路已发展到耐用可靠性相当良好的境地。自此以后，集成电路制造技术更一日千里。好的境地。自此以后，集成电路制造技术更一日千里。2022-6-1372. 2. 微电子材料微电子材料 从从19401940年代末期晶体管问世以来，电子工业始终以基础年代末期晶体管问世以来，电子工业始终以基础科学为先导，日新月异科学为先导，日新月异。材料科学。材料科学与工程在电子工业的成长与工程在电子工业的成长中扮演了极重要的角色。中扮演了极重要的角色。 高纯度及几乎无缺陷硅晶的生长，靠高纯度及几乎无缺陷硅晶的生长，靠“区段纯化区段纯化”及及“柴氏拉伸法柴氏拉伸法”才得以实现，因而促成集成电子工业的全面才得以实现，因而促

5、成集成电子工业的全面发展。发展。2022-6-138 其他如切割、抛光、化学研磨试片、清洁表面、确其他如切割、抛光、化学研磨试片、清洁表面、确定晶面方向、光刻胶处理、刻蚀技术、离子注入、外延定晶面方向、光刻胶处理、刻蚀技术、离子注入、外延生成、金属膜及绝缘膜蒸镀、封装等各种处理材料的工生成、金属膜及绝缘膜蒸镀、封装等各种处理材料的工艺步骤，以及各种物性、结构、成分及缺陷的分析，无艺步骤，以及各种物性、结构、成分及缺陷的分析，无一不与材料的工艺及分析息息相关。一不与材料的工艺及分析息息相关。2022-6-1392.1 微电子材料特性微电子材料特性p 节省材料；较节省材料；较“轻、薄、短、小轻、薄

6、、短、小”，所需材料总量不大。，所需材料总量不大。p节省能源：不仅在使用时，且在制造上均节省能源，如节省能源：不仅在使用时，且在制造上均节省能源，如晶体管替代真空管。晶体管替代真空管。p节省空间：如个人电脑与早期利用真空管工作的计算器，节省空间：如个人电脑与早期利用真空管工作的计算器，功能有过之而无不及，所占空间大为减小。功能有过之而无不及，所占空间大为减小。2022-6-1310第一代使用真空管的计算器第一代使用真空管的计算器首次推出全晶体管计算器首次推出全晶体管计算器2022-6-1311增进性能：如机器操作自动化、新机件自动校准、现场诊增进性能：如机器操作自动化、新机件自动校准、现场诊断

7、测试能力大增。断测试能力大增。耐用可靠：如微电子器件相比于真空管控制的家电产品，耐用可靠：如微电子器件相比于真空管控制的家电产品，如收音机、电视机。如收音机、电视机。价格低廉；微电子器件制造随其微小化，生产力逐渐增加，价格低廉；微电子器件制造随其微小化，生产力逐渐增加，相关产品价格亦逐渐下降，与一般产品价格逐年上涨有明相关产品价格亦逐渐下降，与一般产品价格逐年上涨有明显差异。显差异。2022-6-13122.2 微电子材料的应用微电子材料的应用 民用家电用品民用家电用品： 收录音机、音响、电视、录放机、激光影收录音机、音响、电视、录放机、激光影碟机、电子游戏机、电子表、洗衣机、缝纫机、冷暖空调

8、、碟机、电子游戏机、电子表、洗衣机、缝纫机、冷暖空调、冰箱、微波炉、电子乐器、计算器冰箱、微波炉、电子乐器、计算器。信息产品信息产品：电话、个人电脑、因特网、无线手机、传真机、：电话、个人电脑、因特网、无线手机、传真机、复印机、通讯广播设备、大型电脑及超级电脑。复印机、通讯广播设备、大型电脑及超级电脑。医疗及工业设备医疗及工业设备：各种分析仪器、微传感器、诊断医疗设备、：各种分析仪器、微传感器、诊断医疗设备、监控系统、工业用机器人、工业用电子机器。监控系统、工业用机器人、工业用电子机器。国防设备国防设备：监控系统、武器发射控制系统。：监控系统、武器发射控制系统。2022-6-13133. 硅集

9、成电路硅集成电路 集成电路是将各种电路器件包括电阻、电容及集成晶体管连集成电路是将各种电路器件包括电阻、电容及集成晶体管连接于半导体表面而形成的电路。接于半导体表面而形成的电路。 集成电路的集成程度可由边长为集成电路的集成程度可由边长为0.5厘米的方形芯片上所含电厘米的方形芯片上所含电路器件数目来划分，在路器件数目来划分，在1965、1970、1980年代，芯片上电路器年代，芯片上电路器件数目各达到件数目各达到100、10，000及及100，000个，被称为中型、大型个，被称为中型、大型及超大规模集成电路。及超大规模集成电路。2022-6-1314 目前则已步入极大规模集成电路时代，每一芯片实

10、际尺寸目前则已步入极大规模集成电路时代，每一芯片实际尺寸约为约为1.5cm1.5cm上含高达两千万个晶体管以上。上含高达两千万个晶体管以上。 美国、日本与韩国，目前都已能大量生产每芯片含十亿美国、日本与韩国，目前都已能大量生产每芯片含十亿(1Gb)电路器件的极大规模集成电路。电路器件的极大规模集成电路。2022-6-1315硅集成电路工艺硅集成电路工艺(1)(1)单晶成长。单晶成长。(2)(2)生成硅晶薄膜。生成硅晶薄膜。(3)(3)生成绝缘层。生成绝缘层。(4)(4)光刻刻蚀形成电路图形。光刻刻蚀形成电路图形。(5)(5)掺入电活性杂质及热处理。掺入电活性杂质及热处理。(6)(6)制作金属表

11、面及互连线。制作金属表面及互连线。(7)(7)封装。封装。2022-6-13163.1半导体半导体3.2导体导体3.3绝缘绝缘体体硅硅集成集成电路材料电路材料3.4电子电子封装技术封装技术2022-6-13173.1半导体硅晶圆材料半导体硅晶圆材料 硅晶圆材料之所以在诸多元素或化合物半导体材料中脱颖硅晶圆材料之所以在诸多元素或化合物半导体材料中脱颖而出，成为超大规模集成电路的基本材料，其原因大致可归而出，成为超大规模集成电路的基本材料，其原因大致可归纳为以下两项。纳为以下两项。1)硅元素是地球表面存量丰富的元素之一（地壳中含量第二硅元素是地球表面存量丰富的元素之一（地壳中含量第二高，高，1/4

12、），而其本身的无毒性，以及具有较宽的能带间隙则），而其本身的无毒性，以及具有较宽的能带间隙则是早期半导体界放弃锗而转向硅的重要考虑，同时硅与氧形是早期半导体界放弃锗而转向硅的重要考虑，同时硅与氧形成稳定的钝化层成稳定的钝化层-二氧化硅则是集成电路重要的器件电路设二氧化硅则是集成电路重要的器件电路设计。计。2022-6-1318(2)从制造成本上考虑。绝大部分的集成电路用的晶圆，均从制造成本上考虑。绝大部分的集成电路用的晶圆，均由所谓的柴氏法由所谓的柴氏法(czochralski Method)又称直拉法生长单又称直拉法生长单晶，成本较低。晶，成本较低。2022-6-13193.1 半半导导体体

13、3.1.1 柴氏单晶生长程序柴氏单晶生长程序3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型3.1.3 晶圆抛光晶圆抛光3.1.4 晶圆清洗晶圆清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半导体刻蚀半导体刻蚀2022-6-13203.1.1 柴氏单晶生长程序柴氏单晶生长程序a. 硅及合金料的熔化硅及合金料的熔化b. 长颈及长晶冠长颈及长晶冠/肩部肩部c. 长晶棒主体及收尾长晶棒主体及收尾2022-6-1321 将一个全新的石英坩锅放入石将一个全新的石英坩锅放入石墨坩锅中，再将多晶硅块及合墨坩锅中，再将多晶硅块及合金料放入石英坩锅里。金料放入石英坩锅里。 为减少硅块与坩锅摩擦造成的为减少硅块与坩锅摩擦造成的

14、石英碎粒，放料过程需小心，石英碎粒，放料过程需小心，挑直径大的硅块放置坩锅底及挑直径大的硅块放置坩锅底及锅侧，合金料放置在料堆中心。锅侧，合金料放置在料堆中心。2022-6-1322熔融液面温度的微调，大多是靠晶熔融液面温度的微调，大多是靠晶种浸入液面，观察其融化状况而完种浸入液面，观察其融化状况而完成。以一支特定型态及结晶方位的成。以一支特定型态及结晶方位的单晶晶种浸入熔融液内约单晶晶种浸入熔融液内约0.3cm。若该晶种浸泡处被轻易熔化，则需若该晶种浸泡处被轻易熔化，则需降低加热器输出功率。若即刻有树降低加热器输出功率。若即刻有树枝状多晶从浸泡处向外长出，则需枝状多晶从浸泡处向外长出，则需提

15、高输出功率。提高输出功率。2022-6-1323 生成一定长度的晶颈后，降生成一定长度的晶颈后，降低加热器输出功率及晶种上拉低加热器输出功率及晶种上拉速度，以逐渐增大新生晶体的速度，以逐渐增大新生晶体的直径，最后达到预定的直径。直径，最后达到预定的直径。进而逐步升温，以补偿熔液逐进而逐步升温，以补偿熔液逐渐减少、散热率增加的现象。渐减少、散热率增加的现象。2022-6-13243.1 半半导导体体3.1.1 柴氏单晶生长程序柴氏单晶生长程序3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型3.1.3 晶圆抛光晶圆抛光3.1.4 晶圆清洗晶圆清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半导体刻蚀半导体刻蚀20

16、22-6-13253.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型X光定位切片边缘磨圆晶面研磨热处理化学刻蚀X光定位吸除法2022-6-1326晶圆成型晶圆成型目的目的首要：提高硅单晶棒的利用率首要：提高硅单晶棒的利用率提供晶圆两个高平行度提供晶圆两个高平行度与平坦化的洁净表面与平坦化的洁净表面维持晶圆表面结晶、化学与维持晶圆表面结晶、化学与电性能等与内部材料一致电性能等与内部材料一致2022-6-1327切片切片-决定了晶圆的几个重要规格决定了晶圆的几个重要规格 晶面结晶方向晶面结晶方向 晶侧厚度晶侧厚度 晶面斜度与曲度晶面斜度与曲度工艺工艺3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1328A

17、晶棒固定（晶棒固定（Mounting） 一般晶体在切片前是以蜡或树脂类的粘结剂粘着于与晶一般晶体在切片前是以蜡或树脂类的粘结剂粘着于与晶棒相同长度的石墨条上。棒相同长度的石墨条上。 石墨条除了具有支撑晶棒的作用外，同时还有防止锯片对石墨条除了具有支撑晶棒的作用外，同时还有防止锯片对晶圆边缘造成的破片现象和修整锯片的效果晶圆边缘造成的破片现象和修整锯片的效果。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1329B 结晶定位（结晶定位（Orientation） 硅单晶棒生长的方向为硅单晶棒生长的方向为或或，可与其几何轴向，可与其几何轴向平行，或偏差一固定角度。因此，晶棒在切片前需利用平行，或

18、偏差一固定角度。因此，晶棒在切片前需利用x光光衍射的方法，来决定晶棒在切片机上正确的位置。衍射的方法，来决定晶棒在切片机上正确的位置。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-13303.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型X光定位切片边缘磨圆边缘磨圆晶面研磨热处理化学刻蚀X光定位吸除法2022-6-1331边缘磨圆边缘磨圆 (Edge contouring)3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1332边缘磨圆边缘磨圆 (Edge contouring)目的目的 A防止晶圆边缘碎裂。防止晶圆边缘碎裂。 晶圆在制造与使用的过程中，常晶圆在制造与使用的过程中，常会遭受晶舟、机械手

19、等的撞击，而导致晶圆边缘破裂，形成会遭受晶舟、机械手等的撞击，而导致晶圆边缘破裂，形成应力集中的区域。而这些应力集中的区域会使得晶圆在使用应力集中的区域。而这些应力集中的区域会使得晶圆在使用中不断释放污染粒子中不断释放污染粒子，进而影响产品的优良率。进而影响产品的优良率。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1333B 防止热应力的集中。晶圆在使用时，会经历无数的高温防止热应力的集中。晶圆在使用时，会经历无数的高温工艺，如氧化、扩散、薄膜生长等，当这些工艺中产生工艺，如氧化、扩散、薄膜生长等，当这些工艺中产生热应力的大小超过硅晶格的强度时，即会产生位错与层热应力的大小超过硅晶格的强

20、度时，即会产生位错与层错等材料缺陷，晶边磨圆可避免该类材料缺陷在晶边产错等材料缺陷，晶边磨圆可避免该类材料缺陷在晶边产生。生。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1334C增加外延层光刻胶层在晶圆边缘的平坦度。在外延工增加外延层光刻胶层在晶圆边缘的平坦度。在外延工艺中，锐角区域的生长速率会比平面处高，因此使用没艺中，锐角区域的生长速率会比平面处高，因此使用没有磨圆的晶圆，容易在边缘产生突起，同样的，在利用有磨圆的晶圆，容易在边缘产生突起，同样的，在利用旋转涂布机上的光刻胶时，光刻胶溶液也会发生在晶圆旋转涂布机上的光刻胶时，光刻胶溶液也会发生在晶圆边缘堆积的现象。这些不平整的边缘皆

21、会影响掩模版对边缘堆积的现象。这些不平整的边缘皆会影响掩模版对焦的精确性。焦的精确性。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1335X光定位切片边缘磨圆晶面研磨晶面研磨热处理化学刻蚀X光定位吸除法3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1336晶圆晶面研磨晶圆晶面研磨 (Wafer Lapping） 由上述晶圆切片时所留下的不均匀表面，如伤痕及损伤层等由上述晶圆切片时所留下的不均匀表面，如伤痕及损伤层等均需进一步研磨成较平坦的表面。均需进一步研磨成较平坦的表面。 研磨的原理是由铸铁制成的上下层研磨盘，将晶圆用装载器具研磨的原理是由铸铁制成的上下层研磨盘，将晶圆用装载器具放

22、置于研磨盘间，并通以特定粒度及粘性配方的研磨液放置于研磨盘间，并通以特定粒度及粘性配方的研磨液(slurry)，由研磨盘互相转动由研磨盘互相转动(公转公转)并带动装载器具予以如行星般的自转，并带动装载器具予以如行星般的自转，以达到均匀磨平的目的。以达到均匀磨平的目的。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-13373.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1338X光定位切片边缘磨圆晶面研磨热处理化学刻蚀化学刻蚀X光定位吸除法3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1339晶圆刻蚀晶圆刻蚀 (Etching) 晶圆刻蚀的目的在于除去先前各步机械加工所造成的损伤，晶圆

23、刻蚀的目的在于除去先前各步机械加工所造成的损伤，同时获得干净且光亮的表面，刻蚀化学作用可区分为酸性同时获得干净且光亮的表面，刻蚀化学作用可区分为酸性和碱性反应方式。和碱性反应方式。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1340X光定位切片边缘磨圆晶面研磨热处理热处理化学刻蚀X光定位吸除法3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1341热退火热退火 (Annealing) 用热退火的方式将杂质稳定或去除。用热退火的方式将杂质稳定或去除。 所谓杂质去除所谓杂质去除，传统上是在传统上是在650-800间将晶圆置于炉间将晶圆置于炉管中施以惰性气体加热约管中施以惰性气体加热约20分

24、钟至一小时后，再在空气中分钟至一小时后，再在空气中快速冷却，可以将所有氧杂质限制住。快速冷却，可以将所有氧杂质限制住。 这种晶圆的电性这种晶圆的电性(阻值阻值)仅由载流子杂质来控制，从而可仅由载流子杂质来控制，从而可以得到稳定的电阻。以得到稳定的电阻。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1342X光定位切片边缘磨圆晶面研磨热处理化学刻蚀X光定位吸除法吸除法3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1343 利用晶圆中的晶格缺陷来控制或消除其他缺陷，称之为利用晶圆中的晶格缺陷来控制或消除其他缺陷，称之为吸除法。常见的吸除法分为三类：吸除法。常见的吸除法分为三类：(a) 内部

25、吸除法内部吸除法利用长晶过程的过饱和氧含量在热退火利用长晶过程的过饱和氧含量在热退火后形成析出物以造成晶格缺陷，这些缺陷将吸附器件设计区后形成析出物以造成晶格缺陷，这些缺陷将吸附器件设计区的杂质或金属等缺陷。的杂质或金属等缺陷。3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型2022-6-1344(b)外部吸除法外部吸除法由外在力量造成晶圆背面受机械应力而由外在力量造成晶圆背面受机械应力而形成如位错等各种缺陷来达成去除的目的。形成如位错等各种缺陷来达成去除的目的。(c)化学吸除法化学吸除法该方法有别于上述两种吸除法，不是通该方法有别于上述两种吸除法，不是通过提供缺陷的吸附，而是借由金属杂质与导入含氧的气氛

26、过提供缺陷的吸附，而是借由金属杂质与导入含氧的气氛的化学反应来消除杂质缺陷。的化学反应来消除杂质缺陷。2022-6-13453.1 半半导导体体3.1.1 柴氏单晶生长程序柴氏单晶生长程序3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型3.1.3 晶圆抛光晶圆抛光3.1.4 晶圆清洗晶圆清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半导体刻蚀半导体刻蚀2022-6-13463.1.3 晶圆抛光晶圆抛光从制造程序上分A 边缘抛光（Edge Polishing)B 晶圆表面抛光（Wafer Polishing)2022-6-1347A 边缘抛光边缘抛光 主要目的在降低微粒附着于晶圆的可能性，并使晶圆具主要目的在

27、降低微粒附着于晶圆的可能性，并使晶圆具有较佳的机械强度，以减低因碰撞而产生碎片的机会。有较佳的机械强度，以减低因碰撞而产生碎片的机会。抛光抛光设备设备将晶圆倾斜、旋转并加压于转动中的将晶圆倾斜、旋转并加压于转动中的抛光布上抛光布上预先在抛光轮上做出芯片外缘的形状预先在抛光轮上做出芯片外缘的形状，再进行抛光的动作，再进行抛光的动作2022-6-1348B 晶圆表面抛光晶圆表面抛光 抛光是晶圆表面加工的最后一道步骤，去除抛光是晶圆表面加工的最后一道步骤，去除量约量约10-20微米微米，其目的在于改善前期工艺所留其目的在于改善前期工艺所留下的微缺陷，并获得平坦度极佳的晶圆，以满下的微缺陷，并获得平坦

28、度极佳的晶圆，以满足足IC工艺的需求。工艺的需求。2022-6-1349 抛光时，先将晶圆用蜡镶埋或用真空夹持方式固定在抛光抛光时，先将晶圆用蜡镶埋或用真空夹持方式固定在抛光盘上，再将具有盘上，再将具有SiOSiO2 2的微细悬浮硅酸胶及的微细悬浮硅酸胶及NaOHNaOH等抛光剂加等抛光剂加于抛光机中，开始抛光。于抛光机中，开始抛光。2022-6-1350C C 表面缺陷及平坦度检查表面缺陷及平坦度检查 造成缺陷的主要原因是因抛光过程中上蜡情形不造成缺陷的主要原因是因抛光过程中上蜡情形不佳，或抛光机台环境太差所致。一般认为佳，或抛光机台环境太差所致。一般认为10 m以上的以上的微粒即有造成缺陷

29、的可能性。微粒即有造成缺陷的可能性。 表而缺陷检查常使用的仪器是表而缺陷检查常使用的仪器是“魔镜魔镜” ，其分辨其分辨率可达率可达0.05m深。深。2022-6-1351常见平坦度参数及其意义：常见平坦度参数及其意义：TTV（Total Thickness Variation): 晶圆最大及最小的厚度差。晶圆最大及最小的厚度差。TIR(Total Indicator Reading):晶圆表面平坦度与参考平面间最晶圆表面平坦度与参考平面间最高到最低的距离。高到最低的距离。2022-6-1352FPD(Focal Plan Deviation):晶圆表面一点与参考平面间的最大距离晶圆表面一点与参

30、考平面间的最大距离。2022-6-13533.1 半半导导体体3.1.1 柴氏单晶生长程序柴氏单晶生长程序3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型3.1.3 晶圆抛光晶圆抛光3.1.4 晶圆清洗晶圆清洗3.1.5 制备硅晶薄膜制备硅晶薄膜3.1.6 半导体刻蚀半导体刻蚀2022-6-13543.1.4 3.1.4 晶圆清洗晶圆清洗 用化学方法湿式清洗是晶圆工艺最为有效且符合成本的方法，用化学方法湿式清洗是晶圆工艺最为有效且符合成本的方法，其中以最广泛用的其中以最广泛用的RCARCA溶液为最基本的清洗剂。溶液为最基本的清洗剂。 RCA RCA又分为又分为H H2 2O-HO-H2 2O O2 2-N

31、H-NH4 4OH OH 和和H H2 2O O2 2-HCl -HCl ，而其各成分的配而其各成分的配方比例则依各厂家的开发与经验不同。方比例则依各厂家的开发与经验不同。 清洗的设备设计，如起声波、清洗槽的材质、化学槽的浓度清洗的设备设计，如起声波、清洗槽的材质、化学槽的浓度控制系统以及如臭氧产生的浓度控制等都是完成晶圆清洗的重控制系统以及如臭氧产生的浓度控制等都是完成晶圆清洗的重要管制要点。要管制要点。2022-6-13553.1 半半导导体体3.1.1 柴氏单晶生长程序柴氏单晶生长程序3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型3.1.3 晶圆抛光晶圆抛光3.1.4 晶圆清洗晶圆清洗3.1.5

32、制备硅晶薄膜制备硅晶薄膜3.1.6 半导体刻蚀半导体刻蚀2022-6-13563.1.5 制备硅晶薄膜制备硅晶薄膜A单晶膜单晶膜（外延膜）（外延膜）B多晶膜多晶膜C非晶膜非晶膜2022-6-1357A A 单晶膜（外延膜）单晶膜（外延膜） 指在硅晶圆衬底上生长出硅单晶膜，其应用主要是在含高浓度掺指在硅晶圆衬底上生长出硅单晶膜，其应用主要是在含高浓度掺入杂质的硅衬底上，生长一层低浓度杂质的硅薄膜，如入杂质的硅衬底上，生长一层低浓度杂质的硅薄膜，如n n型或型或p p型。型。硅外延在双级型晶体管中的应用2022-6-1358 硅外延生长的主要目的，是长出一层缺陷少，但可硅外延生长的主要目的，是长出

33、一层缺陷少，但可以控制厚度和掺入杂质的硅单晶薄膜，其先决条件是硅以控制厚度和掺入杂质的硅单晶薄膜，其先决条件是硅衬底必须干净无缺陷，且衬底表面温度需足够高，或提衬底必须干净无缺陷，且衬底表面温度需足够高，或提供非热能能量，使经化学反应后，吸附原子有足够的动供非热能能量，使经化学反应后，吸附原子有足够的动能移动到适当的位置，而达到外延生长的目的。能移动到适当的位置，而达到外延生长的目的。2022-6-1359 传统外延生长，是在高温下进行，以加温方式提供热能来传统外延生长，是在高温下进行，以加温方式提供热能来促进外延生长，近来也有为了减少热效应，增加硅外延应用，促进外延生长，近来也有为了减少热效

34、应，增加硅外延应用，而使用低温硅外延工艺的。而使用低温硅外延工艺的。 低温硅外延工艺，可避免例如在器件缩小化时，掺入杂质低温硅外延工艺，可避免例如在器件缩小化时，掺入杂质因高温扩散而重新分布，破坏了原来的器件特性，同时也可减因高温扩散而重新分布，破坏了原来的器件特性，同时也可减少芯片因热效应而弯曲，以及可使用不耐高温的衬底，而增加少芯片因热效应而弯曲，以及可使用不耐高温的衬底，而增加应用范围。应用范围。2022-6-13602022-6-13612022-6-1362B B 多晶硅生长多晶硅生长 多晶硅膜生长和反应机制，与硅外延生长类似，最大的多晶硅膜生长和反应机制，与硅外延生长类似，最大的不

35、同在于温度不同在于温度较低。较低。 多晶多晶硅的生长硅的生长，在，在工业工业上以上以低压化学气相淀积方式为主，低压化学气相淀积方式为主，以以SiHSiH4 4为反应气体，约在为反应气体，约在625625度下进行度下进行，属于表面反应控制属于表面反应控制，该工艺具有该工艺具有均匀性佳均匀性佳，纯度高纯度高以及以及符合经济效益符合经济效益等优点。等优点。 多晶硅也可由非晶硅再结晶而来，在多晶硅也可由非晶硅再结晶而来，在900900-1000-1000再结晶而再结晶而成的多晶硅大多沿成的多晶硅大多沿111 ，且其有优选方向及晶粒大小再现且其有优选方向及晶粒大小再现性好，平均晶粒大小比直接淀积成的多晶

36、还大。性好，平均晶粒大小比直接淀积成的多晶还大。2022-6-1363杂质杂质的掺入的掺入高温扩散高温扩散离子注入离子注入现场掺入现场掺入2022-6-1364 扩散方式扩散方式 是高温下是高温下(900-(900-l000)l000)下，在无掺入杂质的多晶硅上下，在无掺入杂质的多晶硅上生长重掺杂的氧化硅，作为掺入杂质的固态扩散源。生长重掺杂的氧化硅，作为掺入杂质的固态扩散源。这种方法的好处是可以得到较高的掺入杂质量，甚至因晶界有这种方法的好处是可以得到较高的掺入杂质量，甚至因晶界有小杂质的聚集，而高于固态饱和浓度。小杂质的聚集，而高于固态饱和浓度。 该高温扩散步骤也可用来作多晶退火用，所得的

37、阻值也因而该高温扩散步骤也可用来作多晶退火用，所得的阻值也因而较低，但是高温工艺会造成已掺入杂质曲线的再分布，以及表较低，但是高温工艺会造成已掺入杂质曲线的再分布，以及表面可能变得更粗糙，都是它的缺点。面可能变得更粗糙，都是它的缺点。2022-6-1365 可以对掺入杂质的量及深度作精确控制，可以对掺入杂质的量及深度作精确控制，这种方法所得膜的阻值约为扩散的这种方法所得膜的阻值约为扩散的1010倍，主要是选择离子注入倍，主要是选择离子注入能量，使注入的杂质落在膜厚中央，再在约能量，使注入的杂质落在膜厚中央，再在约900900温度下在炉管温度下在炉管中加温退火，使植入杂质中加温退火，使植入杂质再

38、分布再分布及及活化活化。 退火方式也可用快速退火方式来完成退火方式也可用快速退火方式来完成，虽温度较高，但因时虽温度较高，但因时间短，约间短，约1 1分钟以内，所以可避免已掺入杂质曲线的再分布，分钟以内，所以可避免已掺入杂质曲线的再分布，这种掺入杂质的方法已广泛被半导体工业所使用。这种掺入杂质的方法已广泛被半导体工业所使用。2022-6-1366 现场掺入杂质现场掺入杂质 是在长多晶硅时直接加入掺入杂质气源于是在长多晶硅时直接加入掺入杂质气源于反应气体内，而直接长反应气体内，而直接长N N或或P P型多晶硅型多晶硅。 这种方法虽然直接，但是因为膜厚、掺入杂质均匀度、以这种方法虽然直接，但是因为

39、膜厚、掺入杂质均匀度、以及淀积速率都会因掺入杂质量的不同而有所改变，一般而言及淀积速率都会因掺入杂质量的不同而有所改变，一般而言，加，加B B2 2H H6 6来长来长P P型多晶，会造成淀积速率的增加，而用来长型多晶，会造成淀积速率的增加，而用来长N N型的型的PHPH3 3及及AsHAsH3 3，则会降低淀积速率。而且晶粒大小，方向则会降低淀积速率。而且晶粒大小，方向也会出现改变。也会出现改变。2022-6-1367注意：在注意：在后续退火时或之前，表面必须盖上一层氧化层，后续退火时或之前，表面必须盖上一层氧化层，以避免掺入杂质由表面向以避免掺入杂质由表面向外扩散；外扩散；若若多晶生长温度

40、够高，且阻值够低，则可省去高温退火。多晶生长温度够高，且阻值够低，则可省去高温退火。2022-6-1368C 非晶硅生长非晶硅生长 非晶硅材料含有硅原子及大量孔隙及缺陷，硅原子间一非晶硅材料含有硅原子及大量孔隙及缺陷，硅原子间一般般并无有序并无有序排列，只有局部的区域含有小于几十个埃的有排列，只有局部的区域含有小于几十个埃的有序原子，非晶硅因缺陷多，阻值大，因而在集成电路制造序原子，非晶硅因缺陷多，阻值大，因而在集成电路制造过程中，经历后序流程的高温后，会有再结晶现象，性质过程中，经历后序流程的高温后，会有再结晶现象，性质不稳定，因此在半导体器件的应用较少。不稳定，因此在半导体器件的应用较少。

41、2022-6-1369 其主要用途是将其加温后，使之再结晶长大成多晶其主要用途是将其加温后，使之再结晶长大成多晶硅，或应用在太阳能电池及液晶显示器中的薄膜晶体管。硅，或应用在太阳能电池及液晶显示器中的薄膜晶体管。非晶硅的工艺简单，对需要大量硅晶膜的太阳能电池而非晶硅的工艺简单，对需要大量硅晶膜的太阳能电池而言，成本较低；而液晶显示器所用的衬底为透明玻璃材言，成本较低；而液晶显示器所用的衬底为透明玻璃材料，不能抗高温，因此很难长出外延或均匀的多晶硅，料，不能抗高温，因此很难长出外延或均匀的多晶硅，因此仍以非晶硅作为薄膜晶体管材料。因此仍以非晶硅作为薄膜晶体管材料。2022-6-13703.1.5

42、 硅晶薄膜硅晶薄膜小结小结 硅外延的缺陷少，性质佳，对器件而言，是最佳材料，但硅外延的缺陷少，性质佳，对器件而言，是最佳材料，但其工艺温度最高，难度最高，因此，在工业应用上有它的其工艺温度最高，难度最高，因此，在工业应用上有它的限制，一般用在限制，一般用在IC的最前段，的最前段，因低温因低温外延工艺一直是它的外延工艺一直是它的研究的方向。研究的方向。2022-6-1371 多晶硅在多晶硅在IC工业界则应用极广，这要归功于它的工艺工业界则应用极广，这要归功于它的工艺温度较低，耐高温，与二氧化硅绝缘层的界面佳，可温度较低，耐高温，与二氧化硅绝缘层的界面佳，可靠度好，而对不平的结构也能覆盖均匀等优点

43、，但更靠度好，而对不平的结构也能覆盖均匀等优点，但更低温多晶硅工艺，尤其是用在以玻璃为衬底的液晶显低温多晶硅工艺，尤其是用在以玻璃为衬底的液晶显示器薄膜晶体管上，则仍需更多的研发工作。示器薄膜晶体管上，则仍需更多的研发工作。2022-6-1372 非晶硅的缺陷多，一般用在对缺陷比较不敏感的器非晶硅的缺陷多，一般用在对缺陷比较不敏感的器件，例如太阳能电池，除此之外，在低温多晶体硅技件，例如太阳能电池，除此之外，在低温多晶体硅技术尚未成熟前，也是液晶显示器薄膜晶体管所需的主术尚未成熟前，也是液晶显示器薄膜晶体管所需的主要材料之一。要材料之一。2022-6-13733.1 半半导导体体3.1.1 柴

44、氏单晶生长程序柴氏单晶生长程序3.1.2 晶圆加工成型晶圆加工成型3.1.3 晶圆抛光晶圆抛光3.1.4 晶圆清洗晶圆清洗3.1.5 硅晶薄膜硅晶薄膜3.1.6 半导体刻蚀半导体刻蚀2022-6-13743.1.6 半导体刻蚀半导体刻蚀 在集成电路制造过程中，常需要在晶圆上定义出极细微尺在集成电路制造过程中，常需要在晶圆上定义出极细微尺寸的图案寸的图案，这些图案主要的形成方式，就是由刻蚀技术，将这些图案主要的形成方式，就是由刻蚀技术，将光刻后所产生的光刻胶图案忠实地转印至光刻胶下的材质上，光刻后所产生的光刻胶图案忠实地转印至光刻胶下的材质上，以形成集成电路的复杂架构。因此刻蚀技术在半导体制造过

45、以形成集成电路的复杂架构。因此刻蚀技术在半导体制造过程中占有极重要的地位。程中占有极重要的地位。 广义而言，所谓刻蚀技术，包含了将材质整面均匀移除及广义而言，所谓刻蚀技术，包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部分去除的技术图案选择性部分去除的技术，而其中大致可分为湿法刻蚀与而其中大致可分为湿法刻蚀与干法刻蚀两种技术。干法刻蚀两种技术。2022-6-1375 湿法刻蚀湿法刻蚀 利用特定的化学溶液将待刻蚀薄膜上利用特定的化学溶液将待刻蚀薄膜上未被光刻胶覆盖的部分分解，并转成可溶于此溶液的未被光刻胶覆盖的部分分解，并转成可溶于此溶液的化合物后加以排除，而达到刻蚀的目的。化合物后加以排除，而达到刻蚀的

46、目的。 湿法刻蚀的进行主要是借助溶液与待刻蚀材质间的湿法刻蚀的进行主要是借助溶液与待刻蚀材质间的化学反应，因此可借助调配与选取适当的化学溶液，化学反应，因此可借助调配与选取适当的化学溶液，得到所需的刻蚀速率，以及待刻蚀材料与光刻胶及下得到所需的刻蚀速率，以及待刻蚀材料与光刻胶及下层材质良好的刻蚀选择比层材质良好的刻蚀选择比。2022-6-13762022-6-1377 干法刻蚀干法刻蚀 通常指利用辉光放电的方式，产生包含离子、电通常指利用辉光放电的方式，产生包含离子、电子等带电粒子及具有高度化学活性的中性原子与分子反自由基子等带电粒子及具有高度化学活性的中性原子与分子反自由基的等离子体来进行图

47、案转移的刻蚀技术。的等离子体来进行图案转移的刻蚀技术。2022-6-13782022-6-13792022-6-1380 在如今的集成电路制造过程中，必须精确地控制各种在如今的集成电路制造过程中，必须精确地控制各种材料的尺寸到亚微米大小，且具有极高的重复性，而由材料的尺寸到亚微米大小，且具有极高的重复性，而由于等离子体刻蚀是现今技术中唯一能极有效率地将该工于等离子体刻蚀是现今技术中唯一能极有效率地将该工作在优质下完成，因此等离子体刻蚀便成为集成电路制作在优质下完成，因此等离子体刻蚀便成为集成电路制造过程中的主要技术之一造过程中的主要技术之一。2022-6-13813.1半导体半导体3.2导体导

48、体3.3绝缘绝缘体体硅硅集成集成电路材料电路材料3.4电子电子封装技术封装技术2022-6-13823.2 导体金属薄膜导体金属薄膜(1)欧姆接触：某欧姆接触：某些金属和高度掺杂的半导体材料之间可以些金属和高度掺杂的半导体材料之间可以形成良好的接触，接触面的电阻远小于半导体材料本身的电阻，形成良好的接触，接触面的电阻远小于半导体材料本身的电阻，称为欧姆接触。称为欧姆接触。无论外加的电压极性如何，电流的增加无论外加的电压极性如何，电流的增加(或减或减小小)总是与外加电压成正比。总是与外加电压成正比。(2)肖特基接触：具有明显的整流特性，当加上某一极性的电肖特基接触：具有明显的整流特性，当加上某一

49、极性的电压时，有电流通过，而当把极性反过来时，就几乎没有电流流压时，有电流通过，而当把极性反过来时，就几乎没有电流流过。过。(3)低阻栅电极低阻栅电极；(4)器件间互连器件间互连。2022-6-13832022-6-13843.2 导体导体-金属金属薄膜薄膜3.2.1 金属接触金属接触3.2.2 栅电极栅电极3.2.3 器件互连器件互连3.2.4 栓塞栓塞3.2.5 扩散阻挡层扩散阻挡层3.2.6 粘着层粘着层3.2.8 铜金属化铜金属化2022-6-13853.2.1 金属接触金属接触A. Al-Si合金合金 早期的集成电路金属化工艺选择早期的集成电路金属化工艺选择Al为主要的导电材料，是因

50、为主要的导电材料，是因为为Al具有低电阻值、技术成熟、附着力强、易刻蚀的特点。具有低电阻值、技术成熟、附着力强、易刻蚀的特点。B. Al-Si-Cu合金合金 Al薄膜不仅用作接触，而且用作器件互连。在器件尺寸缩薄膜不仅用作接触，而且用作器件互连。在器件尺寸缩小时，器件间互连厚度与宽度也随之减少，而通过导线的电小时，器件间互连厚度与宽度也随之减少，而通过导线的电流密度则随之升高，造成流密度则随之升高，造成电迁移电迁移的问题。的问题。 目前在工艺中最常用的解决方法是在目前在工艺中最常用的解决方法是在Al-Si合金中掺入约合金中掺入约1at.Cu。Cu原子分布在原子分布在Al晶粒界面附近，有效的抑制

51、了晶粒界面附近，有效的抑制了电迁移。电迁移。 所谓金属电迁移失效，通常是指金属层因金属离子的迁移在局部区域由质量堆积(Pileup)而出现小丘(Hillock s)或晶须，或由质量亏损出现空洞(Voids)而造成的器件或互连性能退化或失效。通常在高温、强电场下引起。 2022-6-1386C. 金属硅化物金属硅化物要求要求与硅晶附着力好与硅晶附着力好电阻低以减小电势差电阻低以减小电势差与硅接触电阻低与硅接触电阻低适当的势垒高度适当的势垒高度2022-6-13873.2 导体导体-金属金属薄膜薄膜3.2.1 金属接触金属接触3.2.2 栅电极栅电极3.2.3 器件互连器件互连3.2.4 栓塞栓塞

52、3.2.5 扩散阻挡层扩散阻挡层3.2.6 粘着层粘着层3.2.8 铜金属化铜金属化2022-6-13883.2.2 栅电极栅电极A. 金属栅电极金属栅电极B. 多晶硅多晶硅-金属硅化物金属硅化物C. 自对准硅化物技术自对准硅化物技术2022-6-1389 低电阻值的金属，很早就被采用为栅电极材料。低电阻值的金属，很早就被采用为栅电极材料。如如栅电极宽栅电极宽度为度为2 2微米以上，栅电极氧化层厚度在数百埃以上时，铝栅微米以上，栅电极氧化层厚度在数百埃以上时，铝栅电极相当普遍。电极相当普遍。所谓多晶硅所谓多晶硅金属硅化物是指在多晶硅上再淀积一层低电金属硅化物是指在多晶硅上再淀积一层低电阻值的硅

53、化物，而形成迭层结构。阻值的硅化物，而形成迭层结构。2022-6-13902022-6-1391 随硅栅工艺的发展，已实现栅与源和漏的随硅栅工艺的发展，已实现栅与源和漏的自对准自对准。这种工艺。这种工艺是先在生长有栅氧化膜的硅单晶片上淀积一层多晶硅，然后在是先在生长有栅氧化膜的硅单晶片上淀积一层多晶硅，然后在多晶硅上刻蚀出两个扩散窗口，杂质经窗口热扩散到硅单晶片多晶硅上刻蚀出两个扩散窗口，杂质经窗口热扩散到硅单晶片内，形成源和漏扩散区，同时形成导电的多晶硅栅电极，其位内，形成源和漏扩散区，同时形成导电的多晶硅栅电极，其位置自动与源和漏的位置对准。按照这种自对准工艺，栅与源和置自动与源和漏的位置

54、对准。按照这种自对准工艺，栅与源和漏的覆盖由杂质侧向扩散完成，比铝栅工艺的覆盖电容要小很漏的覆盖由杂质侧向扩散完成，比铝栅工艺的覆盖电容要小很多。多。 C. 自对准硅化物技术自对准硅化物技术2022-6-1392 使用自动对准金属硅化物技术（使用自动对准金属硅化物技术（Self aligned silicdation)的优的优点除不需另加一道掩模板外，在源点除不需另加一道掩模板外，在源/漏极扩散区的低电阻值硅漏极扩散区的低电阻值硅化物的存在可降低器件的串连电阻值，而且可减少金属接触化物的存在可降低器件的串连电阻值，而且可减少金属接触窗数目，增加后续连接导线布局的方便性，进而可缩小整个窗数目，增

55、加后续连接导线布局的方便性，进而可缩小整个器件的摆放面积。器件的摆放面积。2022-6-1393自对准硅化物工艺过程自对准硅化物工艺过程2022-6-13943.2 导体导体-金属金属薄膜薄膜3.2.1 金属接触金属接触3.2.2 栅电极栅电极3.2.3 器件互连器件互连3.2.4 栓塞栓塞3.2.5 扩散阻挡层扩散阻挡层3.2.6 粘着层粘着层3.2.8 铜金属化铜金属化2022-6-13953.2.3 器件互连器件互连(Interconnect) Al薄膜作为器件互连，经过纯薄膜作为器件互连，经过纯Al、Al-Si合金、合金、Al-Si-Cu合合金，而演变为金，而演变为Al-Cu合金。合金

56、。Cu原子分布在原子分布在Al晶粒界面附近，晶粒界面附近，有效的抑止了电迁移。另一方面可能与有效的抑止了电迁移。另一方面可能与Al作用生成电阻率较作用生成电阻率较高的高的Al2Cu。2022-6-1396 钨有时应用在小范围的局部金属导线钨有时应用在小范围的局部金属导线(Local Interconnect) 。这是由于钨的抗电迁移性好，其可靠性优于铝铜合金。这是由于钨的抗电迁移性好，其可靠性优于铝铜合金。 做为局部导线，钨的电阻系数低于其他用于器件连接的材做为局部导线，钨的电阻系数低于其他用于器件连接的材料，比如多晶硅以及合金硅化物料，比如多晶硅以及合金硅化物TiSi2等等。然而长距离的导线

57、然而长距离的导线需要较低的电阻，仍以需要较低的电阻，仍以A1-Cu合金为宜。合金为宜。2022-6-1397 由于集成电路尺寸微小化已迈入深亚微米阶段，铝及铝合由于集成电路尺寸微小化已迈入深亚微米阶段，铝及铝合金薄膜等传统金属化材料已面临其适用极限。金薄膜等传统金属化材料已面临其适用极限。 Cu薄膜则因电阻低薄膜则因电阻低(比铝低比铝低35)及抗电迁移性高，以及其及抗电迁移性高，以及其他一些有利因素，成为下一代金属化最被看好的材料。目前他一些有利因素，成为下一代金属化最被看好的材料。目前制造技术与工艺整合已渐趋成熟，且有几家公司开始量产含制造技术与工艺整合已渐趋成熟，且有几家公司开始量产含Cu

58、互连芯片。互连芯片。2022-6-13983.2 导体导体-金属金属薄膜薄膜3.2.1 金属接触金属接触3.2.2 栅电极栅电极3.2.3 器件互连器件互连3.2.4 栓塞栓塞3.2.5 扩散阻挡层扩散阻挡层3.2.6 粘着层粘着层3.2.8 铜金属化铜金属化2022-6-13993.2.4 栓塞栓塞(Plug) 多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了保证多层金属布线使得金属化系统中出现很多通孔，为了保证两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来填充。两层金属间形成电通路，这些通孔需要用金属塞来填充。 栓塞指用以连接器件各极与金属层通孔栓塞指用以连接器件各极与金属层通孔(Via)的镶

59、入的镶入(Stud)部部分。分。 虽然用来制作多重金属化所需的栓塞技术有不少种，但是虽然用来制作多重金属化所需的栓塞技术有不少种，但是较具实用性的，且巳被各集成电路制造厂所使用的，则主要较具实用性的，且巳被各集成电路制造厂所使用的，则主要有：有：金属铝金属铝与与钨栓塞钨栓塞。2022-6-131002022-6-131013.2.4.1 金属铝栓塞金属铝栓塞主要工艺主要工艺A. 高温回流高温回流 High Temperature Reflow 在该工艺中，铝先在中在该工艺中，铝先在中/低温以高功率淀积所需的厚度，低温以高功率淀积所需的厚度，然后借助高温加热晶圆时铝的固态扩散而流入洞中，形成然后

60、借助高温加热晶圆时铝的固态扩散而流入洞中，形成铝栓。铝栓。 该工艺的主要驱动力为铝的表面张力以减少表面积（表该工艺的主要驱动力为铝的表面张力以减少表面积（表面能）驱使铝流动。面能）驱使铝流动。2022-6-13102B. 冷冷/热铝两段式淀积及平坦化热铝两段式淀积及平坦化 就是把原来只需一次便可完成的铝合金层的淀积步骤，分就是把原来只需一次便可完成的铝合金层的淀积步骤，分为低温与高温两个阶段来执行的一种方法为低温与高温两个阶段来执行的一种方法。 第一阶段的铝淀积，以溅射的方式，在大约室温到第一阶段的铝淀积，以溅射的方式，在大约室温到200 的的低温下进行。基本上，这一层铝合金的厚度比较薄，以避