半导体制程技术导论chapter-4晶圆制造

1Chapter4晶圆制造和外延硅生长王红江，Ph.D.fwang@2教学目标说明为何硅比其他半导体材料更被普遍及采用的两个理由列出单晶硅所偏爱的两种晶向列出从砂形成硅的基本步骤叙述CZ法和悬浮带区法解释硅外延层沉积的目的叙述外延硅沉积的制程3晶体结构非晶态结构原子排列完全没有重复的结构多晶态结构原子排列有一些重复的结构

单晶态结构原子排列全部以相同结构重复4非晶体结构5晶粒晶界多晶态结构6单晶态结构7为何要用硅?丰度高,便宜二氧化硅非常稳定,强介电质,容易在热氧化过程中成长一层二氧化硅.较大的能隙,操作温度的范围较大.8

名称硅符号Si原子序14原子量28.0855发现者钟斯、杰可柏、柏塞利尔斯发现地点瑞典发现日期1824名称来源由拉丁字silicis衍生而来，意指火石单晶硅的键长度2.352

Å固体密度2.33g/cm3摩尔体积12.06cm3音速2200m/sec电阻系数100,000μΩ．cm反射率28%熔点1414°C沸点2900°C

硅元素的性质9单晶硅晶格结构的晶胞10晶向平面:<100>xyz<100>平面11晶向平面:<111>xyz<100>平面<111>平面12晶向平面:<110>xyz<110>平面13<100>晶向平面的晶格结构原子基本晶胞14<111>晶向平面的晶格结构硅原子基本晶胞15<100>晶圆上的蚀刻斑16<111>晶圆上的蚀刻斑17硅原子杂质原子在取代位置上法兰克缺陷空位或肖特基缺陷杂质原子在间隙位置上硅间隙原子硅晶体缺陷的说明18P型

(111)P型

(100)N型

(111)N型

(100)1234567890缺口切割的識別數字晶圆标示19差排缺陷20从砂到晶圆石英砂的主要成份是二氧化硅从砂到冶金级硅(MGS)MGS粉末放进反应炉和氯化氢反应生三氯硅烷(TCS)经由汽化和凝结过程纯化三氯硅烷三氯硅烷和氢气反应生成电子级硅材料(EGS)EGS熔化和晶体提拉21从砂到晶圆(续)端末切除,侧面抛光,以及磨出平面或是缺口的部分从晶棒到晶圆切片边缘圆滑化,研磨,湿式蚀刻制程和化学机械研磨制程(CMP)雷射画线(Laserscribe)外延沉积22从砂到硅加熱(2000°C)SiO2

+

2C

®

Si+2CO

砂

碳冶金级硅一氧化碳23硅的纯化ISi+HClTCS硅粉末氯化氢过滤器冷凝器纯化器99.9999999%纯度的三氯硅烷反应器,300C24加熱(1100°C)SiHCl3

+H2

®

Si+3HCl三氯硅烷

氢气电子级硅材料氯化氢多晶态沉积,电子级硅材料25硅的纯化II液态三氯硅烷H2载送气体的气泡氢和三氯硅烷制程反应室TCS+H2EGS+HCl电子级硅材料26电子级硅材料数据源:/semiconductors/_polysilicon.html27晶体提拉:查克洛斯基(CZ)法石墨坩埚单晶硅硅棒单晶硅种晶石英坩埚加热线圈1415°C融熔的硅28查克洛斯基法晶体提拉三菱(Mitsubish)材料硅数据源:/semiconductors/_crystalgrowing.html29查克洛斯基法晶体提拉数据源:/semiconductors/_crystalgrowing.html30悬浮带区法(FZMethod)加热线圈多晶硅棒单晶硅种晶加热线圈移动融熔硅RF气体入口熔融区可移动RF线圈多晶硅棒籽晶气体出口卡盘卡盘31两种方法的比较查克洛斯基法是较常用的方法价格便宜较大的晶圆尺寸(直径300mm)晶体碎片和多晶态硅再利用悬浮带区法纯度较高(不用坩埚)价格较高,晶圆尺寸较小(150mm)分离式功率组件32硅晶棒抛光,平边或

刻痕平边,150mm和更小尺寸刻痕,200mm和更大尺寸33晶圆切片处理刻痕方向晶体晶棒锯刀钻石薄层冷却液晶棒移动34晶圆尺寸(mm)厚度(μm)面积(cm2)重量(grams)50.8(2吋)27920.261.3276.2(3吋)38145.614.0510052578.659.67125625112.7217.87150675176.7227.82200725314.1652.98300775706.21127.68不同晶圆尺寸的晶圆厚度35晶圆边缘圆滑化处理晶圆晶圆移动边缘圆滑化前的晶圆边缘圆滑化后的晶圆36晶圆研磨粗略研磨传统的研磨剂,泥浆研磨移除表面大部分的损伤产生平坦的表面37湿式蚀刻制程移除晶圆表面的缺陷将硝酸(水中浓度79%),氢氟酸(水中浓度49%),和纯醋酸

依照4:1:3比例混合.化学反应式:3Si+4HNO3+6HF3H2SiF6+4NO+8H2O38化学机械研磨制程研磨液研磨垫压力晶圆夹具晶圆39200mm的晶圆厚度和表面平坦度的变化76mm914mm晶圆切片之后边缘圆滑化之后76mm914mm12.5mm814mm<2.5mm750mm725mm几乎是零缺陷的表面粗磨之后蚀刻之后CMP之后40外延硅生长定义目的外延硬设备外延制程41外延：定义源自于希腊的两个字epi:在某物之上taxies:安排好的，有秩序的外延沉积制程是在单晶基片上生长一层薄的单晶层.42外延：目的双载子晶体管的载体层当维持在高集崩溃电压时，降低集极电阻.仅外延层.因为比晶圆晶体有较低的氧碳浓度，可增强动态随机内存(DRAM)和互补型金氧半晶体管集成电路(CMOSIC)的性能43硅外延层在双载子晶体管的应用N型外延层pn+n+P型芯片电子流n+深埋层p+p+SiO2Al•Cu•Si基极集极射极44硅外延层在CMOS的应用P型晶圆N型井区P型井区STIn+n+USGp+p+金属1,Al•CuBPSGWP型外延硅45硅源材料气体硅烷 SiH4二氯硅烷 DCS SiH2Cl2三氯硅烷 TCS SiHCl3四氯化硅 SiCl446气相掺杂物氢化硼 B2H6三氢化磷 PH3砷化氢 AsH347二氯硅烷外延成长,掺杂砷化氢加熱(1100°C)SiH2Cl2

®

Si+2HCl二氯硅烷 外延硅

氯化氢AsH3®As+3/2H2加熱(1100°C)48SiH2Cl2SiAsH3AsAsH3HHClH2硅外延层的成长与掺杂制程49外延硅薄膜成长速度与温度关系成长速率,微米/分钟1000/T(K)温度(°C)0.70.80.91.01.10.010.020.050.10.20.51.01300120011001000900800700SiH4SiH2Cl2SiHCl3表面反应控制区质量传输控制区50筒状式反应器辐射加热线圈晶圆51垂直式反应器加热线圈晶圆反应物反应物及副产品52水平式反应器加热线圈晶圆反应物反应物及副产品53外延制程,批量系统氢气冲洗,温度升高氯化氢清洁反应器外延薄膜成长氢气冲洗,温度冷却氮气冲洗打开反应室,晶圆卸除和再装载54单晶圆反应器密封反应室,氢气围绕一主机可以有多个反应室较大的晶圆尺寸(到300mm)均匀的控制性较佳55加热灯管热辐射晶圆石英窗口反应物反应物与副产品石英举升支架单晶圆外延系统56外延制程,单晶圆外延系统氢气冲洗清洁,温度升高外延薄膜成长氢气冲洗,停止加热晶圆卸除和再装载用氯化氢清洁反应室57为何用氢冲洗大部分氮气做为冲洗的气体氮相当稳定且丰度高超过摄氏1000C,氮可以和硅反应氮化硅在晶圆表面会影响外延硅沉积制程因此氢气被用来吹除净化外延反应室藉由与晶圆表面的污染物形成气态的氢化物来清洁晶圆表面58名称氢符号H原子序1原子量1.00794发现者亨利‧卡文第斯发现地点英格兰发现日期1766名称来源由希腊字hydro和genes，意指水的产生者摩尔体积11.42cm3音速1270m/sec折射系数1.00132熔点-258.99°C沸点-252.72°C热传导系数0.1805Wm-1K-1氢元素的性质59外延层可能的缺陷差排表面成核造成堆栈错误杂质微粒尖凸物由基片堆栈错误造成的堆栈错误在S.M.Zse’s超大规模集成电路技術之后基片外延层60外延的未来趋势大晶圆尺寸单晶圆外延成长降低外延成长的温度超高真空(UHV,到10-9托)选择性外延61摘要硅的丰度高,价格便宜,强介电值和容易氧化成长.<100>和<111>晶向平面查克洛斯基法和悬浮带区法，查克洛斯基法较常用切片,切边,研磨,蚀刻和化学机械研磨制程62摘要外延:单晶体在单晶体之上为双载体和高效能的CMOS,DRAM.硅烷,二氯硅烷,三氯硅烷做为

硅源材料气体B2H6

做为P-型硅掺杂物PH3

和AsH3

做为N-型硅掺杂物批量和单晶圆外延系统63问题列举得到半导体级硅的三个步骤。半导体硅有多纯？描述非晶材料。为什么这种硅不能