硅片制备与高温工艺

硅片制备与高温工艺第1页/共147页2硅片制备

单晶生长：直拉法、区熔法高温工艺氧化扩散退火第2页/共147页3Si集成电路芯片元素组成半导体（衬底与有源区）：单晶Si杂质（N型和P型）：P(As)、B导体（电极及引线）：Al、Wu（Cu、Ti）、poly-Si绝缘体（栅介质、多层互连介质）：SiO2、Si3N4第3页/共147页4化学元素周期表第4页/共147页5周期表中用作半导体的元素 Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族 第2周期 B C N 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga Ge As Se 第5周期 Cd In Sn Sb Te 第6周期Hg Pb 第5页/共147页6半导体衬底材料的种类元素半导体：Si、Ge、C（金刚石）化合物半导体二元化合物Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InP，GaN等；Ⅱ-Ⅵ族：ZnSe，CdS，ZnO，ZnS等；Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SixGe1-x（合金/混晶)；三元、四元化合物(混晶）AlxGa1-xAs,InxGa1-xAs,AlxGa1-xN，Hg1-xCdxTe等；第6页/共147页地球岩石圈和土壤的主要化学组成(重量%)

元素岩石圈土壤氧化物岩石圈土壤O47.249.0SiO261.2864.17Si33.027.6Al2O315.3412.86Al8.87.13Fe2O36.296.58Fe5.13.8CaO4.961.17Ca3.61.37MgO3.900.91Na2.640.63K2O3.060.95K2.61.36Na2O3.440.58Mg2.10.6P2O50.290.11Ti0.60.46TiO20.781.25S0.090.085

Mn0.090.085地球大气体积比P0.080.08N278.084N0.010.1O220.95Cu0.010.002Ar0.934Zn0.0050.005第7页/共147页82.1单晶硅晶体结构第8页/共147页9硅的重要性

储量丰富，便宜；（27.6％）SiO2性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长；

较大的禁带宽度（1.12eV），较宽工作温度范围；2.1单晶Si简介第9页/共147页10硅的基本参数名称Name硅Silicon符号SymbalSi原子序数AtomicNumber14原子量AtomicWeight28.0855发现日期DiscoveryDate1824键长BondlengthinsinglecrystalSi2.352A密度DensityofSolid2.33g/cm3电阻率Electricalresistivity熔点Meltingpoint1414℃沸点Boilingpoint2900℃2.1单晶Si简介第10页/共147页11晶体结构无定形

不存在重复结构多晶

有一些重复结构单晶

一个完整的重复结构2.1单晶Si简介第11页/共147页12无定形结构2.1单晶Si简介第12页/共147页13多晶Si结构2.1单晶Si简介结构特征：局部有序（单晶）、整体无序。应用：栅电极、引线第13页/共147页14单晶Si结构2.1单晶Si简介结构特征：一个完整、有序的周期重复结构。应用：衬底与有源区第14页/共147页15思考题在集成电路制造中，单晶Si和多晶Si分别有什么用途？第15页/共147页16单晶硅的基本单元2.1单晶Si简介金刚石结构四面体第16页/共147页17晶向：<100>、<110>、<111>2.1单晶Si简介第17页/共147页18晶向应用2.1单晶Si简介<100>晶面：MOS器件和电路<111>：双极型器件和电路第18页/共147页19晶面判据：刻蚀凹坑2.1单晶Si简介右上图：<100>晶面左下图：<111>晶面第19页/共147页202.2单晶硅圆片的制备第20页/共147页21•石英砂（SiO2)→冶金级硅(MGS)•HCl与MGS粉反应形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷）•利用汽化和冷凝提纯TCS•TCS与H2反应形成多晶硅(EGS)•熔融EGS和拉单晶硅锭从石英砂到硅锭第21页/共147页22从硅锭到硅片单晶硅锭整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装2.2单晶Si制备从石英砂中提炼硅第22页/共147页23砂→硅SiO2石英砂C碳＋加热到2000℃Si冶金级硅＋CO2二氧化碳2.2单晶Si制备纯度:98%第23页/共147页24硅提纯I过滤器冷凝器纯化器反应室，300℃HClSi硅粉SiHCl3(TGS)纯度:99.9999999%(9N)SiHCl3:三氯氢硅Si(固)+3HCl(气)－－→SiHCl3(气)+H2(气)2.2单晶Si制备(220~300℃)SiHCl3：沸点31.5℃Fe、Al和B被去除。第24页/共147页25多晶硅淀积SiHCl3TGSH2氢气＋1000～1200℃Si电子级硅EGS＋3HCl氯化氢2.2单晶Si制备纯度:99.9999999%第25页/共147页26硅提纯IIH2液态SiHCl3TGSH2+SiHCl3H2+SiHCl3→Si+3HCl电子级硅（多晶硅）EGS工艺腔2.2单晶Si制备第26页/共147页271:冷却平台,2:冷却保护玻璃,3:观察窗玻璃,4:石英罩,5:硅核(细柱),6:电流源,7:饱和器第27页/共147页28多晶硅(EGS:ElectronicGradeSilicon)2.2单晶Si制备第28页/共147页29Si单晶的制备直拉法：CZ法悬浮区熔法：FZ法第29页/共147页30直拉法（Czochralski，CZ法）石英坩锅石墨坩锅单晶硅锭单晶硅籽晶加热线圈2.2单晶Si制备硅－熔点为1414℃,沸点为2355℃第30页/共147页31直拉(CZ)法生长Si单晶2.2单晶Si制备第31页/共147页321）

拉晶仪①炉子石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；旋转装置：顺时针转；加热装置：RF线圈；

2.2单晶Si制备直拉(CZ)法生长单晶第32页/共147页331）拉晶仪②拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；③环境控制真空系统：气路系统：提供惰性气体；排气系统：④电子控制及电源系统

2.2单晶Si制备直拉(CZ)法生长Si单晶第33页/共147页342）拉晶过程例，2.5及3英吋硅单晶制备①

熔硅调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长）②

引晶（下种）籽晶预热：目的---避免对热场的扰动太大；

位置---熔硅上方；与熔硅接触：温度太高---籽晶熔断；

温度太低---籽晶不熔或不生长；

合适温度--籽晶与熔硅可长时间接触，

既不会进一步融化，也不会生长；

2.2单晶Si制备直拉(CZ)法生长单晶第34页/共147页352）拉晶过程③收颈

目的：抑制位错从籽晶

向晶体延伸；

直径：2-3mm；

长度：>20mm；

拉速：3.5mm/min

④放肩

温度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；

2.2单晶Si制备直拉(CZ)法生长单晶第35页/共147页36第36页/共147页37（悬浮）区熔法生长单晶2.2单晶Si制备第37页/共147页38直拉法vs（悬浮）区熔法

直拉法，更为常用(占75％以上)

－便宜－更大的圆片尺寸(300mm已生产)

－剩余原材料可重复使用－位错密度：0～104cm2

区熔法

－高纯度的硅单晶(不使用坩锅)（电阻率2000W-mm）

－成本高，可生产圆片尺寸较小(150mm)

－主要用于功率器件－位错密度：103～105cm22.2单晶Si制备第38页/共147页39（水平）区熔法-布里吉曼法

制备GaAs单晶第39页/共147页40硅锭整型处理定位边（参考面）150mm或更小直径定位槽200mm或更大直径2.2单晶Si制备截掉头尾、直径研磨和定位边或定位槽第40页/共147页41定位边或定位槽的作用①识别晶向、导电类型及划片方向；②硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；③硅片装架的接触位置。2.2单晶Si制备第41页/共147页42切片(WaferSawing)晶向标记定位槽锯条冷却液硅锭硅锭运动方向金刚石覆层2.2单晶Si制备第42页/共147页43边缘倒角(EdgeRounding)倒角前的圆片倒角后的圆片2.2单晶Si制备第43页/共147页44硅圆片机械研磨(Lapping)粗抛光常规的使用研磨剂（Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO）进行浆料研磨去除大多数表面损伤获得平整的表面2.2单晶Si制备第44页/共147页45硅圆片化学腐蚀(Etch)去除圆片表面的缺陷HNO3(重量比浓度79%)、HF(重量比浓度49%)和纯CH3COOH配成4:1:3溶液腐蚀化学反应3Si+4HNO3+6HF→3H2SiF6+4NO+8H2O2.2单晶Si制备第45页/共147页46化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing:CMP)2.2单晶Si制备第46页/共147页47200mm硅圆片厚度和表面粗糙度的变化锯片后倒角后机械研磨后化学腐蚀后CMP后2.2单晶Si制备第47页/共147页48硅圆片的基本参数2.2单晶Si制备第48页/共147页49第49页/共147页50Si外延片定义目的外延反应室外延工艺2.2单晶Si制备第50页/共147页51外延(Epitaxy)定义Epitaxy，希腊语，epi：Upon，taxy:orderly,arranged外延层：单晶衬底上单晶薄膜层外延：同质外延和异质外延同质外延：衬底与外延层为相同晶体，晶格完全匹配异质外延：衬底与外延层为不同晶体，晶格不匹配2.2单晶Si制备第51页/共147页52双极晶体管（电路）中外延层的应用高阻的外延层可提高集电结的击穿电压低阻的衬底（或埋层）可降低集电极的串联电阻2.2单晶Si制备第52页/共147页53CMOS器件（电路）中外延层的应用2.2单晶Si制备减小pnpn寄生闸流管效应降低漏电流第53页/共147页54Si外延的源材料Si源气体：SiH4(硅烷),SiH2Cl2(二氯硅烷),SiHCl3(三氯硅烷),SiCl4(四氯硅烷)掺杂剂：

N型掺杂剂：PH3,AsH3

P型掺杂剂：B2H6,2.2单晶Si制备第54页/共147页55外延设备：外延炉2.2单晶Si制备右上图：立式炉左下图：卧式炉第55页/共147页56小结Si的重要性：储量丰富，便宜，易生成氧化物等。Si衬底的晶向：<100>and<111>。Si单晶制备：直拉法和区熔法,直拉法更为常用Si片的制备：锯片,修边,研磨,腐蚀和CMPSi外延片:Si体单晶上生长Si单晶薄膜Si外延片的应用：双极与MOS器件（电路）.Si外延的硅源:

SiH4,SiH2Cl2,SiHCl3,SiCl4Si外延的原位掺杂：P型掺杂源（B2H6）；N型掺杂源（PH3和AsH3）。2.2单晶Si制备第56页/共147页572.3高温工艺第57页/共147页58ThermalProcessesinICFabrication2.3高温工艺第58页/共147页59高温工艺(ThermalProcesses)高温工艺设备热氧化扩散退火2.3高温工艺第59页/共147页602.3.1高温工艺(ThermalProcesses)设备高温炉是高温工艺的常用设备通常，高温炉主要由控制部分，气体输运部分，工艺炉管或反应室，硅片装卸部分和尾气处理部分等组成2.3.1高温工艺设备第60页/共147页61气路输运部分气瓶减压器控制阀质量流量控制器2.3.1高温工艺设备第61页/共147页62热氧化源气体干氧：干燥氧气湿氧：氧气携带水（鼓泡器）水汽：氢气和氧气，H2+O2→H2O氯源：降低可动离子(Na+

栅氧化层)－无水HCl－三氯乙烯Trichloroethylene(TCE)2.3.1高温工艺设备第62页/共147页63扩散（源气体）P型掺杂剂

－B2H6，焦巧克力色，令人作呕的芳香气味

－有毒，易燃易爆N型掺杂剂

－PH3，腐烂鱼腥味

－AsH3，大蒜味

－有毒，易燃易爆吹扫气体

－氮气N22.3.1高温工艺设备第63页/共147页64退火（源气体）高纯氮气N2，保护气体H2O，有时用作PSG和BPSG玻璃回潮的环境气体O2，用作STI形成工艺USGCMP后USG的退火较低纯度氮气N2用作空闲状态时的吹扫气体2.3.1高温工艺设备第64页/共147页65尾气处理部分尾气排出大气前需对危险气体进行处理有毒、易燃、易爆和腐蚀性尾气需要被处理焚烧炉处理大多数有毒、易燃和易爆的气体喷水洗刷器溶解燃烧的氧化物和腐蚀性气体处理后的气体可以排入大气(满足环保要求)2.3.1高温工艺设备第65页/共147页66温度控制高温工艺对于温度非常敏感精确的温度控制非常关键中心温区：±0.5℃±0.05%at1000℃!2.3.1高温工艺设备第66页/共147页67温控系统热电偶与反应炉管接触测温；温控仪提供功率给加热线圈；加热功率正比于设定值与测量值之间的偏差2.3.1高温工艺设备第67页/共147页68反应室高纯石英–高温稳定性–清洁性缺点–易碎–含有一些金属离子–不能阻挡Na离子–在>1200°C下出现小片脱落,失去表面光泽2.3.1高温工艺设备第68页/共147页69卧式炉管2.3.1高温工艺设备第69页/共147页70立式炉管2.3.1高温工艺设备第70页/共147页71高温工艺设备小结高温工艺通常使用炉管反应室；反应炉通常由控制系统、气体输运系统、反应腔、装卸片系统和尾气处理系统构成；立式炉管使用最广泛，因为其占地面积小、污染控制好、维护量小；温度控制的精确性和均匀性对于高温工艺的成功至关重要。2.3.1高温工艺设备第71页/共147页722.3.2Oxidation氧化简介氧化膜的应用氧化机理氧化工艺氧化设备RTO快速热氧化2.3.2热氧化第72页/共147页73简介硅与O2直接反应可得；SiO2性能稳定；氧化工艺在IC制造中广泛使用Si+O2→SiO2氧化层简介第73页/共147页74SiO2薄膜的结构无定形（非晶形）结构：密度＝2.15-2.25g/cm3结构特点：（由无规则排列的Si-O4四面体组成的三维网络结构),即短程有序，长程无序；Si-O4四面体:在顶角处通过氧（O)相互联结,构成三维网络结构。第74页/共147页75SiO2的性质①密度：表征致密度，约2.2g/cm3，与制备方法有关。②折射率:表征光学性质的参数，5500Å下约为1.46，与制备方法有关。③电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在1016Ω·cm。④介电强度：表征耐压能力，106--107

V/cm。⑤介电常数:表征电容性能，εSiO2=3.9。⑥熔点：无固定熔点，>1700℃。第75页/共147页76Oxidation氧化层简介Silicon氧化机制第76页/共147页77氧化膜的应用掺杂阻挡层表面钝化(保护)隔离层栅氧化层MOS电容的介质材料氧化层应用第77页/共147页78掺杂阻挡氧化层MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSiSiO2canbeusedasdiffusionmask氧化层应用第78页/共147页79表面钝化(保护)氧化层PadOxide衬垫（缓冲）氧化层,ScreenOxide屏蔽氧化层SacrificialOxide牺牲氧化层,BarrierOxide阻挡氧化层Normallythinoxidelayer(~150Å)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.氧化层应用第79页/共147页80ScreenOxide氧化层应用第80页/共147页81PadandBarrierOxidesinSTIProcess氧化层应用USG:UndopedSilicateGlass未掺杂硅酸盐玻璃第81页/共147页82Application,PadOxideRelievestrongtensilestressofthenitridePreventstressinducedsilicondefects氧化层应用第82页/共147页83Application,SacrificialOxideDefectsremovalfromsiliconsurface氧化层应用第83页/共147页84器件隔离氧化层ElectronicisolationofneighboringdevicesBlanketfieldoxide（场氧）Localoxidationofsilicon(LOCOS，局部氧化)Thickoxide,usually3,000to10,000Å氧化层应用第84页/共147页85BlanketFieldOxideIsolation氧化层应用第85页/共147页86LOCOSProcess氧化层应用第86页/共147页87LOCOSComparewithblanketfieldoxide–Betterisolation更好的隔离–Lowerstepheight更低台阶高度–Lesssteepsidewall侧墙不很陡峭Disadvantage缺点–roughsurfacetopography粗糙的表面形貌–Bird’sbeak鸟嘴Replacingbyshallowtrenchisolation(STI)氧化层应用第87页/共147页88栅氧化层Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric氧化层应用第88页/共147页89氧化膜(层)应用名称应用厚度说明自然氧化层不希望的15-20A屏蔽氧化层注入隔离，减小损伤~200A热生长掺杂阻挡层掺杂掩蔽400-1200A选择性扩散场氧化层和LOCOS器件隔离3000-5000A湿氧氧化衬垫氧化层为Si3N4提供应力减小100-200A热生长很薄牺牲氧化层去除缺陷<1000A热氧化栅氧化层用作MOS管栅介质30-120A干氧氧化阻挡氧化层防止STI工艺中的污染100-200A氧化层应用第89页/共147页90表面未清洗硅片的热氧化层热氧化生长的SiO2层是无定形的SiO2分子间趋于交联形成晶体未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的成核点这种SiO2层的阻挡作用很差氧化前需要清洗硅片表面SiliconDioxideGrownonImproperlyCleanedSiliconSurface第90页/共147页91氧化前圆片清洗

Pre-oxidationWaferClean

颗粒有机粘污无机粘污本征氧化层第91页/共147页92RCA清洗DevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCAMostcommonlyusedcleanprocessesinICfabsSC-1－NH4OH:H2O2:H2Owith1:1:5to1:2:7ratioat70to80℃toremoveorganiccontaminants.(1号液)SC-2--HCl:H2O2:H2Owith1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates.(2号液)DIwaterrinseHFdiporHFvaporetchtoremovenativeoxide.第92页/共147页93Pre-oxidationWaferCleanParticulateRemovalHighpuritydeionized(DI)waterorH2SO4:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).第93页/共147页94Pre-oxidationWaferCleanOrganicRemovalStrongoxidantsremoveorganicresidues.H2SO4:H2O2orNH3OH:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).第94页/共147页95Pre-oxidationWaferCleanInorganicRemovalHCl:H2OImmersionindunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)第95页/共147页96Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemovalHF:H2OImmersionindunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)第96页/共147页97氧化机制-干（氧）氧化氧化剂：干燥的O2Si+O2→SiO2O来源于提供的氧气；Si来源于衬底硅圆片O2通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2氧化膜越厚，生长速率越低干氧化速率最低第97页/共147页98氧化机制-水汽氧化氧化剂：H2OSi+2H2O→SiO2+2H2高温下，H2O易于分解为H和H-OH-O在SiO2中的扩散系数高于O2的扩散系数水汽氧化的生长速率最高第98页/共147页99氧化机制-湿（氧）氧化氧化剂：O2携带H2OSi+O2→SiO2Si+2H2O→SiO2+2H2湿氧化的生长速率介于水汽氧化与干氧化之间实际氧化工艺：干氧+湿氧+干氧？第99页/共147页100氧化速率分布第100页/共147页101<100>硅干氧化和湿氧化比较干氧氧化湿氧氧化第101页/共147页102影响氧化速率的因素温度湿氧化或干氧化厚度压力硅片晶向(<100>或<111>)硅中杂质第102页/共147页103氧化速率与温度氧化速率对温度很敏感，指数规律温度升高会引起更大的氧化速率升高物理机理：温度越高，O2与Si的化学

反应速率越高；

温度越高，O2在SiO2中的

扩散速率越高。第103页/共147页104氧化速率与圆片晶向<111>表面的氧化速率

高于<100>表面原因：<111>表面的Si

原子密度高第104页/共147页105氧化速率与杂质浓度杂质元素和浓度高掺磷的硅有更高的氧化层生长速率，更低密度的氧化层薄膜和更高的刻蚀速率通常，掺杂浓度越高，氧化层生长速率越高；在氧化过程的线性区(氧化层较薄时)更为显著。第105页/共147页106氧化：杂质堆积和耗尽效应N型杂质(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，当SiO2生长时，杂质向Si中移动（分凝），这引起杂质堆积或滚雪球效应P型杂质B倾向于向SiO2中运动，这引起杂质耗尽效应第106页/共147页107杂质耗尽和杂质堆积第107页/共147页108氧化速率与加氯氧化Cl可以减少氧化层中的可动离子（如Na+）MOS栅极氧化中广泛采用氧化速率提高（1～5）％Cl来源：氯气，氯化氢，三氯乙烯(TCE)，氯仿(TCA)

从安全和方便角度，TCA(CHCl3)为比较好的氯源。第108页/共147页109氧化速率与不均匀氧化氧化层越厚，氧化速率越小；氧化层越厚，O需要更长的扩散路程才能与衬底硅发生反应第109页/共147页110氧化工艺应用干氧化，薄氧化层（<1000A）

－MOS栅氧化层（30～120A）

－衬垫氧化层（100～200A），屏蔽氧化层（～200A），牺牲氧化层（<1000A），等等湿氧化，厚氧化层

－场氧化层（3000～5000A）

－扩散掩膜氧化层（400～1200A）第110页/共147页111干氧化系统质量流量控制器调压器控制阀第111页/共147页112干氧化主气体：干氧O2

HCl去除栅氧化的可动离子高纯N2

：工艺吹扫气体低纯度N2

：空闲吹扫气体第112页/共147页113悬挂键和界面电荷界面态电荷（正）悬挂键第113页/共147页114湿氧化速率高厚氧化层,如LOCOS干氧化质量更高8nm/min80nm/min第114页/共147页115水汽来源煮沸器气泡发生器Flush热反应第115页/共147页116煮沸器（BoilerSystem）第116页/共147页117气泡发生器（BubblerSystem）第117页/共147页118FlushSystem第118页/共147页119热反应（PyrogenicSteamSystem）第119页/共147页120热反应优点–全气态–源气流精确可控缺点–H2易燃，易爆典型H2:O2

比：（1.8:1）～（1.9:1）第120页/共147页121快速热氧化（RapidThermalOxide）深亚微米栅氧化氧化膜极薄：<30Å需要对温度均匀性精确控制第121页/共147页122高压氧化氧化速率更高（比常压）可降低氧化温度:压力增大1amt，温度可降低30°C更高的介电强度（比常压）缺点:设备复杂，存在安全问题第122页/共147页123氧化小结SiO2的应用：掺杂阻挡层、器件隔离层、栅氧化层、MOS电容的介质材料、表面钝化(保护)层表面钝化(保护)：衬垫氧化层，掺杂阻挡层，牺牲氧化层，阻挡氧化层，注入屏蔽氧化层氧化前圆片清洗：RCA清洗氧化类型与机制：干氧、水汽及湿氧干氧化和湿氧化，（RTO，高压氧化）第123页/共147页1242.3.3Diffusion扩散第124页/共147页1