工艺-硅片制造

集成电路工艺－硅片制备9/29/2023P1/3111、体硅材料的制备2、SOI材料的制备分两部分：9/29/2023P2/312晶体结构

单晶全域重复结构多晶局域重复结构非晶（无定形）完全不存在重复结构9/29/2023P3/313单晶结构9/29/2023P4/314多晶结构GrainGrainBoundary9/29/2023P5/315无定形（非晶）结构9/29/2023P6/316硅的金刚石结构图晶胞单晶硅单位结构

原胞

9/29/2023P7/317晶向xyz<100>planexyz<111>planexyz<110>plane9/29/2023P8/318<100>晶面基本格点单胞基本格点原胞<111>晶面晶面格点9/29/2023P9/319硅片表面腐蚀坑<111>plane<100>plane9/29/2023P10/3110缺陷图解硅原子置换型杂质Frenkel缺陷空位（Schottky缺陷）间隙型杂质硅间隙原子9/29/2023P11/3111层错9/29/2023P12/3112为什么是硅?历史的选择储量丰富，便宜,取之不尽，用之不竭二氧化硅性质非常稳定，绝缘性能极好，且很容易通过热过程生长禁带宽度大，工作温度范围宽电学和机械性能都非常奇异。9/29/2023P13/3113Source:http://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html9/29/2023P14/3114从沙子到硅片原材料：石英砂（二氧化硅）沙子先转化为多晶硅(冶金级

MGS)将MGS粉末与HCl反应以形成三氯硅烷（TCS）用汽化＋凝结法提高TCS的纯度将TCS与H2反应生成多晶硅(电子级EGS)9/29/2023P15/3115从沙子到硅片-2熔化EGS，拉成单晶硅锭掐头去尾，磨边，做槽口或者切面将硅锭切成硅片边缘去角，抛光，湿法刻蚀，CMP激光刻线外延淀积(optional)9/29/2023P16/3116从沙子到硅片-30.5元/kg1000元/kgSiO2

(90-95%)多晶硅(99.99%)

单晶硅Wafer10000元/kg9/29/2023P17/3117

Heat(1700°C)SiO2

+

C

®

Si+CO2

SandCarbonMGSCarbonDioxide一、用炭从二氧化硅中还原出硅气体液体9/29/2023P18/3118Si+HCl

TCS硅粉末MGS氯化氢Filters冷凝器提纯室PureTCSwith99.9999999%反应腔,300

C二、生成三氯硅烷（TCS）并提纯

Si＋HClSiHCl3

＋SiCl4

MGSTCSCondenser9/29/2023P19/3119

Heat(1100°C)SiHCl3+H2

®

Si+3HCl

TCSHydrogenEGSHydrochloride三、用氢从TCS中还原出硅（EGS）液态

TCSH2CarriergasbubblesH2andTCS工艺腔ChamberTCS+H2EGS+HClEGS9/29/2023P20/3120电子级硅Source:http:///semiconductors/_polysilicon.html9/29/2023P21/3121四、多晶硅转变成单晶硅两种主要方法：（1）直拉法（CZ）（2）区熔法（FZ）9/29/2023P22/3122

（1）拉单晶:CZ方法石墨坩锅单晶硅锭ingot单晶硅种子seed石英坩锅加热板Heatingcoils1415°C熔化后的硅QuartzCrucibleGraphiteCrucible9/29/2023P23/3123CZ拉单晶图示Source:http:///semiconductors/_crystalgrowing.html9/29/2023P24/3124（2）区熔法－FZMethod热板多晶硅棒Rod单晶硅晶种热板运动熔化后的硅9/29/2023P25/3125两种方法的比较CZ方法更普遍成本更低硅片尺寸更大

(300mm已可投入生产)材料可重复使用FZ方法（FloatingZone)单晶纯度更高

(无坩锅)成本更高，硅片尺寸偏小

(150mm)主要用于功率器件9/29/2023P26/3126五：

掐头去尾、

径向打磨、

切面、

或者制槽9/29/2023P27/3127晶向指示标记Flat,≤150mm平口Notch,

200mm槽口9/29/2023P28/3128六、硅片切割WaferSawingOrientationNotchCrystalIngotSawBladeDiamondCoatingCoolantIngotMovement9/29/2023P29/3129七、硅片倒角EdgeRounding硅片硅片运动边缘去角前的硅片边缘去角后的硅片9/29/2023P30/3130八、抛光粗抛

传统的,研磨式的,磨粉浆抛光目的在于移除大部分的表面损伤

形成平坦的表面9/29/2023P31/3131九、湿法腐蚀去除硅片表面的缺陷4:1:3比例混合物：HNO3(79wt%inH2O),HF(49wt%inH2O),andpureCH3COOH.化学反应:3Si+4HNO3+6HF

3H2SiF6+4NO+8H2O9/29/2023P32/3132十、化学机械抛光SlurryPolishingPadPressureWaferHolderWafer9/29/2023P33/3133200mm硅片厚度和表面粗糙度变化76mm914mm硅片切割后12.5mm814mm<2.5mm750mm725mmVirtuallyDefectFree抛光后腐蚀后CMP后9/29/2023P34/3134硅片参数WaferSize(mm)Thickness(mm)Area(cm

2

)

Weight(grams)27920.261.3238145.614.05100

(4in)52578.659.67125

(5in)625112.7217.87150

(6in)675176.7227.82200(8in)725314.1652.98300(12in)775706.21127.6250.8(2in)76.2(3

in)9/29/2023P35/3135十一外延1、作为双极型晶体管的埋层保持高击穿电压的同时减小集电极电阻（Link)。2、有利于改善CMOS和DRAM器件的性能。外延层中氧、炭含量较硅晶体更低。（Link)

加热

(1100°C)SiH2Cl2

®

Si+2HClDCS EpiHydrochloride9/29/2023P36/31361、体硅材料的制备2、SOI材料的制备分两部分：9/29/2023P37/3137从体硅衬底到SOI衬底

FromBulktoSilicon-On-Insulator(SOI)SOI技术：更好的器件隔离；速度更快；封装密度更高；电路性能更佳n+n+p+p+n+n+p+p+p-subsn-wellVoutVinVddVssVinVoutVssVddsubs体硅CMOSSOICMOS9/29/2023P38/3138SOI衬底上的CMOSp-SiUSGn-Si体硅多晶硅STI埋层氧化层n+

源/漏p+

源/漏栅氧9/29/2023P39/3139SOI衬底的制备方法单晶硅膜（SOI）埋氧层（BOX）衬底(Substrate)两种主要方法：（1）注入法（2）键合法9/29/2023P40/3140氧注入

SOI技术（SIMOX）

－Separationbyimplantionofoxygen工艺非常简单，仅仅两大步：（1）大剂量氧离子注入，和（2）高温退火9/29/2023P41/3141SIMOX技术的几个关键因素（1）氧离子注入剂量（2）衬底温度（3）退火条件9/29/2023P42/3142（1）氧离子注入剂量临界剂量的概念：在离子浓度的峰值处直接形成具有化学配比的化合物需要的注入剂量。Nc

对氧注入，Nc～1.4×1018/cm2。注入剂量小于Nc，通常不能形成连续的BOX。9/29/2023P43/3143（2）衬底温度衬底温度过低，硅膜完全非晶化，不能恢复成单晶；衬底温度过高，形成的硅膜内有氧沉淀。合适的衬底温度：500～700C9/29/2023P44/3144（3）退火条件退火通常在含有2％氧的氮气中进行。其两大作用：I：消除晶格损伤；II:形成界面陡直的顶层硅膜与埋氧层。（a）高度无序含SiO2硅层＋BOX＋深度损伤层（b）顶部析出硅膜＋含有大量SiO2沉淀和位错的高缺陷层＋BOX＋Si/SiO2混合层。（c）同上，但各层厚度在改变。（d）硅层和BOX完全形成，但衬底界面处存在硅岛（T～300A，L～300－2000A）9/29/2023P45/31459/29/2023P46/3146键合SOI技术（WaferBonding）分两类：（1）键合＋腐蚀（BE－SOI）（2）氢注入＋键合（SmartCut）9/29/2023P47/3147（1）键合＋腐蚀（BE－SOI）BondingandEtch－Back9/29/2023P48/3148键合的基本过程（1）预键合两个硅片相合，由于范德瓦尔斯力（中性分子彼此距离非常近时，产生的一种微弱电磁引力）的作用，产生相互吸引力而粘合在一起。如硅片表面具有亲水性，水分子间的氢键作用会产生更大的引力。故预键合前表面一般进行亲水处理，使表面产生大量的羟基团（OH－）。（2）退火处理室温下的粘合很不牢固，退火可显著增强键合强度。退火分3个阶段。9/29/2023P49/3149阶段一（室温～300C）：羟基团（OH－）之间的氢键数量增加、键合面积和强度增加。阶段二（300～800C）：氢键逐渐被Si－O－Si键代替，发生如下聚合反应：（Si－OH）＋（HO－Si）＝（Si－O－Si）＋H2O400C

左右聚合反应完成。生成的水蒸气导致界面产生空洞。阶段三（800C以上）：空洞因水蒸气与硅反应生成SiO2而逐渐消失，超过1000C以后，相邻原子相互反应形成共价键，键合完成。9/29/2023P50/3150背面腐蚀减薄过程（a）键合前SOI片表面形成高掺杂层（红色），再外延一低掺杂层（蓝色）。（b）键合后，选择腐蚀去衬底（低掺杂层）,腐蚀液：乙二胺:邻苯二酚:水（c）选择腐蚀去高掺杂层。腐蚀液：

HF(1):HNO3(3):HAc(8)（d）抛光。