第1章 衬底教材

半导体工艺原理段俊萍科研楼411duanjunping@1在本课程之前电子基础力学基础大学物理/数学ANSYS仿真课程的基本目的了解硅集成电路了解硅MEMS制造领域的新技术、新设备、新工艺具有一定工艺分析和设计、工艺整合的能力。主要内容半导体衬底扩散离子注入氧化光刻技术真空技术和等离子体刻蚀技术薄膜技术工艺集成微型电子设备发展MEMS的尺度

6微型车床

MicroLathe-Japan小汽车和米粒MiniCarandRice

--Toyota微型飞行器MicroAerialVehicle--MIT微型机器人

MicroRobot--US人造的微小世界（<28克，4cm3）7MEMS的基本特点起源于硅IC工艺尺寸在~1um----几mm含有可动部件（actuators）/传感器/相关系统主要工艺借鉴IC能与IC集成封装相对复杂

81958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖982年：美国U.C.Bekeley，表面牺牲层技术

微型静电马达成功

MEMS进入新纪元101988年：静电旋转微马达RichardS.Muller

UCB,Berkeley,CA,USA

FanLong-Shen,TaiYu-ChongandMullerRS1989,IC-processedelectrostaticmicromotorsSensorsActuators,2041–71120世纪90年代初：气囊微加速度计产业化气囊微加速度计的集成电路版图121320世纪90年代中：ICP的出现促进体硅工艺快速发展1490年代末：Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平152000年底：MEMSSi宣布研制成功与标准

CMOS兼容的加速度计——

——最新动向16WiiMotionPlususingmulti-axisMEMSgyroscopesipadintegratedAccelerometers,3-axisgyroscopes,3-axisdigitalcompass,microhphoneAccelerometersforAirbagDeploymentGyroscopesforElectronicStabilityPressureSensorsforOil,Tires,Intakemanifold,etcDLPProjectorwithasingleDMDchipInkJetprintersAccelerometers&Gyroscopesforimagingstabilization关键词：半导体工艺、集成电路工艺、微机械Keywords:MEMS,Micromachining,Microstructure,Process,MEMSFabrication,Microsystem17期刊SensorandActuatorJournalofMicroelectromechanicalSystemsJournalofmicromechanicsandMicroengineeringMicrosystemTechnologies仪表技术与传感器光学、精密工程微纳电子技术半导体学报固体电子学研究与进展传感技术学报18相关网站19相关公司20第一讲：半导体衬底第一章半导体衬底

掌握晶体生长技术（直拉法、区熔法），硅圆片制备及规格，晶体缺陷，硅中杂质。半导体：常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，半导体在收音、电视机及测温上有着广泛的应用，如二极管、计算机、移动电话等。

半导体指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。分类：元素半导体，锗、硅按化学分类

化合物半导体，砷化镓，磷化镓等

分立器件

光电半导体按制造分类逻辑IC模拟IC储存器IC按设计LSIVLSI

这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开一条约为50微米间隔的小缝，用一块三角形的石英晶体将其压到n型半导体锗材料上作为发射极和集电极，形成点接触PNP晶体管。当一个接触正偏另一个反偏时，可以观测到把输入信号放大的晶体管效应1、单晶硅生长CZ方法CZ晶体拉升器掺杂杂质控制区熔法发展大直径晶锭的理由Czochralski(CZ)－查克洛斯基法生长单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。85％以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。什么是N型半导体，什么是P型半导体？N型半导体也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。P型半导体也称为空穴型半导体

P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。由于P型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故P型半导体呈电中性。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。CZ法特点：低功率IC的主要原料。占有～80％的市场。制备成本较低。硅片含氧量高。CZ拉单晶炉CZ法主要工艺工程:籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。

引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”，。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，<111>方向应有对称三条棱，<100>方向有对称的四条棱。等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。收尾：随着晶体生长结束，采用稍升温，降拉速，使晶体直径逐渐变小，此过程称为收尾。CZ拉单晶炉影响直拉法的两个主要参数是拉伸速率和晶体旋转速率。区熔法（FloatingZonemethod）特点：硅片含氧量低、纯度高。主要用于高功率IC。制备成本比CZ法高。难生长大直径硅晶棒。低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较差。CZ法与FZ法比较CZ法：成本低、可做大尺寸晶锭、材料可重复使用更受欢迎FZ法：纯度高、成本高、小尺寸晶锭主要用在功率器件

硅是硬而脆的材料，晶体生长后的硅锭对半导体制造来说用处很小。圆柱形的单晶硅锭（又叫单晶锭）要经过一系列的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量测量。硅片制备的基本流程如图所示。硅片制备

■整型处理：硅单晶锭在拉单晶炉中生长完成后，整型处理是接下来的第一步工艺。整型处理包括在切片之前对单晶硅锭做的所有准备步骤。

■去掉两端：第一步是把硅单晶锭的两端去掉。当两端被去掉后，可用四探针来检查电阻以确定整个硅单晶锭达到合适的杂质均匀度。

■径向研磨：径向研磨来产生精确的材料直径。由于在晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确，所以硅单晶锭都要长得稍大一点以进行径向研磨。对半导体制造中流水线的硅片自动传送来讲，精确的直径控制是非常关键的。整型处理

■硅片定位边或定位槽半导体业界传统上在硅单晶锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。主定位边标明了晶体结构的晶向。还有一个次定位边标明硅片的晶向和导电类型。硅片标识定位边

硅片定位边在200mm及以上的硅片已被定位槽所取代。具有定位槽的硅片在硅片上的一小片区域有激光刻上的关于硅片的信息。对300mm硅片来讲，激光刻印于硅片背面靠近边缘的没有利用到的区域。对于300mm硅片，没有利用到的区域是在固定质量区域面积之外，固定质量区域（FQA）是指硅片上容纳芯片的面积。现在没有利用的区域一般是3mm。切片一旦整型处理完成后，硅锭就准备进行切片。对200mm以下硅片来讲，切片是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成的。使用内圆切割机是因为边缘切割时能更稳定，使之产生平整的切面。内圆切割机

对300mm的硅片来讲，由于大直径的原因，内圆切割机不再符合要求。300mm的硅锭目前都是用线锯来切片的。线锯在切片过程中减少了对硅片表面的机械损伤。硅片的厚度在切片过程中得到了精确的控制。300mm硅片目前的厚度是775±25微米。更厚的硅片能够承受在导体制造高温工艺中的热能以及机械震动。磨片和倒角（防止产生缺陷）

切片完成后，要进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行及平坦。磨片是用垫片和带有磨料的浆料利用压力旋转来完成。硅片边缘抛光修整（又叫倒角）可使硅片边缘获得平滑的半径周线。在硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错。平滑的边缘半径对于将这些影响降到最小。刻蚀（去除沾污和损伤层）硅片整型使硅片表面和边缘损伤及沾污。硅片损伤的深度一般有几微米深。为了消除硅片表面的损伤，采用硅片刻蚀或化学刻蚀的技术。硅片经过湿法化学刻蚀工艺消除硅片表面损伤和沾污。在刻蚀工艺中，通常要腐蚀掉硅片表面约20微米的硅以保证所有的损伤都被去掉。腐蚀液：HNO3+HF+醋酸抛光（去除表面缺陷）制备硅片的最后一步是化学机械平坦化（CMP），它的目标是高平整度的光滑表面。硅片在抛光盘之间行星式的运动轨迹使硅片表面平坦且两面平行。最后硅片的两面都会像镜子一样。NaOH＋SiO2清洗（去除残留沾污）半导体硅片必须被清洗使得在发送给芯片制造厂之前达到超净的洁净状态。清洗规范在过去几年中经历了相当大的发展，使硅片达到几乎没有颗粒和沾污的程度。硅片评估在包装硅片之前，会按照客户要求的规范来检查是否达到质量标准。NH3OH＋H2O2，HCl＋H2O2,H2SO4＋H2O2包装硅片供应商必须仔细地包装要发货给芯片制造厂的硅片。硅片叠放在有窄槽的塑料片架或“舟”里以支撑硅片。碳氟化合物树脂材料（如特氟纶）常被用于盒子材料使颗粒产生减到最少。另外，特氟纶被作成导体使其不会产生静电释放。装满硅片后，片架就会放在充满氮气的密封小盒里以免在运输过程中氧化和其他沾污。当硅片到达硅片制造厂时，它们被转移到其他标准化片架里使其在被这些制造设备的加工过程中传送和处理。一种传送容器是能容纳25个硅片的容器，叫做前开口传送盒，它与硅片制造厂里的自动传送系统有连接。硅中的晶体缺陷晶体缺陷(微缺陷)是指任何妨碍单位晶胞在晶体中重复性地出现。晶体缺陷依其形式可分为3大类：

硅片上的成品率点缺陷错位错层晶体孪生平面在一个平面上，晶体沿着两个不同的方向生长。硅片标识定位边硅中杂质世界上最纯的物质：硅

硅，是人类在世界上提得最纯的物质，目前人类能够得到的最纯的硅，纯度是99.99999999999999%，估计数不过来，告诉您吧，是16个9。但是，纯硅虽然也有半导体的性质，却是一种没有什么实际用处的半导体。真正要制作能够使用的半导体器件，包括太阳能电池，就要在其中添加一些杂质，常见的是磷和硼。也有镓、砷、铝和其它一些元素。

杂质的作用，总体上来说，是调节硅原子的能级，学过半导体或固体物理的人知道，由于晶体结构的原因，固体中的全部原子的各能级形成了能带，硅通常可以分为三个能带，最上面是导带，中间是禁带，下面是价带。如果以火车为比喻的话，那么，导带是火车，价带是站台，禁带则是站台与火车之间的间隙。

如果所有的自由电子都在价带上，那么，这个固体就是绝缘体,这就好比人站在站台上，是到不了别处的；如果所有的自由电子都在导带上，那么这个固体就是导体，这就好象人上了火车，可以周游全国了。

半导体的自由电子平时在价带上，但受到一些激发的时候，如热、光照、电激发等，部分自由电子可以跑到导带上去，显示出导电的性质，所以称为半导体。。硅就是这样一种半导体，但由于纯硅的导带和价带的距离过大（也称为禁带过宽，），这就好像是就是站台离火车太远，一般的人很难从站台跳到火车上去一样，通常只有很少量的电子能够被从价带激发到导带上，所以纯硅的半导体性质比较微弱，不能直接应用。硅中的杂质（一）：有用且必需的杂质为了解决这个问题，科学家们想出了添加杂质的方法，这些杂质在导带和禁带之间形成杂质能级，这些杂质能级要么距离导带很近（如磷），是提供电子的，称为施主能级；要么距离价带很近（如硼），是接受电子的，称为受主能级。这样，一些很小的激发就可以使硅具有导电的性质。这就好比在车站和站台之间，加一些垫脚的石凳，离站台近的，就是受主能级，离火车近的，是施主能级。提供施主能级或受主能级的杂质，分别称为施主杂质和受主杂质，这些，当然是有用的杂质。

施主杂质的典型代表是磷，受主杂质的典型代表是硼。这两种杂质之所以成为最常用的半导体杂质，我的看法是因为它们在硅中的分凝系数是最接近于1的，也就是说，在掺杂后，拉单晶生长的时候，容易形成均匀的浓度分布。有用的杂质，其数量也有一个适中的范围，过小，效果不明显，过多，使得导电性太强，不容易控制，反而成为废物。通常，不同的半导体的应用对杂质的要求有不同的范围。而对于太阳能电池应用来说，对应的电子或空穴的体密度，应该在1017

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CM3左右，大家可以自己计算对应的杂质浓度。

掺杂了受主杂质的硅成为P型，常见的是掺硼的硅。掺杂了施主杂质的硅称为N型，常见的是掺磷的硅。对于太阳能电池来说，P

型硅比较常见，因为前面所说的，硼的分凝系数是0.8，

在单晶中，硼比较容易掺杂均匀的缘故。附录中国多晶硅公司多晶硅生产主要在四川、江苏、河南等现在好像就甘肃和西藏没有四川新光、乐电天威、天威四川江苏中能顺大河南中硅内