半导体制程概论04

HongXiao,Ph.D.晶圓製造和磊晶成長HongXiao,[e-mail],Ph.D.教學目標•說明為何矽比其他半導體材料更被普遍及採用的兩個理由•列出單晶矽所偏愛的兩種晶向•列出從砂形成矽的基本步驟•敘述CZ法和懸浮帶區法•解釋矽磊晶層沉積的目的•敘述磊晶矽沉積的製程HongXiao,Ph.D.晶體結構•非晶態結構–原子排列完全沒有重複的結構•多晶態結構–原子排列有一些重複的結構•單晶態結構–原子排列全部以相同結構重複HongXiao,Ph.D.非晶體結構HongXiao,Ph.D.晶粒晶界多晶態結構HongXiao,Ph.D.單晶態結構HongXiao,Ph.D.為何要用矽?•豐度高,便宜•二氧化矽非常穩定,強介電質,容易在熱氧化過程中成長一層二氧化矽.•較大的能隙,操作溫度的範圍較大.HongXiao,Ph.D.名稱矽符號Si原子序14原子量28.0855發現者鍾斯、傑可柏、柏塞利爾斯發現地點瑞典發現日期1824名稱來源由拉丁字silicis衍生而來，意指火石單晶矽的鍵長度2.352Å固體密度2.33g/cm3摩爾體積12.06cm3音速2200m/sec電阻係數100,000μΩ．cm反射率28%熔點1414°C沸點2900°C矽元素的性質HongXiao,Ph.D.單晶矽晶格結構的晶胞HongXiao,Ph.D.晶向平面:100xyz100平面HongXiao,Ph.D.晶向平面:111xyz100平面111平面HongXiao,Ph.D.晶向平面:110xyz110平面HongXiao,Ph.D.晶向平面的晶格結構原子基本晶胞HongXiao,Ph.D.晶向平面的晶格結構矽原子基本晶胞HongXiao,Ph.D.晶圓上的蝕刻斑HongXiao,Ph.D.晶圓上的蝕刻斑HongXiao,Ph.D.矽原子雜質原子在取代位置上法蘭克缺陷空位或肖特基缺陷雜質原子在間隙位置上矽間隙原子矽晶體缺陷的說明HongXiao,Ph.D.差排缺陷HongXiao,Ph.D.從砂到晶圓•石英砂的主要成份是二氧化矽•從砂到冶金級矽(MGS)•MGS粉末放進反應爐和氯化氫反應生三氯矽烷(TCS)•經由汽化和凝結過程純化三氯矽烷•三氯矽烷和氫氣反應生成電子級矽材料(EGS)•EGS熔化和晶體提拉HongXiao,Ph.D.從砂到晶圓(續)•端末切除,側面拋光,以及磨出平面或是缺口的部分•從晶棒到晶圓切片•邊緣圓滑化,研磨,濕式蝕刻製程和化學機械研磨製程(CMP)•雷射畫線(Laserscribe)•磊晶沉積HongXiao,Ph.D.從砂到矽加熱(2000°C)SiO2+CSi+CO2砂碳冶金級矽二氧化碳HongXiao,Ph.D.矽的純化ISi+HClTCS矽粉末氯化氫過濾器冷凝器純化器99.9999999%純度的三氯矽烷反應器,300CHongXiao,Ph.D.加熱(1100°C)SiHCl3+H2Si+3HCl三氯矽烷氫氣電子級矽材料氯化氫多晶態沉積,電子級矽材料HongXiao,Ph.D.矽的純化II液態三氯矽烷H2載送氣體的氣泡氫和三氯矽烷製程反應室TCS+H2EGS+HCl電子級矽材料HongXiao,Ph.D.電子級矽材料資料來源:晶體提拉:查克洛斯基(CZ)法石墨坩堝單晶矽矽棒單晶矽種晶石英坩堝加熱線圈1415°C融熔的矽HongXiao,Ph.D.查克洛斯基法晶體提拉三菱(Mitsubish)材料矽資料來源:查克洛斯基法晶體提拉資料來源:懸浮帶區法(FZMethod)加熱線圈多晶矽棒單晶矽種晶加熱線圈移動融熔矽HongXiao,Ph.D.兩種方法的比較•查克洛斯基法是較常用的方法–價格便宜–較大的晶圓尺寸(直徑300mm)–晶體碎片和多晶態矽再利用•懸浮帶區法–純度較高(不用坩堝)–價格較高,晶圓尺寸較小(150mm)–分離式功率元件HongXiao,Ph.D.矽晶棒拋光,平邊或刻痕平邊,150mm和更小尺寸刻痕,200mm和更大尺寸HongXiao,Ph.D.晶圓切片處理刻痕方向晶體晶棒鋸刀鑽石薄層冷卻液晶棒移動HongXiao,Ph.D.晶圓尺寸(mm)厚度(μm)面積(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不同晶圓尺寸的晶圓厚度HongXiao,Ph.D.晶圓邊緣圓滑化處理晶圓晶圓移動邊緣圓滑化前的晶圓邊緣圓滑化後的晶圓HongXiao,Ph.D.晶圓研磨•粗略研磨•傳統的研磨劑,泥漿研磨•移除表面大部分的損傷•產生平坦的表面HongXiao,Ph.D.濕式蝕刻製程•移除晶圓表面的缺陷•將硝酸(水中濃度79%),氫氟酸(水中濃度49%),和純醋酸依照4:1:3比例混合.•化學反應式:3Si+4HNO3+6HF3H2SiF6+4NO+8H2OHongXiao,Ph.D.化學機械研磨製程研磨液研磨墊壓力晶圓夾具晶圓HongXiao,Ph.D.的晶圓厚度和表面平坦度的變化76mm914mm晶圓切片之後邊緣圓滑化之後76mm914mm12.5mm814mm2.5mm750mm725mm幾乎是零缺陷的表面粗磨之後蝕刻之後CMP之後HongXiao,Ph.D.磊晶成長•定義•目的•磊晶硬體設備•磊晶製程HongXiao,Ph.D.磊晶：定義•源自於希臘的兩個字•epi:在某物之上•taxies:安排好的，有秩序的•磊晶沉積製程是在單晶基片上生長一層薄的單晶層.HongXiao,Ph.D.磊晶：目的•雙載子電晶體的載體層–當維持在高集崩潰電壓時，降低集極電阻.–僅磊晶層.•因為比晶圓晶體有較低的氧碳濃度，可增強動態隨機記憶體(DRAM)和互補型金氧半電晶體積體電路(CMOSIC)的性能HongXiao,Ph.D.矽磊晶層在雙載子電晶體的應用N型磊晶層pn+n+P型晶片電子流n+深埋層p+p+SiO2Al•Cu•Si基極集極射極HongXiao,Ph.D.矽磊晶層在CMOS的應用P型晶圓N型井區P型井區STIn+n+USGp+p+金屬1,Al•CuBPSGWP型磊晶矽HongXiao,Ph.D.矽源材料氣體矽烷SiH4二氯矽烷DCSSiH2Cl2三氯矽烷TCSSiHCl3四氯化矽SiCl4HongXiao,Ph.D.氣相摻雜物氫化硼B2H6三氫化磷PH3砷化氫AsH3HongXiao,Ph.D.二氯矽烷磊晶成長,摻雜砷化氫加熱(1100°C)SiH2Cl2Si+2HCl二氯矽烷磊晶矽氯化氫AsH3As+3/2H2加熱(1100°C)HongXiao,Ph.D.矽磊