工艺-硅片制造

2020/3/9P1/31集成电路工艺－硅片制备2020/3/9P2/311、体硅材料的制备2、SOI材料的制备分两部分：2020/3/9P3/31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2020/3/9P4/31单晶结构2020/3/9P5/31多晶结构GrainGrainBoundary2020/3/9P6/31无定形（非晶）结构2020/3/9P7/31硅的金刚石结构图晶胞单晶硅单位结构原胞2020/3/9P8/31晶向xyz100planexyz111planexyz110plane2020/3/9P9/31100晶面基本格点单胞基本格点原胞111晶面晶面格点2020/3/9P10/31硅片表面腐蚀坑111plane100plane2020/3/9P11/31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2020/3/9P12/31层错2020/3/9P13/31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。2020/3/9P14/31名称硅元素符号Si原子序数14原子重量28.0855发现者JönsJacobBerzelius发现地Sweden发现时间1824名称由来由拉丁语单词silicis而来，意为燧石晶格常数2.352Å固体密度2.33g/cm3摩尔体积12.06cm3声速2200m/sec电阻率100,000cm反射率28%熔点1414C沸点2900CSource: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)2020/3/9P16/31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)2020/3/9P17/31从沙子到硅片-30.5元/kg1000元/kgSiO2(90-95%)多晶硅(99.99%)单晶硅Wafer10000元/kg2020/3/9P18/31Heat(1700°C)SiO2+CSi+CO2SandCarbonMGSCarbonDioxide一、用炭从二氧化硅中还原出硅气体液体2020/3/9P19/31Si+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＋SiCl4MGSTCSCondenser2020/3/9P20/31Heat(1100°C)SiHCl3+H2Si+3HClTCSHydrogenEGSHydrochloride三、用氢从TCS中还原出硅（EGS）液态TCSH2CarriergasbubblesH2andTCS工艺腔ChamberTCS+H2EGS+HClEGS2020/3/9P21/31电子级硅Source: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）2020/3/9P23/31（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QuartzCrucibleGraphiteCrucible2020/3/9P24/31CZ拉单晶图示Source:（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2020/3/9P26/31两种方法的比较•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2020/3/9P27/31五：掐头去尾、径向打磨、切面、或者制槽2020/3/9P28/31晶向指示标记Flat,≤150mm平口Notch,200mm槽口2020/3/9P29/31六、硅片切割WaferSawingOrientationNotchCrystalIngotSawBladeDiamondCoatingCoolantIngotMovement2020/3/9P30/31七、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2020/3/9P31/31八、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2020/3/9P32/31九、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+8H2O2020/3/9P33/31十、化学机械抛光SlurryPolishingPadPressureWaferHolderWafer2020/3/9P34/31200mm硅片厚度和表面粗糙度变化76m914m硅片切割后12.5m814m2.5m750m725mVirtuallyDefectFree抛光后腐蚀后CMP后2020/3/9P35/31硅片参数WaferSize(mm)Thickness(m)Area(cm2)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(3in)2020/3/9P36/31十一外延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+2HClDCSEpiHydrochloride2020/3/9P37/311、体硅材料的制备2、SOI材料的制备分两部分：2020/3/9P38/31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CMOSSOICMOS2020/3/9P39/31SOI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2020/3/9P40/31SOI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2020/3/9P41/31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2020/3/9P42/31SIMOX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2020/3/9P43/31（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。2020/3/9P44/31（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：500～700C2020/3/9P45/31（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）2020/3/9P46/312020/3/9P47/31键合SOI技术（WaferBonding）分两类：（1）键合＋腐蚀（BE－SOI）（2）氢注入＋键合（SmartCut）2020/3/9P48/31（1）键合＋腐蚀（BE－SOI）BondingandEtch－Back2020/3/9P49/31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。2020/3/9P50/31阶段一（室温～300C）：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（300～800C）：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）＋H2O400C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（800C以上）：空洞因水蒸气与硅反应生成SiO2而逐渐消失，超过1000C以后，相邻原子相互反应形成共价键，键合完成。2020/3/9P51/31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。（a）（b）（c）（d）2020/3/9P52/31氢诱发了硅内部起泡层富氢层CMP（2）氢注入＋键合（智能剥离SmartCut）•两片硅片•一片注氢•另一片氧化•将两片硅片在较低温度下键合•退火（～500C）使键合片在富氢层处裂开•高温退火（1100C）增加键合强度•CMP光滑硅片表面2020/3/9P53/31Smart－CutSOI技术优势（1）氢离子注入剂量为1016cm－2量级，比SIMOX的氧剂量小2个数量级，普通注入机即可。（2）SOI层膜厚均匀，且厚度可由氢注入条件精确控制。（3）BOX为高质量热氧化层，厚度可自由选择，Si－SiO2界面好。（4）剥离后余下的硅片可继续使用，大大节约成本。2020/3/9P54/31总结•硅是一种储量丰富、廉价的材料，且其氧化层具备高强度、高稳定性以及容易生长等优点•100和111•CZ和FZ(floatingzone),CZ更常用•切割,去角,抛光,刻蚀和CMP•外延层:单晶硅上的单晶硅•为双极型和高性能CMOS,DRAM所需•SOI:键合和氧注入