工藝-硅片制造

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1、2021/6/4集 成 電 路 工 藝 硅 片 制 備 2021/6/41、 體 硅 材 料 的 制 備2、 SOI材 料 的 制 備分 兩 部 分 ： 2021/6/4晶 體 結(jié) 構(gòu) 單 晶 全 域 重 復(fù) 結(jié) 構(gòu) 多 晶 局 域 重 復(fù) 結(jié) 構(gòu) 非 晶 （ 無(wú) 定 形 ） 完 全 不 存 在 重 復(fù) 結(jié) 構(gòu) 2021/6/4單 晶 結(jié) 構(gòu) 2021/6/4多 晶 結(jié) 構(gòu)GrainGrain Boundary 2021/6/4無(wú) 定 形 （ 非 晶 ） 結(jié) 構(gòu) 2021/6/4硅 的 金 剛 石 結(jié) 構(gòu) 圖晶 胞 單 晶 硅 單 位 結(jié) 構(gòu)原 胞 2021/6/4晶 向x yz plane

2、x yz plane x yz plane 2021/6/4 晶 面基 本 格 點(diǎn) 單 胞 基 本 格 點(diǎn) 原 胞 晶 面晶 面 格 點(diǎn) 2021/6/4硅 片 表 面 腐 蝕 坑plane plane 2021/6/4缺 陷 圖 解 硅 原 子置 換 型 雜 質(zhì) Frenkel缺 陷空 位 （ Schottky缺 陷 ） 間 隙 型 雜 質(zhì)硅 間 隙 原 子 2021/6/4層 錯(cuò) 2021/6/4為 什 么 是 硅 ? 歷 史 的 選 擇 儲(chǔ) 量 豐 富 ， 便 宜 , 取 之 不 盡 ， 用 之 不 竭 二 氧 化 硅 性 質(zhì) 非 常 穩(wěn) 定 ， 絕 緣 性 能 極 好 ，且 很 容 易

3、 通 過(guò) 熱 過(guò) 程 生 長(zhǎng) 禁 帶 寬 度 大 ， 工 作 溫 度 范 圍 寬 電 學(xué) 和 機(jī) 械 性 能 都 非 常 奇 異 。 2021/6/4 Source: http:/www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html 2021/6/4從 沙 子 到 硅 片 原 材 料 ： 石 英 砂 （ 二 氧 化 硅 ） 沙 子 先 轉(zhuǎn) 化 為 多 晶 硅 (冶 金 級(jí) MGS) 將 MGS粉 末 與 HCl反 應(yīng) 以 形 成 三 氯 硅 烷 （ TCS） 用 汽 化 凝 結(jié) 法 提 高 TCS的 純 度 將 TCS與 H 2反 應(yīng) 生

4、 成 多 晶 硅 (電 子 級(jí) EGS) 2021/6/4從 沙 子 到 硅 片 -2 熔 化 EGS， 拉 成 單 晶 硅 錠 掐 頭 去 尾 ， 磨 邊 ， 做 槽 口 或 者 切 面 將 硅 錠 切 成 硅 片 邊 緣 去 角 ， 拋 光 ， 濕 法 刻 蝕 ， CMP 激 光 刻 線 外 延 淀 積 (optional) 2021/6/4從 沙 子 到 硅 片 -30.5元 /kg 1000元 /kgSiO 2 ( 90-95% ) 多 晶 硅( 99.99% ) 單 晶 硅Wafer10000元 /kg 2021/6/4 Heat (1700 C)SiO2 + C Si + CO2

5、Sand Carbon MGS Carbon Dioxide一 、 用 炭 從 二 氧 化 硅 中 還 原 出 硅 氣 體液 體 2021/6/4Si + HCl TCS 硅 粉 末MGS氯 化 氫Filters冷 凝 器 提 純 室 Pure TCS with 99.9999999%反 應(yīng) 腔 , 300 C二 、 生 成 三 氯 硅 烷 （ TCS） 并 提 純 Si HCl SiHCl3 SiCl4 MGS TCSCondenser 2021/6/4 Heat (1100 C)SiHCl3 + H2 Si + 3HCl TCS Hydrogen EGS Hydrochloride三 、

6、用 氫 從 TCS中 還 原 出 硅 （ EGS）液 態(tài) TCSH 2 Carrier gas bubblesH2 and TCS工 藝 腔Chamber TCS+H2EGS+HCl EGS 2021/6/4電 子 級(jí) 硅 Source: http:/ 2021/6/4四 、 多 晶 硅 轉(zhuǎn) 變 成 單 晶 硅兩 種 主 要 方 法 ：（ 1） 直 拉 法 （ CZ）（ 2） 區(qū) 熔 法 （ FZ） 2021/6/4 （ 1） 拉 單 晶 : CZ 方 法石 墨 坩 鍋 單 晶 硅 錠 ingot單 晶 硅 種 子 seed石 英 坩 鍋 加 熱 板Heating coils1415 C熔 化

7、 后 的 硅Quartz Crucible Graphite Crucible 2021/6/4CZ 拉 單 晶 圖 示 Source: http:/ 2021/6/4（ 2） 區(qū) 熔 法 FZ Method熱 板多 晶 硅棒 Rod 單 晶 硅 晶 種熱 板 運(yùn) 動(dòng) 熔 化 后 的 硅 2021/6/4兩 種 方 法 的 比 較 CZ 方 法 更 普 遍 成 本 更 低 硅 片 尺 寸 更 大 (300 mm已 可 投 入 生 產(chǎn) ) 材 料 可 重 復(fù) 使 用 FZ方 法 （ Floating Zone) 單 晶 純 度 更 高 (無(wú) 坩 鍋 ) 成 本 更 高 ， 硅 片 尺 寸 偏 小

8、 (150 mm) 主 要 用 于 功 率 器 件 2021/6/4五 ：掐 頭 去 尾 、徑 向 打 磨 、切 面 、或 者 制 槽 2021/6/4晶 向 指 示 標(biāo) 記Flat, 150 mm平 口 Notch, 200 mm 槽 口 2021/6/4六 、 硅 片 切 割 Wafer SawingOrientation Notch Crystal IngotSaw Blade Diamond CoatingCoolantIngot Movement 2021/6/4七 、 硅 片 倒 角 Edge Rounding硅 片 硅 片 運(yùn) 動(dòng)邊 緣 去 角 前 的 硅 片邊 緣 去 角 后

9、的 硅 片 2021/6/4八 、 拋 光 粗 拋 傳 統(tǒng) 的 , 研 磨 式 的 , 磨 粉 漿 拋 光 目 的 在 于 移 除 大 部 分 的 表 面 損 傷 形 成 平 坦 的 表 面 2021/6/4九 、 濕 法 腐 蝕 去 除 硅 片 表 面 的 缺 陷 4:1:3 比 例 混 合 物 ： HNO3 (79 wt% in H2O), HF (49 wt% in H2O), and pure CH3COOH. 化 學(xué) 反 應(yīng) :3 Si + 4 HNO 3 + 6 HF 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O 2021/6/4十 、 化 學(xué) 機(jī) 械 拋 光 SlurryPol

10、ishing PadPressure Wafer HolderWafer 2021/6/4200 mm 硅 片 厚 度 和 表 面 粗 糙 度 變 化76 mm914 mm硅 片 切 割 后 12.5 mm814 mm2.5 mm750 mm 725 mmVirtually Defect Free拋 光 后腐 蝕 后CMP后 2021/6/4硅 片 參 數(shù)Wafer Size (mm) Thickness (mm) Area (cm 2 ) Weight (grams)279 20.26 1.32381 45.61 4.05100 (4 in) 525 78.65 9.67125 (5 in)

11、 625 112.72 17.87150 (6 in) 675 176.72 27.82200 (8 in) 725 314.16 52.98300 (12 in) 775 706.21 127.6250.8 (2 in)76.2 (3 in) 2021/6/4十 一 外 延1、 作 為 雙 極 型 晶 體 管 的 埋 層 保 持高 擊 穿 電 壓 的 同 時(shí) 減 小 集 電 極電 阻 （ Link)。2、 有 利 于 改 善 CMOS和 DRAM器 件的 性 能 。 外 延 層 中 氧 、 炭 含 量較 硅 晶 體 更 低 。 （ Link) 加 熱 (1100 C)SiH 2Cl2 Si

12、+ 2HClDCS Epi Hydrochloride 2021/6/41、 體 硅 材 料 的 制 備2、 SOI材 料 的 制 備分 兩 部 分 ： 2021/6/4從 體 硅 襯 底 到 SOI襯 底From Bulk to Silicon-O n-Insulator (SO I)SO I技 術(shù) ： 更 好 的 器 件 隔 離 ； 速 度 更 快 ；封 裝 密 度 更 高 ； 電 路 性 能 更 佳 n+ n+ p+ p+ n+ n+ p+ p+p-subs n-wellVoutVin VddVss VinVoutVss Vddsubs 體 硅 CMOSSOI CMOS 2021/6/4

13、SO I 襯 底 上 的 CMO Sp-Si USGn-Si體 硅 多 晶 硅STI埋 層 氧 化 層n+ 源 /漏 p+ 源 /漏柵 氧 2021/6/4SOI襯 底 的 制 備 方 法單 晶 硅 膜 （ SOI）埋 氧 層 （ BOX）襯 底 (Substrate)兩 種 主 要 方 法 ：（ 1） 注 入 法（ 2） 鍵 合 法 2021/6/4氧 注 入 SO I技 術(shù) （ SIMO X） Separation by implantion of oxygen工 藝 非 常 簡(jiǎn) 單 ， 僅 僅 兩 大 步 ： （ 1） 大 劑 量氧 離 子 注 入 ， 和 （ 2） 高 溫 退 火 20

14、21/6/4SIMOX技 術(shù) 的 幾 個(gè) 關(guān) 鍵 因 素（ 1） 氧 離 子 注 入 劑 量（ 2） 襯 底 溫 度（ 3） 退 火 條 件 2021/6/4（ 1） 氧 離 子 注 入 劑 量臨 界 劑 量 的 概 念 ： 在 離 子 濃 度 的 峰 值處 直 接 形 成 具 有 化 學(xué) 配比 的 化 合 物 需 要 的 注 入劑 量 。 Nc 對(duì) 氧 注 入 ， Nc1.4 10 18/cm2。 注 入 劑 量 小 于 Nc， 通常 不 能 形 成 連 續(xù) 的 BOX。 2021/6/4（ 2） 襯 底 溫 度襯 底 溫 度 過(guò) 低 ， 硅 膜完 全 非 晶 化 ， 不 能 恢復(fù) 成 單

15、晶 ；襯 底 溫 度 過(guò) 高 ， 形 成的 硅 膜 內(nèi) 有 氧 沉 淀 。合 適 的 襯 底 溫 度 ：500 700C 2021/6/4（ 3） 退 火 條 件 退 火 通 常 在 含 有 2 氧 的 氮 氣 中 進(jìn) 行 。 其 兩 大 作 用 ： I： 消除 晶 格 損 傷 ； II:形 成 界 面 陡 直 的 頂 層 硅 膜 與 埋 氧 層 。（ a） 高 度 無(wú) 序 含 SiO 2硅 層 BOX 深 度 損 傷 層（ b） 頂 部 析 出 硅 膜 含 有 大 量 SiO2沉 淀 和 位 錯(cuò) 的 高 缺 陷 層 BOX Si/SiO2混 合 層 。（ c） 同 上 ， 但 各 層 厚 度

16、 在 改 變 。 （ d） 硅 層 和 BOX完 全 形 成 ，但 襯 底 界 面 處 存 在 硅 島 （ T 300 A， L 300 2000 A） 2021/6/4 2021/6/4鍵 合 SOI技 術(shù) （ Wafer Bonding） 分 兩 類(lèi) ：（ 1） 鍵 合 腐 蝕 （ BE SOI）（ 2） 氫 注 入 鍵 合 （ Smart Cut） 2021/6/4（ 1） 鍵 合 腐 蝕 （ BE SOI）Bonding and Etch Back 2021/6/4鍵 合 的 基 本 過(guò) 程（ 1） 預(yù) 鍵 合 兩 個(gè) 硅 片 相 合 ， 由 于 范 德 瓦 爾 斯 力 （ 中 性 分

17、 子 彼此 距 離 非 常 近 時(shí) ， 產(chǎn) 生 的 一 種 微 弱 電 磁 引 力 ） 的 作 用 ，產(chǎn) 生 相 互 吸 引 力 而 粘 合 在 一 起 。 如 硅 片 表 面 具 有 親 水 性 ， 水 分 子 間 的 氫 鍵 作 用 會(huì)產(chǎn) 生 更 大 的 引 力 。 故 預(yù) 鍵 合 前 表 面 一 般 進(jìn) 行 親 水 處 理 ，使 表 面 產(chǎn) 生 大 量 的 羥 基 團(tuán) （ OH ） 。（ 2） 退 火 處 理 室 溫 下 的 粘 合 很 不 牢 固 ， 退 火 可 顯 著 增 強(qiáng) 鍵 合 強(qiáng)度 。 退 火 分 3個(gè) 階 段 。 2021/6/4 階 段 一 （ 室 溫 300C） ： 羥

18、 基 團(tuán) （ OH ） 之 間的 氫 鍵 數(shù) 量 增 加 、 鍵 合 面 積 和 強(qiáng) 度 增 加 。 階 段 二 （ 300 800C） ： 氫 鍵 逐 漸 被 Si O Si鍵 代 替 ， 發(fā) 生 如 下 聚 合 反 應(yīng) ：（ Si OH） （ HO Si） （ Si O Si） H2O400 C 左 右 聚 合 反 應(yīng) 完 成 。 生 成 的 水 蒸 氣 導(dǎo) 致 界 面 產(chǎn)生 空 洞 。 階 段 三 （ 800C以 上 ） ： 空 洞 因 水 蒸 氣 與 硅 反 應(yīng)生 成 SiO 2而 逐 漸 消 失 ， 超 過(guò) 1000 C以 后 ， 相 鄰 原 子相 互 反 應(yīng) 形 成 共 價(jià) 鍵 ，

19、 鍵 合 完 成 。 2021/6/4背 面 腐 蝕 減 薄 過(guò) 程（ a） 鍵 合 前 SOI片 表 面 形 成 高 摻 雜 層 （ 紅 色 ） ，再 外 延 一 低 摻 雜 層 （ 藍(lán) 色 ） 。（ b） 鍵 合 后 ， 選 擇 腐 蝕 去 襯 底 （ 低 摻 雜 層 ） ,腐 蝕 液 ： 乙 二 胺 :鄰 苯 二 酚 :水（ c） 選 擇 腐 蝕 去 高 摻 雜 層 。腐 蝕 液 ： HF(1) :HNO 3(3) : HAc(8)（ d） 拋 光 。 （ a） （ b） （ c） （ d） 2021/6/4氫 誘 發(fā) 了 硅 內(nèi) 部 起 泡 層富 氫 層 CMP （ 2） 氫 注 入

20、鍵 合 （ 智 能 剝 離 Smart Cut） 兩 片 硅 片 一 片 注 氫 另 一 片 氧 化 將 兩 片 硅 片 在 較低 溫 度 下 鍵 合 退 火 （ 500C）使 鍵 合 片 在 富 氫層 處 裂 開(kāi) 高 溫 退 火 （ 1100 C ） 增 加 鍵 合 強(qiáng)度 CMP光 滑 硅 片 表 面 2021/6/4Smart Cut SOI技 術(shù) 優(yōu) 勢(shì)（ 1） 氫 離 子 注 入 劑 量 為 1016cm 2量 級(jí) ， 比 SIMOX的 氧 劑 量 小 2個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 普 通 注 入 機(jī) 即 可 。（ 2） SOI層 膜 厚 均 勻 ， 且 厚 度 可 由 氫 注 入 條 件 精

21、確 控 制 。（ 3） BOX為 高 質(zhì) 量 熱 氧 化 層 ， 厚 度 可 自 由 選 擇 ，Si SiO 2界 面 好 。（ 4） 剝 離 后 余 下 的 硅 片 可 繼 續(xù) 使 用 ， 大 大 節(jié) 約成 本 。 2021/6/4總 結(jié) 硅 是 一 種 儲(chǔ) 量 豐 富 、 廉 價(jià) 的 材 料 ， 且 其氧 化 層 具 備 高 強(qiáng) 度 、 高 穩(wěn) 定 性 以 及 容 易生 長(zhǎng) 等 優(yōu) 點(diǎn) 和 CZ 和 FZ(floating zone), CZ更 常 用 切 割 , 去 角 ,拋 光 ,刻 蝕 和 CMP 外 延 層 : 單 晶 硅 上 的 單 晶 硅 為 雙 極 型 和 高 性 能 CMOS, DRAM所 需 SOI: 鍵 合 和 氧 注 入 部 分 資 料 從 網(wǎng) 絡(luò) 收 集 整理 而 來(lái) ， 供 大 家 參 考 ，感 謝 您 的 關(guān) 注 ！