硅晶圆制造工艺课件
第2章 硅晶圆制程
1．直拉法生长硅单晶
（5）放肩——在缩颈工艺中，当细颈生长到足够长度时， 通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整，使晶体直径逐 渐变大而达到工艺要求直径的目标值，为了降低晶棒头部 的原料损失，目前几乎都采用平放肩工艺，即使肩部夹角 呈180°。 （6）等径生长——在放肩后当晶体直径达到工艺要求直 径的目标值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的 调整，使晶体生长进入等直径生长阶段，并使进固体直径 控制在大于或接近工艺要求的目标公差值。 （7）收尾——晶体生长的收尾主要要防止位错的反延， 一般讲，晶体位错反延的距离大于或等于晶体生长界面的 直径，因此当晶体生长的长度达到预定要求时，应逐渐缩 小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开硅熔融体 液面，这就是晶体生长的收尾阶段，如图2-5所示。
集成电路芯片制造实用技术
第2章 硅晶圆制程
第2章 硅晶圆制程
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 概述 半导体硅材料制备 生长硅单晶 晶圆加工成型 晶圆抛光 晶圆清洗 实训 拉晶工艺
2.1 概述
地壳中硅的含量大约是26%，因而，硅是地球上含量最丰富的元素之 一，其含量仅次于氧。以二氧化硅为主要成分的石英砂可以在许多地 方找到。随着硅单晶技术的发展，单晶硅晶圆的价格也逐渐下降，而 且变得比单晶锗晶圆或其他单晶半导体材料的价格还要低。 硅作为衬底材料的另一个主要优势，是它能够在热氧化步骤中很容易 地生长出一层二氧化硅。而且，这一热生长的二氧化硅层与下面的硅 衬底之间的界面质量优良，这对于提高MOS晶体管的电学特性很有 帮助。 与锗相比，硅拥有较大的能隙，因此，它能够承受较高的工作温度， 而且具有较大的杂质掺杂浓度范围。此外，硅的击穿电压也比锗要高。 对磷和硼等常用的掺杂杂质而言，二氧化硅可以当作掺杂的掩蔽层， 因为大部分的掺杂物在二氧化硅中的扩散速率要比在单晶硅中的扩散 速率慢得多。
top-con工艺路线详解
top-con工艺路线详解
Top-con工艺路线是一种用于生产半导体设备的工艺路线。
它
是由Top-con公司开发的，被广泛应用于电子产品制造领域。
Top-con工艺路线的主要步骤如下：
1. 制备晶圆：首先，使用晶体生长技术，将高纯度的硅材料熔化并冷却，形成硅晶圆。
然后，通过机械和化学处理，将硅晶圆的表面平整并去除污染物。
2. 晶圆清洁：将硅晶圆放入清洗台中，使用多个步骤进行清洁，以去除表面的杂质和污染。
3. 杂质控制：在晶圆表面涂覆一层控制杂质的薄膜，以确保后续步骤中的杂质浓度符合要求。
4. 光刻：在晶圆表面涂覆光刻胶，并使用光刻机将图案投影到光刻胶上。
然后，通过暴露、显影和清洗等步骤，将图案转移到晶圆上。
5. 制备电路结构：在晶圆表面通过物理或化学方法建立电流、电荷和导体等电路结构。
6. 金属沉积：使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）技术，在晶圆表面沉积金属层。
这些金属层通常用
于电路的连接和接触。
7. 线路定义：使用刻蚀或化学机械抛光等方法，将不需要的金属层和杂质去除，从而定义出电路的线路。
8. 封装和测试：将晶圆切割成单个芯片，并进行封装以保护芯片。
然后，进行电性能测试和可行性测试，确保芯片的质量和功能符合要求。
总结来说，Top-con工艺路线主要包括晶圆制备、光刻、杂质控制、电路结构、金属沉积、线路定义、封装和测试等步骤。
每个步骤都有相应的工艺设备和技术要求，以确保生产出高质量的半导体设备。
硅加工工艺PPT课件
硅加工工艺
3．曝光
• 曝光就是对涂有光刻胶且进行了前烘之后 的硅片进行选择性的光照，曝光部分的光 刻胶将改变其在显影液中的溶解性，经显 影后在光刻胶膜上得到和“掩膜”相对应 的图形。
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硅加工工艺
4．显影
• 显影是把曝光后的硅片放在显影液里，将应去 除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要 的抗蚀剂膜保护图形。
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
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硅加工工艺
6）离子注入，栅条、裸露的衬底以及厚氧化层都被 注入
多晶
硅
SiO2
SiO2
Si P-
7）栅和厚氧化层屏蔽了各自下面的硅，只有栅条两
边裸露的硅被注入，这就确保了栅条与源-漏区的对
准。
多晶 硅
SiO2
SiO2
Si P-
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硅加工工艺
由于栅的屏蔽作用，N型杂质不能进入栅的下面， 在栅的两边形成了独立的两块N型区域，这被称为硅 栅自对准。
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硅加工工艺
离子注入的基本原理
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硅加工工艺
离子注入设备
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硅加工工艺
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硅加工工艺
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硅加工工艺
2.3 生长外延层
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，
生长另一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
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硅加工工艺
8）在退火的时候，源-漏区会由于扩散而稍稍进入到 栅下一点点，重叠很小。在退火的同时，还可以在表 面生长另一层二氧化硅。
SiO2
多晶 硅
Si P-
SiO2
晶圆制备PPT课件
3.5.3区熔法
另一种晶体生长的方 法是区熔法，是20世 纪50年代发展起来的， 在特殊需要中使用， 所生产的单晶硅锭的 氧含量很低，并且能 生产到目前为止最纯 的硅单晶。生长系统 如图所示。
惰性气体 （氩气）
滑动射 频线圈
籽晶
行进 方向
通入惰性气体
上卡盘 多晶硅棒
• 制造SGS过程： 1. 用碳加热硅石来制备冶金级硅 2.
S( s ) i S C 2 iS O ( l) iS( g i ) O C ( g )O
5
2.通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯 硅烷
S (s )i 3 H (g ) C S l i3 ( H g ) H C 2 (g )
6
3.利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反 应来生产SGS
• 如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞都 会沿着这个坐标轴重复排列。
20
3.5 晶体生长
• 半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。 • 这种半导体材料叫做晶棒，是从大块的具有多
晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。 • 把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定
向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。 • 有三种不同的生长方法：直拉法 、区熔法 和
液体掩盖直拉法.
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3.5.1 直拉法
大部分的单晶都是 通过直拉法生长的。生 产过程如图所示。
旋转卡盘
籽晶
生长晶体
射频加热线圈
熔融 硅
22
23
3.5.2 液体掩盖直拉法
此方法主要用来生长 砷化镓晶体，和标准的直 拉法一样，只是做了一些 改进。由于熔融物里砷的 挥发性通常采用一层氧化 硼漂浮在熔融物上来抑制 砷的挥发。故得其名，如 图所示。
半导体技术-晶圆制备
晶圆制备硅是一种灰色、易碎、四价的非金属化学元素。
地壳成分中27.8%是硅元素构成的，其次是氧元素，硅是自然界中最丰富的元素。
在石英、玛瑙、燧石和普通的滩石中就可以发现硅元素。
硅是建筑材料水泥、砖、和玻璃中的主要成分，也是大多数半导体和微电子芯片的主要原料。
有意思的是，硅自身的导电性并不是很好。
然而，可以通过添加适当的搀杂剂来精确控制它的电阻率。
半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。
这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。
制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：矿石到高纯气体的转变；气体到多晶的转变；多晶到单晶，掺杂晶棒的转变；晶棒到晶圆的制备。
半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。
提纯从化学反应开始。
对于硅，化学反应是矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。
杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。
硅化物再和氢反应生成半导体级的硅。
这样的硅的纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。
它有一种称为多晶或多晶硅的晶体结构。
制造半导体前，必须将硅转换为晶圆片。
这要从硅锭的生长开始。
单晶硅是原子以三维空间模式周期形成的固体，这种模式贯穿整个材料。
多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体单独形成的，不能用来做半导体电路。
多晶硅必须融化成单晶体，才能加工成半导体应用中使用的晶圆片。
加工硅晶片生成一个硅锭要花一周到一个月的时间，这取决于很多因素，包括大小、质量和终端用户要求。
超过 75%的单晶硅晶圆片都是通过 Czochralski (CZ) 直拉法生长的。
CZ 硅锭生长需要大块的纯净多晶硅将这些块状物连同少量的特殊III、V族元素放置在石英坩埚中，这称为搀杂。
加入的搀杂剂使那些长大的硅锭表现出所需要的电特性。
最普通的搀杂剂是硼、磷、砷和锑。
因使用的搀杂剂不同，会成为一个 P 型或N型的硅锭（P 型 / 硼， N 型 / 磷、锑、砷），然后将这些物质加热到硅的熔点--摄氏1420度之上。
第三章_晶圆制备
第三章晶圆制备概述在这一章里，讲述了沙子转变成晶体及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。
目的完成本章后您将能够：1，解释晶体和非晶体的区别。
2，解释多晶和单晶的区别。
3，画出两种在半导体工序重要的晶圆晶向示意图。
4，解释晶体生长直拉法，区溶法，液晶压缩直拉法。
5，画出晶圆制备工艺的流程示意图。
6，解释晶圆上参考面或缺口的使用和意义。
7，描述圆边晶圆在芯片制造工艺中的好处。
8，描述平整和无损伤晶圆在芯片制造工艺中的好处。
介绍高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆。
在上世纪60年代开始使用的是1 直径的晶圆，而现在业界根据90年代的工艺要求生产200毫米直径的晶圆。
300 毫米直径的晶圆也已经投入生产线了，而根据SIA的技术路线图，到2007年，300毫米将成为标准尺寸。
以后预期会是400毫米或450毫米直径的晶圆。
大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。
然而，这对晶圆制备的挑战是巨大的。
大直径意味着高重量，这就需要更多坚固的工艺设备。
在晶体生长中，晶体结构上和电学性能一致性及污染的问题是一个挑战，这些挑战和几乎每一个参数更紧的工艺规格要求共存。
与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。
半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。
这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。
制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：晶圆制备阶段**矿石到高纯气体的转变**气体到多晶的转变**多晶到单晶，掺杂晶棒的转变**晶棒到晶圆的制备半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。
提纯从化学反应开始。
对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。
杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。
硅化物再和氢反应（图 3.1）生成半导体级的硅。
这样的硅的纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。
硅与晶圆的制备
晶種 鈍氣出口
圖 4.11
平盤
19
晶圓直徑的趨勢
300 mm
200 mm 150 mm 125 mm 100 mm 75 mm
3
4
5
6
8
圖 4.12
12
20
晶圓直徑與屬性
直徑 (mm) 150 200 300 400
厚度 (m) 675 20 725 20 775 20 825 20
2
Si (s) + 3HCl (g) SiHCl3 (g) + H2 (g) + 熱
3
2SiHCl3 (g) + 2H2 (g) 2Si (s) + 6HCl (g)
表 4.1
3
晶體結構
非晶材料 晶胞 多晶與單晶結構 晶體方向
4
用於SG矽的Siemens反應 器
SiHCl3
多晶體矽柱
圖 4.1
表 4.13
22
300mm晶圓直徑和方向需要的發展規格
參數 直徑 厚度 (中心點) 彎曲 9 點厚度變化 缺口深度 缺口角度 背部表面拋光 邊緣輪廓表面拋光 FQA (品質固定區域－晶圓 表面可允許的半徑範圍) 單位 mm m m m mm 度 一般 300.00 775 100 10 1.00 90 蝕刻／研磨 研磨 mm 147 + 0.25, -0.00 +5, -1 一些典型誤差值 0.20 25
表 4.4
23
矽之晶體缺陷
晶體缺陷 (微缺陷) 是指任何妨礙單位晶胞 重複性地出現於晶體 晶體缺陷依其形式可區分為3大類： 1.點缺陷：原子級的局部缺陷。 2.差排：單位晶胞錯置。 3.整體缺陷：晶體結構之缺陷。
半导体级晶圆硅生产工艺
加工流程：单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片倒角→研磨腐蚀--抛光→清洗→包装切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度，切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。
切断的设备：内园切割机或外园切割机切断用主要进口材料：刀片外径磨削：由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。
外径滚磨的设备：磨床平边或V型槽处理：指方位及指定加工，用以单晶硅捧上的特定结晶方向平边或V型。
处理的设备：磨床及X－RAY绕射仪。
切片：指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。
切片的设备：内园切割机或线切割机倒角：指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。
倒角的主要设备：倒角机研磨：指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。
研磨的设备：研磨机（双面研磨）主要原料：研磨浆料（主要成份为氧化铝，铬砂，水），滑浮液。
腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。
腐蚀的方式：（A）酸性腐蚀，是最普遍被采用的。
酸性腐蚀液由硝酸（HNO3），氢氟酸（HF），及一些缓冲酸（CH3COCH，H3PO4）组成。
（B）碱性腐蚀，碱性腐蚀液由KOH或NaOH加纯水组成。
[Page]抛光：指单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度晶片的抛光。
抛光的设备：多片式抛光机，单片式抛光机。
抛光的方式：粗抛：主要作用去除损伤层，一般去除量约在10－20um；精抛：主要作用改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1um以下主要原料：抛光液由具有SiO2的微细悬硅酸胶及NaOH（或KOH或NH4OH）组成，分为粗抛浆和精抛浆。
清洗：在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗主要是抛光后的最终清洗。
晶圆制作过程
晶圆制作过程晶圆制作是半导体工艺中非常重要的一项技术，它是制造集成电路的基础。
下面将详细介绍晶圆制作的过程。
1. 晶圆的选择晶圆制作的第一步是选择合适的硅晶圆作为基材。
硅晶圆通常采用高纯度的单晶硅材料，具有良好的电学性能和机械性能。
晶圆的尺寸和厚度根据具体的制程要求进行选择。
2. 晶圆清洗选择好的硅晶圆需要经过一系列的清洗步骤，以去除表面的杂质和污染物。
清洗过程通常包括化学清洗和超纯水清洗两个阶段。
化学清洗可以去除表面的有机和无机杂质，而超纯水清洗则用于去除化学清洗过程中的残留物。
3. 晶圆表面处理在清洗完毕后，晶圆需要进行表面处理，以获得适合制程的表面特性。
常见的表面处理方法包括氧化、脱氢和沉积等。
氧化可以在晶圆表面形成一层氧化膜，用于隔离和保护晶圆；脱氢可以去除晶圆表面的氢原子，以减少氢的影响；沉积可以在晶圆表面沉积一层薄膜，用于后续工艺步骤的实施。
4. 光刻光刻是晶圆制作的关键步骤之一，用于将图形模式转移到晶圆表面。
光刻主要包括光刻胶涂覆、曝光和显影三个步骤。
首先，将光刻胶涂覆在晶圆表面形成一层薄膜；然后，使用光刻机将光刻胶上的图形模式通过曝光转移到晶圆上；最后，通过显影将未曝光的光刻胶去除，形成所需的图形。
5. 刻蚀刻蚀是将图形模式从光刻胶转移到晶圆表面的关键步骤。
刻蚀根据不同的要求可以采用化学刻蚀或物理刻蚀的方法。
化学刻蚀是利用化学反应将晶圆表面的材料去除，而物理刻蚀则是利用物理能量将晶圆表面的材料剥离。
刻蚀的目的是将光刻胶未覆盖的区域暴露出来，形成所需的结构。
6. 清洗和检测刻蚀完毕后，晶圆需要再次进行清洗，以去除刻蚀过程中产生的残留物。
清洗过程与之前的清洗步骤类似。
清洗完毕后，晶圆还需要进行严格的检测，以确保制程的质量。
常见的检测方法包括电学测试、光学检测和表面检测等。
7. 沉积在晶圆表面形成所需的结构后，还需要进行一些附加的工艺步骤。
其中，沉积是最常见的一种工艺步骤，用于在晶圆表面沉积一层薄膜。
半导体制造工艺流程课件PPT(共 105张)
三、IC构装制程
• IC構裝製程（Packaging）：利用塑膠 或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路
• 目的：是為了製造出所生產的電路的保 護層，避免電路受到機械性刮傷或是高 溫破壞。
半导体制造工艺分类
MOS型
双极型
PMOS型 NMOS型 CMOS型 饱和型
非饱和型
BiMOS TTL I2L ECL/CML
SiO2
P+ N-epi P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗 —去膜--清洗—P+扩散(B)
第三次光刻—P型基区扩散孔
决定NPN管的基区扩散位置范围 SiO2
外延层淀积
1。VPE（Vaporous phase epitaxy) 气相外延生长硅 SiCl4+H2→Si+HCl 2。氧化
Tepi>Xjc+Xmc+TBL-up+tepi-ox SiO2
N-epi
N+-BL
N+-BL
P-SUB
第二次光刻—P+隔离扩散孔
• 在衬底上形成孤立的外延层岛,实现元件的隔离.
半导体制造工艺流程
半导体相关知识
• 本征材料：纯硅 9-10个9
250000Ω.cm
• N型硅： 掺入V族元素--磷P、砷As、锑 Sb
• P型硅： 掺入 III族元素—镓Ga、硼B
• PN结：
P
-
-
++ + ++
N
半导体元件制造过程可分为
• 前段（Front End）制程 晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab）、 晶圆针测制程（Wafer Probe）；
晶原生产工艺流程、设备及真空泵
IC产业可分为设备业、设计业、加工业和支撑业（包括硅晶圆、各种化学试剂、气体、引线框架等）。
IC加工业本身按其顺序可分为光掩膜业、制造业（包括IDM#模式和Foundry##模式）、封装业和测试业。
IC制造流程见图一。
LED晶片生產流程圖：晶圆的生产工艺流程：从大的方面来讲，晶圆生产包括晶棒制造和晶片制造两大步骤，它又可细分为以下几道主要工序（其中晶棒制造只包括下面的第一道工序，其余的全部属晶片制造，所以有时又统称它们为晶柱切片后处理工序）：晶棒成长 -- 晶棒裁切与检测 -- 外径研磨 -- 切片 -- 圆边 -- 表层研磨 -- 蚀刻 -- 去疵 -- 抛光 -- 清洗 -- 检验 -- 包装1、晶棒成长工序：它又可细分为：1）、融化（Melt Down）：将块状的高纯度复晶硅置于石英坩锅内，加热到其熔点1420°C以上，使其完全融化。
2）、颈部成长（Neck Growth）：待硅融浆的温度稳定之后，将〈1.0.0〉方向的晶种慢慢插入其中，接着将晶种慢慢往上提升，使其直径缩小到一定尺寸（一般约6mm左右），维持此直径并拉长100-200mm，以消除晶种内的晶粒排列取向差异。
3）、晶冠成长（Crown Growth）：颈部成长完成后，慢慢降低提升速度和温度，使颈部直径逐渐加大到所需尺寸（如5、6、8、12吋等）。
4）、晶体成长（Body Growth）：不断调整提升速度和融炼温度，维持固定的晶棒直径，只到晶棒长度达到预定值。
5）、尾部成长（Tail Growth）：当晶棒长度达到预定值后再逐渐加快提升速度并提高融炼温度，使晶棒直径逐渐变小，以避免因热应力造成排差和滑移等现象产生，最终使晶棒与液面完全分离。
到此即得到一根完整的晶棒。
2、晶棒裁切与检测（Cutting & Inspection）：将长成的晶棒去掉直径偏小的头、尾部分，并对尺寸进行检测，以决定下步加工的工艺参数。
3、外径研磨（Surface Grinding & Shaping）：由于在晶棒成长过程中，其外径尺寸和圆度均有一定偏差，其外园柱面也凹凸不平，所以必须对外径进行修整、研磨，使其尺寸、形状误差均小于允许偏差。
半导体制造工艺流程-大全PPT课件
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半导体制造工艺分类
MOS型
双极型
PMOS型 NMOS型 CMOS型 饱和型
非饱和型
BiMOS TTL I2L ECL/CML
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半导体制造工艺分类
• 一 双极型IC的基本制造工艺：
• A 在元器件间要做电隔离区（PN结隔离、 全介质隔离及PN结介质混合隔离）
SiO2
P+ N-epi P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗 —去膜--清洗—P+扩散(B)
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外延层淀积
1。VPE（Vaporous phase epitaxy) SiCl4+H2→Si+HCl 2。氧化
气相外延生长硅
Tepi>Xjc+Xmc+TBL-up+tepi-ox SiO2
N-epi
N+-BL
N+-BL
P-SUB
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第二次光刻—P+隔离扩散孔
• 在衬底上形成孤立的外延层岛,实现元件的隔离.
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半导体制造环境要求
• 主要污染源：微尘颗粒、中金属离子、有 机物残留物和钠离子等轻金属例子。
• 超净间：洁净等级主要由 微尘颗粒数/m3
0.1um I级 35 10 级 350 100级 NA 1000级 NA
0.2um 0.3um 7.5 3 75 30 750 300
NA NA
4-硅晶圆加工技术
硅晶圆加工技术Why Silicon?冶金级硅硅砂＋焦炭＋煤＋木屑纯度为98-99%的冶金级硅MGS:Metallurgical Grade Silicon基于Simens 法多晶硅的制备１、工业硅的获得２、三氯氢硅的获得 盐酸化：三氯氢硅（TCS)蒸馏:去除TCS中的杂质纯度可达十亿分之一。
半导体级硅的纯度为99.9999999％３、氢还原得到高纯多晶硅西门子法的缺点流体床反应炉技术生产太阳能级多晶硅(６N)单晶硅的制备－Czochralski 法林兰英院士（1918.2.7~2003.3.4）为什么晶圆尺寸越来越大直拉法单晶硅生长设备长晶炉长晶程序石英坩埚——盛装原料用坩埚生长环境•石英坩埚在高温及惰性气氛下脱氧•石墨高温下反应导致材质衰变温度与速度的控制•速度控制：•硅熔融液温度需要控制的参数：长晶理论（一）——对流长晶理论（二）——分凝3.3×10-13.3×10170.07C1.3×10-12.7×10181.25O 3.74×10-14 ×10190.008Ga 3.851 .3×10210.35P 1.535×1030.33Ge 1.3855 ×10200.002Al 9.1×10-21 ×10210.8B 扩散系数最大固熔度分凝系数元素长晶理论（三）——掺杂长晶理论（四）——O、C控制•去裸带•本征杂质吸取作用C 是不良杂质，控制其含量2×1015∼8×1016cm-3太阳电池多晶硅锭定向凝固技术晶圆加工成形200mm 以前采用金刚石刀300mm 用线锯，表面平整度有问题晶边磨圆晶圆晶面研磨去除以前各步机械加工所造成的操作，同时获得干净且光亮的表面。
晶圆刻蚀酸性腐蚀液：Si+4HNO 3SiO 2+4NO 2+2H 2OSiO 2+6HF H 2SiF 6+2H 2O3Si+4HNO 3+ 18HF H 2SiF 6 +4NO 2+8H 2O放热反应需要控制温度碱性腐蚀液：Si+4OH SiO 4-4+2H 2成本低，无有毒气体排放，刻蚀速率与晶向有关，表面热退火去除氧的施主型杂质，使电学特性更加稳定快速热退火：吸除法处理残留缺陷吸除法：利用晶圆中晶格子缺陷来控制或消除其它缺陷。
半导体芯片制造技术晶圆制备课件
4.氧含量
控制硅锭中的氧含量水平的均匀性是非常重要 的，而且随着更大的直径尺寸，难度也越来越大。 少量的氧能起到俘获中心的作用，它能束缚硅中的 沾染物。然而，硅锭中过量的氧会影响硅的机械和 电学特性。例如，氧会导致P-N结漏电流的增加，也 会增大MOS器件的漏电流。
硅中的氧含量是通过横断面来检测的，即对硅 晶体结构进行成分的分析。一片有代表性的硅被放 在环氧材料的罐里，然后研磨并抛平使其露出固体 颗粒结构。用化学腐蚀剂使要识别的特定元素发亮 或发暗。样品准备好后，使用透射电镜（TEM）描述 晶体的结构，目前硅片中的氧含量被控制在24到 33ppm。
一旦晶体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出 一个参考面，如图4-4所示。
图4-4定位面研磨
图4-5 硅片的类型标志
四、切片
单晶硅在切片时，硅片的厚度，晶向，翘曲度和 平行度是关键参数，需要严格控制。晶片切片的要求 是：厚度符合要求；平整度和弯曲度要小，无缺损， 无裂缝，刀痕浅。
单晶硅切成硅片，通常采用内圆切片机或线切片 机。
图4-18 硅片变形
2.平整度
平整度是硅片最主要的参数之一，主要是因为 光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。硅片 平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是 通过硅片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。 对一个硅片来说，如果它被完全平坦地放置，参考 面在理论上就是绝对平坦的背面，比如利用真空压 力把它拉到一个清洁平坦的面上，如图4-19所示， 平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平 整度，也可以规定为整体平整度，它是在硅片表面 的固定质量面积（FQA）上整个硅片的平整度。固定 质量面积不包括硅片表面周边的无用区域。测量大 面积的平整度要比小面积难控制。
然而，晶圆具有的一个特性却限制了生产商随 意增加晶圆的尺寸，那就是在芯片生产过程中，离 晶圆中心越远就越容易出现坏点，因此从晶圆中心 向外扩展，坏点数呈上升趋势。另外更大直径晶圆 对于单晶棒生长以及芯片制造保持良好的工艺控制 都提出了更高的要求，这样我们就无法随心所欲地 增大晶圆尺寸。
第3章 晶圆制备 14.
第 3 章晶圆制备在这一章里,将说明沙子转变成晶体 ,以及晶圆 ;和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。
3.1 简介高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆。
在 20世纪 60年代开始使用的是 1英寸直径的晶圆(1英寸 =2.54cm,而现在业界根据 20世纪 90年代的工艺要求生产 200毫米直径的晶圆 ; 300毫米直径的晶圆也已经投入生产线了。
根据半导体工业协会(SIA 的技术路线图,到 2007年, 300毫米直径的晶圆将成为标准。
以后预期会是 400毫米或 450毫米直径的晶圆。
大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。
然而,这对晶圆制备的挑战是巨大的。
大直径意味着高重量 ,这就需要更多坚固的工艺设备。
在晶体生长中,晶体结构上和电学性能一致性及污染的问题是一个挑战,这些挑战和几乎每一个参数更紧的工艺规格要求共存。
与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。
3.2 半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成, 这里半导体材料通常是硅。
这里:(1这些晶圆的杂质含量水平必须非常低。
(2必须掺杂到指定的电阻率水平。
(3必须是指定的晶体结构 ,必须是光学的平面 ,并达到许多机械及清洁度的规格要求。
♦制造 IC 这一级的硅晶圆分如下 4个阶段进行,即晶圆制备阶段有:(1 矿石到高纯度气体的转变;(2 气体到多晶的转变;(3 多晶到单晶 , 掺杂晶棒的转变;(4 晶棒到晶圆的转变。
这里第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。
提纯从化学反应开始。
对于硅, 化学反应是从矿石到硅化物气体 ,例如四氯化硅或三氯硅烷。
杂质(例如其他金属,则留在矿石残渣里。
之后 , 硅化物再和氢反应生成半导体级的硅。
2 SiHCl3(气体 +3 H2(气体→ 2 Si(固体 + 6 HCl(气体氢气还原三氯硅烷这样的硅的纯度达 99.9999999%, 是地球上最纯的物质之一。
它有一种称为多晶或多晶硅 (polysilicon 的晶体结构。
4-硅晶圆加工技术
硅晶圆加工技术Why Silicon?冶金级硅硅砂＋焦炭＋煤＋木屑纯度为98-99%的冶金级硅MGS:Metallurgical Grade Silicon基于Simens 法多晶硅的制备１、工业硅的获得２、三氯氢硅的获得 盐酸化：三氯氢硅（TCS)蒸馏:去除TCS中的杂质纯度可达十亿分之一。
半导体级硅的纯度为99.9999999％３、氢还原得到高纯多晶硅西门子法的缺点流体床反应炉技术生产太阳能级多晶硅(６N)单晶硅的制备－Czochralski 法林兰英院士（1918.2.7~2003.3.4）为什么晶圆尺寸越来越大直拉法单晶硅生长设备长晶炉长晶程序石英坩埚——盛装原料用坩埚生长环境•石英坩埚在高温及惰性气氛下脱氧•石墨高温下反应导致材质衰变温度与速度的控制•速度控制：•硅熔融液温度需要控制的参数：长晶理论（一）——对流长晶理论（二）——分凝3.3×10-13.3×10170.07C1.3×10-12.7×10181.25O 3.74×10-14 ×10190.008Ga 3.851 .3×10210.35P 1.535×1030.33Ge 1.3855 ×10200.002Al 9.1×10-21 ×10210.8B 扩散系数最大固熔度分凝系数元素长晶理论（三）——掺杂长晶理论（四）——O、C控制•去裸带•本征杂质吸取作用C 是不良杂质，控制其含量2×1015∼8×1016cm-3太阳电池多晶硅锭定向凝固技术晶圆加工成形200mm 以前采用金刚石刀300mm 用线锯，表面平整度有问题晶边磨圆晶圆晶面研磨去除以前各步机械加工所造成的操作，同时获得干净且光亮的表面。
晶圆刻蚀酸性腐蚀液：Si+4HNO 3SiO 2+4NO 2+2H 2OSiO 2+6HF H 2SiF 6+2H 2O3Si+4HNO 3+ 18HF H 2SiF 6 +4NO 2+8H 2O放热反应需要控制温度碱性腐蚀液：Si+4OH SiO 4-4+2H 2成本低，无有毒气体排放，刻蚀速率与晶向有关，表面热退火去除氧的施主型杂质，使电学特性更加稳定快速热退火：吸除法处理残留缺陷吸除法：利用晶圆中晶格子缺陷来控制或消除其它缺陷。
第二讲：硅和硅片制造(半导体制造技术)
3.2.1 直拉法（切 克劳斯基法） 大部分的单晶 都是通过直拉法 生长的。生产过 程如图所示。 特点：工艺成熟， 能较好地拉制低 位错、大直径的 硅单晶。缺点是 难以避免来自石 英坩埚和加热装 置的杂质污染。
旋转卡盘
籽晶 生长晶体 射频加热线圈
熔融 硅
3.2.2 液体掩盖直拉法 此方法主要用来 生长砷化镓晶体， 和标准的直拉法一 样，只是做了一些 改进。由于熔融物 里砷的挥发性通常 采用一层氧化硼漂 浮在熔融物上来抑 制砷的挥发。故得 其名，如图所示。
籽晶
晶体 氧化硼层 砷化 镓 熔化 物
3.2.3 区熔法 主要用来生长 低氧含量的晶体， 但不能生长大直 径的单晶，并且 晶体有较高的位 错密度。这种工 艺生长的单晶主 要使用在高功率 的晶闸管和整流 器上，生长系统 如图所示。
通入惰性气体
惰性气体 （氩
籽晶 下卡盘
行进 方向
• 几种工艺的比较
3.3 晶体缺陷及对器件质量的影响
缺陷主要有： 点缺陷 位错(原生的和诱生的) 点缺陷 主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构 引起的应力所产生的缺陷， 还有就是空位(晶 格点阵缺少原子所制)。如图所示 位错 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制(如 图所示).. 原生位错是晶体中固有的位错，而诱生位错是指 在芯片加工过程中引入的位错，其数量远远大 于原生位错。产生的原因大致可分为三个方面
第四章 晶圆制备
沙子→硅片
1、纯度高 2、晶体结构好
晶体分类 单晶 多晶 非晶
晶体描述 晶胞
晶向、晶面
晶体生长
半导体材料都是由构成其成分的原子规律 排列而成，通常把这种原子规律排列而成的材 料称为单晶。而它是由大块的具有多晶结构和 未掺杂的本征材料生长得来的。把多晶块转变 成一个大单晶，并给予正确的定向和适量的N 型或P型掺杂，叫做晶体生长。有三种不同的 生长方法：直拉法 区熔法 液体掩盖直拉法
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但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等 晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。
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熔体中的对流：
晶体和坩锅彼此是相互反向运动。相反 旋转的晶体和坩埚产生对流，反向旋转 速度相差越大，对流强烈，所生长的晶 体的直径越大。但对流越强烈，会造成 熔体中温度波动，从而导致晶体中的杂 质分布不均匀。
3.1 硅晶圆的制备工艺
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硅作为集成电路半导体材料的主要原因：
1. 硅含量丰富（占地壳27%）； 2. 硅提纯和结晶方便； 3. 在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一
的强酸; 4. 硅的器件工作温度高，能达250℃ ； 5. 硅的表面能形成 牢固致密的SiO2膜，SiO2
能充当电容的电介质、扩散的隔离层、器 件表面的保护层，使器件的稳定性提高。
反应得到的多晶Si还不能直接用于生产电子元器件，必 须将它制成单晶体
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2. 单晶硅制备
直拉法（Czochralski法）单晶生长 晶体主流生长技术
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晶体和坩锅彼此是相互反向运动： 一定晶向的硅柱 低温 籽晶旋转
熔融的单晶硅
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直拉法基本过程
1. 引晶：通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化， 并保 持略高于硅熔点的温度;
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硅晶圆的制备工艺主要分五个阶段：
• 1. 多晶硅原料 • 2. 单晶硅制备 • 3. 切割 • 4. 研磨 • 5. 评估
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1. 多晶硅原料
地球中硅以硅砂（SiO2）状态存在
还原炉SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)
粗硅
化学法
纯化 (99.999999999%)
2. 将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时 旋转引出晶体；
：根据熔体和单晶炉情况，控制晶体等径生长 到所需长度；
4. 收尾：直径逐渐缩小，离开熔体； 5. 降温：降级温度，取出晶体，待后续加工 。
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晶体生长最大速度：
与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率 、晶体密度等有关。
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5. 晶片评估
厚度、缺陷
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不同尺寸圆片的生命周期
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晶体的转动速度一般比坩锅快1-3倍，有利于在固液界面 下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。
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一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
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4. 研磨
用甘油和三氧化铝的混合液研磨——抛光
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3. 切割
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化学法纯化
西 盐酸法：粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应
门 子
Si十3HCl==SiHCl3（L）+H2（g）（实际反应极复杂）
式
多
精馏： 将SiHCl3置于蒸馏塔中
晶
利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯
硅
工
分解： 将精馏过的SiHCl3置于CVD反应炉中
艺
用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl