半导体衬底—集成电路工艺技术课件

集成集成电电路工路工艺艺技技术术集成电路工艺技术1集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY第一第一章章 半半导导体体衬衬底底 第二第二章章 氧氧化化第三第三章章 扩扩散散第四第四章章 离子注入离子注入 第五第五章章 光光刻刻第六第六章章 刻刻蚀蚀第七第七章章 化学气相沉化学气相沉积积 第八第八章章 化学机械化平坦化学机械化平坦 第九第九章章 金属化工金属化工艺艺第十第十章章 CMOS工工艺艺流程流程集成电路工艺第一章 半导体衬底 第二章 氧化2 集成集成电电路工路工艺艺教材：教材：1 1、半、半导导体制造技体制造技术术，作者，作者 Michael Michael QuirkQuirk，电电子工子工业业出版社。出版社。参考参考 2 2、微、微电电子制造科学原理与子制造科学原理与工程技工程技术术，作者，作者 StephenStephen A.A.CampbellCampbell，电电子子INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY工工业业出版社。出版社。集成电路工艺教材：INTEGRATED CIRCUIT 3晶体生晶体生长长、晶、晶圆圆片制造及硅晶片制造及硅晶圆圆片的基本特性片的基本特性Crystal Growth,Wafer Fabrication and Basic Properties of Silicon Wafers集成集成电电路工路工艺艺第一章第一章 半半导导体体衬衬底底INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性第一章 半导体衬底I41 1、集成、集成电电路路发发展展历历程回程回顾顾2 2、描描述述天天然然硅硅原原料如何加工提料如何加工提炼炼成半成半导导体体级级硅硅 (semiconductor-grade silicon,SGS)。3 3、解、解释释晶体晶体结结构与构与单单晶硅的生晶硅的生长长技技术术。4 4、讨论讨论硅晶体的主要缺陷。硅晶体的主要缺陷。5 5、简简单单敘敘述述由由硅硅晶晶锭锭加工成加工成为为硅晶硅晶圆圆的基本步的基本步 骤骤。6 6、说说明并明并讨论讨论晶晶圆圆供供应应商所需商所需进进行的行的7 7项项品品质测质测量量 项项目。目。7 7、外延、外延层层及其重要性。及其重要性。集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY课课程内容程内容1、集成电路发展历程回顾7、外延层及其重要性。集成电路工艺课5集成集成电电路路发发展展历历程回程回顾顾集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1、1906年年2、1925年年3、1948年年4、1950年年5、1958年年6、1960年年第一只三极第一只三极管管“Audion”场场效效应应晶体管的提出晶体管的提出 点点接触晶体管接触晶体管面接触晶体管面接触晶体管 第一第一块块集成集成电电路路MOS场场效效应应晶体管晶体管集成电路发展历程回顾集成电路工艺1、1906年第一只三极管“6集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1800018000个个电电子管，占地子管，占地150m150m2 2，重，重3030吨，吨，计计算速度每秒算速度每秒50005000次，存次，存储储容量千位。容量千位。集成电路工艺18000个电子管，占地150m2，重30吨，计7集成集成电电路工路工艺艺第一台第一台计计算机中算机中 使用的晶体管。使用的晶体管。INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺第一台计算机中 使用的晶体管。INTEGRATE8集成集成电电路工路工艺艺集成集成电电路的划分路的划分LSIVLSIMSISSI小小规规模模，100100个晶体管个晶体管中中规规模模，100100 10001000个晶体管个晶体管10001000 100000100000个个晶体管晶体管100000100000个晶体管个晶体管INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺集成电路的划分LSIMSISSI小规模，10091971年年Intel公公司司推推出出的的 微微处处理理器器芯芯片片上上只只有有2300个个 晶体晶体管管;1982年年Intel80286微微处处理理 器上器上有有13万万4千个晶体千个晶体管管;1 MHz,5V5k Components集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY19591959年开始了集成年开始了集成电电路路时时代代1971年Intel公司推出的 微处理器芯片上只有2300个10Intel Pentium(III)Microprocessor集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1994100 MHz,3.3V3M ComponentsIntel Pentium(III)Microproce11Intel Pentium(IV)Microprocessor19991.2 GHz,1.8V 42M Components集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYIntel Pentium(IV)Microproces12集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYLilienfeld FET TransistorLilienfeld FET Transistor (1930)(1930)JuliusJulius EdgarEdgar LilienfeldLilienfeld ，利利 林林 费费 尔尔 德德 (1882-1963)(1882-1963)：德德国国人人，曾曾在在莱莱比比锡锡大大学学任任 教教，后后由由于于德德国国日日益益增增长长的的迫迫害害犹犹太太人人的的形形式式 而而移移居居美美国国，是是公公司司的的电电容容工工程程师师。他他于于1925 1925 年年第第一一个个提提出出了了场场效效应应晶晶体体管管的的概概念念并并于于1930 1930 年年获获得得专专利利。19351935 年年,德德国国物物理理学学家家海海尔尔（OskarOskar HeilHeil）描描述述了了一一种种类类似似于于结结型型场场效效应应晶晶 体体 管管 的的 结结 构构 (O.Heil,(O.Heil,British British Patent Patent 439,457,1935).439,457,1935).然然而而，由由于于材材料料的的困困难难实实际际 制制备备晶晶体体管管在在 19601960 年年以以前前是是不不可可能能的的。ShockleyShockley最最初初的的场场效效应应晶晶体体管管的的专专利利申申请请被被完完 全全驳驳回回；BardeenBardeen，巴巴丁丁(美美国国物物理理学学家家,1956,19721956,1972两两度度获获诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖)的的点点接接触触晶晶 体体管管的的专专利利也也因因为为有有LilienfeldLilienfeld的的专专利利在在前前，而有超而有超过过半数的人半数的人认为认为不能通不能通过过。集成电路工艺Lilienfeld FET Transisto13集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJohn Bardeen and Walter Brattain(沃沃尔尔特特 布布拉拉顿顿)at Bell Laboratories constructed the first solid-state transistor.This PNP point-contact germanium transistor operated with a power gain of 18 on Dec.23,1947.With their manager,William Shockley,they won the Nobel Prize in 1956.第一个晶体管第一个晶体管集成电路工艺John Bardeen and Walter 14集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY这这个个有有世世以以来来的的第第一一个个晶晶体体管管是是将将一一片片金金箔箔带带用用刀刀划划开开 一一条条约约为为5 50 0微微米米间间隔隔的的小小缝缝，用用一一块块三三角角形形的的石石英英晶晶体体 将将其其压压到到n n型型半半导导体体锗锗材材料料上上作作为为发发射射极极和和集集电电极极，形形成成 点点接接触触PNPPNP晶晶体体管管。当当一一个个接接触触正正偏偏另另一一个个反反偏偏时时，可可以以 观测观测到把到把输输入信号放大的晶体管效入信号放大的晶体管效应应。集成电路工艺这个有世以来的第一个晶体管是将一片金箔带用刀划开15INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY肖肖克克莱莱在在点点接接触触 晶晶体体管管发发明明后后，提提出出 了了可可以以利利用用两两个个p型型 层层中中间夹间夹一一n型型层层作作为为半半导导体体放放大大结结构构的的 构构想想。并并与与M.Sparks 和和G.K.Teal一一起起发发明明 了了单单晶晶锗锗NPN 结结型型 晶体管。晶体管。集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY肖16集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY19581958 年年，德德州州仪仪器器 公司（公司（T TI I）的杰克）的杰克基基尔尔比比（JackJack KilbyKilby），研研制制出出 了了世世界界上上第第一一块块集集成成电电 路路。该该电电路路是是在在锗锗衬衬底底上上 制制作作的的相相移移振振荡荡器器和和触触发发 器器，共共有有1212个个器器件件。器器件件 之之间间是是介介质质隔隔离离，器器件件间间 互互连连线线采采用用的的是是引引线线焊焊接接 方法。方法。集成集成电电路的路的诞诞生生集成电路工艺1958 年，德州仪器 公司（TI）的杰克基17集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY罗罗伯伯特特诺诺伊斯伊斯（Robert Noyce）杰克杰克.基基尔尔比和比和罗罗伯伯特特诺诺伊斯伊斯两个集成两个集成电电路的独立路的独立发发明人明人集成电路工艺罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）杰克18ITYJILIN UNIVERS集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY人人类类智力的一次智力的一次飞跃飞跃瑞典皇家科学院将瑞典皇家科学院将20002000年年诺诺贝贝 尔尔物理物理奖奖授予俄授予俄罗罗斯圣彼得堡斯圣彼得堡约飞约飞 物理技物理技术术研究所研究所的的阿阿尔尔弗洛夫博士弗洛夫博士,美国加州大学圣巴巴拉分校美国加州大学圣巴巴拉分校的的克克罗罗 默教授默教授和美国和美国T TI I公公司司的的基基尔尔比教授比教授,他他 们们是因是因为为高速晶体管高速晶体管,激光二极激光二极管管 和和集成集成电电路路而荣而荣获获此此项奖项奖励的励的.其其 中中,阿阿尔尔弗洛夫和克弗洛夫和克罗罗默将分享默将分享奖奖 金的金的1/2,1/2,而基而基尔尔比教授比教授则则独得独得奖奖金金 的另一半的另一半.ITYJILIN UNIVERS集成电路工艺人类智力的一次飞19集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY制制备备半半导导体体级级硅硅 (SGS)的的过过程程步步骤骤过过程描述程描述反反应应方方程程式式1用碳加用碳加热热硅石来制硅石来制备备冶金冶金级级 硅硅 (MGS)。SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)2通通过过化化学学反反应应将冶金将冶金级级硅提硅提 纯纯以生以生成成三三氯氯硅硅烷烷气气体体。Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)+热热3利利用用西西门门子子方方法法，通通过过三三氯氯 硅硅烷烷和和氢氢气气反反应应来来生生产产半半导导 体体级级硅硅 (SGS)。2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)半半导导体体级级硅硅集成电路工艺制备半导体级硅(SGS)的过程步骤过程描述反20集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY用 来 做 芯 片 高用 来 做 芯 片 高 纯纯 硅 称硅 称 为为 半半 导导 体体 级级 硅硅（semiconductor-grade semiconductor-grade silicon)silicon)，或或SGSSGS。得到得到SGSSGS的第一步是在的第一步是在还还原气原气体体环环境中，通境中，通过过加加热热含碳的硅石含碳的硅石（SiOSiO2 2)，一种一种纯纯沙，来生沙，来生产产冶金冶金级级硅。硅。在在反反应应式式右右边边所所得得到到的的冶冶金金级级硅硅的的纯纯度度有有9 98 8。由由于于冶冶金金级级硅硅的的 沾沾污污程程度度相相当当高高，所所以以它它对对半半导导体体制制造造没没有有任任何何用用处处。通通常常将将冶冶金金 级级硅硅压压碎并通碎并通过过化学反化学反应应生成含硅的三生成含硅的三氯氯硅硅烷烷气体。气体。含含硅硅的的三三氯氯硅硅烷烷气气体体经经过过再再一一次次化化学学过过程程并并用用氢氢气气还还原原制制备备出出纯纯 度度为为99.999999999.9999999 的半的半导导体体级级硅。硅。这这种种生生产产纯纯SGSSGS的的工工艺艺称称为为西西门门子子工工艺艺。三三氯氯硅硅烷烷和和氢氢气气被被注注入入到到 西西门门子子反反应应器器中中，然然后后在在加加热热的的超超纯纯硅硅棒棒上上进进行行化化学学反反应应。几几天天后后 工工艺过艺过程程结结束，将淀束，将淀积积的的SGSSGS棒切成用于硅晶体生棒切成用于硅晶体生长长的小片。的小片。集成电路工艺用来做芯片高纯硅称为半导体级硅（semicon21集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCondense SiOSiO+COSiO2+C1500Form SiCFrom SiO and C Melt SiO2SiO+2CSiC+CO1780SIO2+CSiO+CO SiC+SiO2Si+SiO+COLiquid SiDischarge SiQuartziteCoke(焦焦炭炭)Wood chipCO,SiO,H2OEffluentinput元素元素浓浓度（度（ppma)Al12001400Fe16003000B3745P2730Ca590Cr50140Cu2490Mn7080Mo10Ni4080Ti150200Zr30MGS一般一般杂质杂质种种类类与与浓浓度度埋弧埋弧电电炉生炉生产产冶金冶金级级硅硅集成电路工艺Condense SiOSiO+COSiO2+22集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY靠近炉子底部，在靠近炉子底部，在电电极的极的电电弧区，此弧区，此处处的温度超的温度超过过2000，按下按下式式产产生硅：生硅：SiC+SiO2Si+SiO+CO在此部位的上方，温度稍低一些，在此部位的上方，温度稍低一些，达达17001500，上升的副，上升的副产产品气体品气体发发生反生反应应形成中形成中间产间产物碳化硅，如下式：物碳化硅，如下式：SiO+CSiC+CO靠近靠近顶顶部，部，这这里的温度低里的温度低于于1500，根据根据热热力学，力学，预预计计逆向反逆向反应应占主占主导导地地 位：位：SiO+COSiO2+C炉炉料料是是从从炉炉顶顶加加入入炉炉内内的的，而而液液态态硅硅从从炉炉底底周周期期性性的的放放出出，铸铸成成锭锭 条条。如如果果铸铸锭锭是是定定向向的的，符符合合被被称称为为正正常常凝凝固固的的条条件件，其其杂杂质质再再分分 布布可可利利用用来来进进行行一一定定提提纯纯：Cs=keffC0(1-g)keff-1，为为了了使使电电弧弧炉炉反反应应 进进行行得得顺顺利利，要要保保持持炉炉料料的的多多孔孔性性，使使得得SiO和和CO能能有有均均匀匀的的气气 流流，并并能能使使CO，SiO和和H2O能能散散出出到到炉炉顶顶，为为此此，加加入入一一些些木木块块在在 炉炉料料中中，而而硅硅石石的的状状态态必必须须是是在在炉炉上上部部加加热热时时不不易易碎碎化化，否否则则会会过过 早熔融，早熔融，结结壳，壳，导导致炉内气致炉内气压过压过高有爆炸的危高有爆炸的危险险。集成电路工艺靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超过223集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY废废气回收气回收废废弃物弃物 分离分离处处 理理蒸蒸馏馏/冷冷凝凝 纯纯化化收集收集反反 应应 器器金属金属氯氯化化废废弃物弃物三三氯氯硅硅烷烷，TCS纯纯度高度高于于99.9999999盐盐酸萃取酸萃取纯纯化化Si+3HClSiHCl3+H2三三氯氯硅硅烷烷,TCS300集成电路工艺废气回收废弃物 分离处 理蒸馏/冷凝 纯化收集24集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY加加热热体体电电极极9001100 SiHCl3+H2Si(SGS)+3HCl石英石英钟钟罩反罩反应应腔腔含硅的三含硅的三氯氯硅硅烷烷气体气体经过经过再一次化学再一次化学过过程并用程并用氢氢气气还还原原 制制备备出出纯纯度度为为99.999999999.9999999 的半的半导导体体级级硅。硅。集成电路工艺加热体电极9001100 含硅的三氯硅烷气25为为什么生什么生产产集成集成电电路必路必须须使用使用单单晶硅？晶硅？集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY这这是是因因为为器器件件的的许许多多电电学学和和机机械械性性质质都都与与它它的的原原子子级级结结构构有有关关。这这就就要要求求原原子子具具有有重重复复性性结结构构，从从而而使使得得芯芯片片与与芯芯片片之之间间的的性性能具有能具有重复性重复性。为什么生产集成电路必须使用单晶硅？集成电路工艺这是因为器件的26Why Silicon?集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYAbundant,cheapSilicon dioxide is very stable,strong dielectric,and it is easy to grow in thermal process.Large band gap,wide operation temperature range.Why Silicon?集成电路工艺Abundant,ch27集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺28沙子沙子 SiO2硅硅单单晶制造流程晶制造流程三三氯氯硅硅烷烷 SiHCl电电弧炉，焦炭弧炉，焦炭还还原原冶金冶金级级多晶硅多晶硅 MGSHCl溶解溶解纯纯化化块块状多晶硅制造状多晶硅制造 粒状多晶硅制造粒状多晶硅制造集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY硅硅单单晶晶电电子子级级多晶硅多晶硅 EGSCz法与区熔法法与区熔法硅单晶制造流程三氯硅烷 SiHCl电弧炉，焦炭还原块状多晶硅29单单晶硅生晶硅生长长集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCZCZ 方法方法CZCZ 晶体拉升器晶体拉升器掺杂掺杂杂质杂质控制控制区熔法区熔法发发展大直径晶展大直径晶锭锭的理由的理由单晶硅生长集成电路工艺CZ 方法30公共公共邮邮箱：箱：集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY密密码码：ictechnology 康康 博博 南南 ： 13756553011公共邮箱：集成电路工艺密码：ictechnology 康 31CZ法定法定义义集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCzochralski(CZ)查查克克洛洛斯斯基基法法生生长长 单单晶晶硅硅，把把熔熔化化了了的的半半导导体体级级硅硅液液体体 变变为为有有正正确确晶晶向向并并且且被被掺掺杂杂成成n型型或或p 型型的的固固体体硅硅锭锭。85以以上上的的单单晶晶硅硅是是 采用采用CZ法生法生长长出来的。出来的。CZ法定义集成电路工艺Czochralski(CZ)查克洛32CZ法特点：法特点：硅片含氧量高。硅片含氧量高。集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY低功低功率率IC的主要原料。的主要原料。占有占有80的市的市场场。制制备备成本成本较较低。低。CZ法特点：硅片含氧量高。集成电路工艺低功率IC的主要原料33籽晶籽晶熔融多晶熔融多晶 硅硅热热屏蔽屏蔽水套水套集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY单单晶硅晶硅石英坩石英坩锅锅碳加碳加热热部件部件晶体拉伸与晶体拉伸与转转 动动机械机械CZCZ拉拉单单晶炉晶炉籽晶熔融多晶 硅热屏蔽水套集成电路工艺单晶硅石英坩锅碳加热部34用用CZCZ方法生方法生长长的硅的硅锭锭Photograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si ingot集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY用CZ方法生长的硅锭Photograph courtesy 35CZ法主要工法主要工艺艺工工程程:籽晶熔接籽晶熔接:加大加加大加热热功率，使多晶硅完全熔化，并功率，使多晶硅完全熔化，并挥发挥发一一伸。伸。颈颈一般要一般要长长于于20mm。集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY定定时时间间后后，将将籽籽晶晶下下降降与与液液面面接接近近，使使籽籽晶晶预预热热几几分分钟钟，俗俗称称“烤烤晶晶”，以以除除去去表表面面挥挥发发性性杂杂质质同同时时可可减减少少热热冲冲击击。引引晶晶和和缩缩颈颈：当当温温度度稳稳定定时时，可可将将籽籽晶晶与与熔熔体体接接触触。此此时时 要要控控制制好好温温度度，当当籽籽晶晶与与熔熔体体液液面面接接触触，浸浸润润良良好好时时，可可 开开始始缓缓慢慢提提拉拉，随随着着籽籽晶晶上上升升硅硅在在籽籽晶晶头头部部结结晶晶，这这一一步步 骤骤叫叫“引引晶晶”，又又称称“下下种种”。“缩缩颈颈”是是指指在在引引晶晶后后略略为为降降低低 温温度度，提提高高拉拉速速，拉拉一一段段直直径径比比籽籽晶晶细细的的部部分分。其其目目的的是是 排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位有位错错的延的延CZ法主要工艺工程:伸。颈一般要长于20mm。集成电路工艺定36放放肩肩：缩缩颈颈工工艺艺完完成成后后，略略降降低低温温度度，让让晶晶体体逐逐渐渐长长大大到到 所所需需的的直直径径为为止止。这这称称为为“放放肩肩”。在在放放肩肩时时可可判判别别晶晶体体是是 否否是是单单晶晶，否否则则要要将将其其熔熔掉掉重重新新引引晶晶。单单晶晶体体外外形形上上的的特特 征征棱棱的的出出现现可可帮帮助助我我们们判判别别，方方向向应应有有对对称称三三条条 棱棱，方向有方向有对对称的四条棱。称的四条棱。体直径逐体直径逐渐变渐变小，此小，此过过程称程称为为收尾。收尾。集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY等等径径生生长长：当当晶晶体体直直径径到到达达所所需需尺尺寸寸后后，提提高高拉拉速速，使使晶晶 体体直直径径不不再再增增大大，称称为为收收肩肩。收收肩肩后后保保持持晶晶体体直直径径不不变变，就是等径生就是等径生长长。此。此时时要要严严格控制温度和拉速不格控制温度和拉速不变变。收尾收尾：随着晶体生随着晶体生长结长结束，采用稍升温，降拉速，使晶束，采用稍升温，降拉速，使晶放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到 所需的直37Czochralski(CZ)Crystal Growth1.Polysilicon charge in silica crucible.集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY3.Shoulder growth,after neck is complete.5.Body growth.2.Start of neck.Seed is dipped to 1400 C melt.4.Start of body,after completion of shoulder.5.Conical tail growth after completion of body.Czochralski(CZ)Crystal Growt38集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCZCZ拉拉单单晶炉晶炉Photograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si crystal puller影影响响直直拉拉法法的的两两个个主主要要参参数数是是拉拉伸伸速速率率和和晶晶体体旋旋转转速速率率。集成电路工艺CZ拉单晶炉Photograph courtes39硅硅掺杂浓掺杂浓度度术语术语集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY浓浓度度(原子数原子数/cm3)杂质杂质材料材料 类类型型1019(重重掺杂掺杂)五价nn-n-nn+三价三价pp-p-pp+硅掺杂浓度术语集成电路工艺浓度(原子数/cm3)杂质材料 类40区熔法晶体生区熔法晶体生长长RF气体入口气体入口 (惰性惰性)熔融区熔融区可移可移动动 RFRF线图线图多晶棒多晶棒 (硅硅)籽晶籽晶惰性气体出口惰性气体出口卡卡盘盘卡卡盘盘集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY区熔法晶体生长RF气体入口(惰性)熔融区可移动 RF线图41区熔法区熔法（Floating Zone method）特点：特点：集成集成电电路工路工艺艺低阻低阻值值硅晶棒、硅晶棒、掺杂掺杂均匀度均匀度较较差。差。INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY硅片含氧量低、硅片含氧量低、纯纯度高。度高。主要用于高功主要用于高功率率IC。制制备备成本比成本比CZ法高。法高。难难生生长长大直径硅晶棒。大直径硅晶棒。区熔法（Floating Zone method）特点：集成42集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY单单晶生晶生长长(Crystal growth)切断切断(Cropping)外径磨削外径磨削(Gringing)平平边边或或V槽磨削槽磨削(Flat or V-notch)切片切片(Slicing)磨磨圆边圆边(Edge Profiling)研磨研磨(Lapping)刻刻蚀蚀(Etching)抛光抛光(Polishing)清洗清洗(Cleaning)品品质检验质检验(Inspection)包装包装(packaging)硅片制造流程硅片制造流程集成电路工艺单晶生长切断外径磨削平边或V槽磨削切片磨圆边研43集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCropping切断切断目的：目的：取取样测样测量量电电阻阻值值及确定及确定结结晶方向，晶方向，并切割出符合阻并切割出符合阻值规值规格的格的长长度范度范围围。Grinding外外径磨削径磨削目的：磨削至客目的：磨削至客户户所需的硅片尺寸大小。所需的硅片尺寸大小。Flat or V-notch平平边边或或V槽磨削槽磨削目的：定位硅片目的：定位硅片结结晶方向晶方向（平平边边或或V 型槽）型槽）硅硅单单晶棒磨削加工晶棒磨削加工集成电路工艺硅单晶棒磨削加工44集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY锯锯刃刃Slicing切片切片目的：硅目的：硅单单晶棒切片晶棒切片Edge profiling磨磨圆圆边边目的：将硅片目的：将硅片边缘锐边缘锐角或微缺陷去角或微缺陷去除除，以减少制造，以减少制造过过程中程中产产生微粒、防止晶生微粒、防止晶 片片边缘边缘破裂及晶格缺陷破裂及晶格缺陷产产生，增加外延生，增加外延层层及光刻胶及光刻胶层层的平坦度。的平坦度。集成电路工艺锯刃Slicing切片目的：硅单晶棒切片Edg45集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYLapping研磨研磨目目的的：通通过过研研磨磨能能除除去去 切切片片和和轮轮磨磨所所造造的的锯锯痕痕 及及表表面面损损伤伤层层，有有效效改改 善善单单晶晶硅硅片片的的曲曲度度、平平 坦坦度度与与平平行行度度，达达到到一一 个个抛抛光光过过程程可可以以处处理理的的 规规格。格。研磨研磨浆浆 料入口料入口集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN46集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY打气泡打气泡酸刻酸刻蚀蚀槽槽清洗水清洗水槽槽1清洗水清洗水槽槽2Etching刻刻蚀蚀目的目的 :经经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应应力而形成的力而形成的 损伤层损伤层，通常采用化学腐，通常采用化学腐蚀蚀去除。去除。Step I:Si+2HNO3SiO2+2HNO2 2HNO2 NO+NO2+H2OStep II:SiO2+6HF H2SiF6+2H2O集成电路工艺打气泡酸刻蚀槽清洗水槽1清洗水槽2Etching47集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYPolishing抛光抛光目目的的：单单晶晶硅硅片片表表面面需需要要改改善善 微微缺缺陷陷，从从而而获获得得高高平平坦坦度度晶晶 片的抛光。片的抛光。粗抛：主要作用去除粗抛：主要作用去除损伤层损伤层，一般去除量一般去除量约约在在1020 m；精抛：主要作用改善晶片表面精抛：主要作用改善晶片表面 的微粗糙程度，一般去除量的微粗糙程度，一般去除量 1 m以下以下主要原料：抛光液由具有主要原料：抛光液由具有SiO2的微的微细悬细悬硅酸胶及硅酸胶及NaOH（或（或KOH或或NH4OH）组组成，成，分分为为粗抛粗抛浆浆和精抛和精抛浆浆。集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN48集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCleaning清洗清洗目的：去除硅片表面的目的：去除硅片表面的污污染物，微染物，微、屬离子、有机物、原生屬离子、有机物、原生 氧化氧化层层等。等。SC1:NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5 1:2:7)SC2:HCl+H2O2+H2O(1:1:6 1:2:8)集成电路工艺Cleaning清洗目的：去除硅片表面的污染物49集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYAfter Edge Rounding (边缘圆边缘圆滑化）滑化）After Lapping (粗磨）粗磨）After Etch (刻刻蚀蚀）After CMP(化学机械研磨）化学机械研磨）After Wafer Sawing (切片）切片）集成电路工艺After Edge Rounding (边缘50集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY控制控制污污染有三道防染有三道防线线:环环境境净净化化（cleanclean roomroom）硅片清洗硅片清洗（waferwafer cleaningcleaning）吸吸杂杂（getteringgettering）实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺控制污染有三道防线:实验室净化及硅片清洗51集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1、空气、空气净净化化From Intel Museum实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN52集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY净净化化级别级别：每立方英尺空气中含有尺度大于：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5 m的粒子的粒子总总数不超数不超过过X个。个。0.5um实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5um53集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYParticle Diameter（m）Class0.10.30.55.013531103503010100300100100010007100001000070100000100000700实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN54集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY高效高效过滤过滤排气除排气除尘尘超超细细玻璃玻璃纤纤 维维构成的多构成的多 孔孔过滤过滤膜：膜：过滤过滤大大颗颗 粒，静粒，静电电吸吸 附小附小颗颗粒粒泵泵循循环环系系统统2022 C4046RH实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺高效过滤排气除尘超细玻璃纤 维构成的多 孔过滤膜55由由于于集集成成电电路路內內各各元元件件及及连连线线相相当当微微 细细，因因此此制制造造过过程程中中，如如果果遭遭到到灰灰尘尘、金金 属属的的污污染染，很很容容易易造造成成芯芯片片内内电电路路功功能能的的 损损坏坏，形形成成短短路路或或断断路路，导导致致集集成成电电路路的的 失失效效！在在现现代代的的VLSI工工厂厂中中，75%的的产产 品品率率下下降降都都来来源源于于硅硅芯芯片片上上的的颗颗粒粒污污染染。成成品品率率提提高高3.8，年年利利率率增增加加1000万万美美 元。元。集成集成电电路工路工艺艺实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY由于集成电路內各元件及连线相当微 细，因此制造过程中，如果遭56集成集成电电路工路工艺艺实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗Contaminants may consist of particles,organic films(photoresist),heavy metals or alkali ions.INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺实验室净化及硅片清洗Contaminants m57集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY外来外来杂质杂质的危害性的危害性例例2.MOS阈值电压阈值电压受碱金属离子的影响受碱金属离子的影响MoxoxqQCCVth VFB 2 f2 sqNA(2 f)当当tox10 nm，QM6.51011 cm-2（10 ppm)时时，Vth0.1 V例例3.MOS DRAM的刷新的刷新时间对时间对重金属离子含量重金属离子含量Nt的要求的要求 1015 cm2，vth=107 cm/s若要求若要求 G100 s，则则Nt 1012 cm-3=0.02 ppb!Gvth Nt1实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺外来杂质的危害性Mox oxqQCCVth 58集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗颗颗粒粘附粒粘附所有可以落在硅片表面的都称作所有可以落在硅片表面的都称作颗颗粒。粒。颗颗粒来源：粒来源：空气空气人体人体设备设备化学品化学品超超级净级净化空气化空气风风淋吹淋吹扫扫、防、防护护服、面服、面 罩、手套等，机器手罩、手套等，机器手/人人特殊特殊设计设计及材料及材料 定期清洗定期清洗超超纯纯化学品化学品 去离子水去离子水集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN59集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗0.2m0.5mNH4OH130-24015-30H2O220-1005-20HF0-10HCl2-71-2H2SO4180-115010-80在在ULSI级级化学化学试剂试剂中的中的颗颗粒粒浓浓度（数度（数目目/ml）集成电路工艺实验室净化及硅片清洗0.2m0.5mNH60INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY各种可能落在芯片表面的各种可能落在芯片表面的颗颗粒粒集成集成电电路工路工艺艺实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY各61集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY粒子附着的机理：静粒子附着的机理：静电电力，范德力，范德华华力，化学力，化学键键等等去除的机理有四种：去除的机理有四种：1 1氧化分解氧化分解2 2溶解溶解3 3对对硅片表面硅片表面轻轻微的腐微的腐蚀蚀去除去除4 4粒子和硅片表面的粒子和硅片表面的电电排斥排斥去除方法去除方法：SC-1,SC-1,megasonicmegasonic（超声清洗）超声清洗）实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等氧化分62集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗金属的玷污来源：化学来源：化学试剂试剂，离子注入、反，离子注入、反应应离子刻离子刻蚀蚀等工等工艺艺量量级级：1010原原子子/cm2FFee,CCuu,NNii,CCrr,WW,TTii NNaa,KK,LLii影响：影响：在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降增增加加p-n结结的漏的漏电电流，减少少数流，减少少数载载流子的寿命流子的寿命集成电路工艺实验室净化及硅片清洗金属的玷污来源：化学试剂，离63集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY不同工不同工艺过艺过程引程引 入的金属入的金属污污染染干法刻干法刻蚀蚀离子注入离子注入去胶去胶水汽氧化水汽氧化910111213Log(concentration/cm2)Fe Ni Cu实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHN64集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗金属金属杂质杂质沉淀到硅表面的机理沉淀到硅表面的机理通通过过金属离子和硅表面金属离子和硅表面终终端的端的氢氢原子之原子之间间的的电电荷荷 交交换换，和硅，和硅结结合。（合。（难难以去除）以去除）氧化氧化时发时发生：硅在氧化生：硅在氧化时时，杂质杂质会会进进入入去除方法：使金属原子氧化去除方法：使金属原子氧化变变成可溶性离子成可溶性离子MMz+z e-还还原原去除溶液去除溶液：SC-1,SC-2（H2O2：强强氧化氧化剂剂）氧化氧化集成电路工艺实验室净化及硅片清洗金属杂质沉淀到硅表面的机理M65电电路工路工艺艺集成集成INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY电负电负性性实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗电路工艺集成CUIT TECHNOLOGY电负性实验室净化及66集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗有机物的玷有机物的玷污污来源：来源：环环境中的有机蒸汽境中的有机蒸汽存存储储容器容器光刻胶的残留物光刻胶的残留物去除方法：去除方法：强强氧化氧化臭臭氧氧干干法法Piranha：H2SO4-H2O2臭氧注入臭氧注入纯纯水水集成电路工艺实验室净化及硅片清洗有机物的玷污来源：67集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY自然氧化自然氧化层层（Native Oxide）在空气、水中迅速生在空气、水中迅速生长长带带来的来的问题问题：接触接触电电阻增大阻增大难实现选择难实现选择性性的的CVD或外延或外延成成为为金属金属杂质杂质源源难难以生以生长长金属硅化物金属硅化物清洗工清洗工艺艺：HFH2O（ca.1:50）实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺自然氧化层（Native Oxide）实验室净化68集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY2、硅片清洗、硅片清洗有机物有机物/光刻光刻 胶的两种清除胶的两种清除 方法：方法：氧等离子体干法刻氧等离子体干法刻蚀蚀：把光刻胶分解：把光刻胶分解 为为气气态态CO2H2O（适用于大多数高分子膜）（适用于大多数高分子膜）注意：高温工注意：高温工艺过艺过程会使程会使污污染物染物扩扩散散进进入硅片或薄膜入硅片或薄膜 前端工前端工艺艺（FEOL）的清洗尤）的清洗尤为为重要重要SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98):H2O2(30)=2:14:1把光刻胶分解把光刻胶分解为为CO2H2O（适合于几乎所有有机物）（适合于几乎所有有机物）实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺2、硅片清洗有机物/光刻 胶的两种清除 方法：氧69集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYNH4OH对对硅有腐硅有腐蚀蚀作用作用RCA标标准清洗准清洗SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）：）：NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:51:2:77080 C,10min碱性（碱性（pH值值7）可以氧化有机膜可以氧化有机膜和金属形成和金属形成络络合物合物缓缓慢溶解原始氧化慢溶解原始氧化层层，并再氧化，并再氧化可以去除可以去除颗颗粒粒OHOHOHOHOHOHRCA clean is “standard process”used to remove organics,heavy metals and alkali ions.实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺NH4OH对硅有腐蚀作用RCA标准清洗OH70集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗SC-2:HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:61:2:87080 C,10min酸性（酸性（pH值值7）可以将碱金属离子可以将碱金属离子及及Al3、Fe3和和Mg2在在SC-1溶溶 液中形成的不溶的液中形成的不溶的氢氢氧化物反氧化物反应应成溶于水的成溶于水的络络合物合物可以可以进进一步去除残留的重金属一步去除残留的重金属污污染（染（如如Au）RCA与超声波振与超声波振动动共同作用，可以有更好的去共同作用，可以有更好的去颗颗粒作用粒作用 2050kHz 或或 1MHz左右。左右。平平行行于于硅硅片片表表面面的的声声压压波波使使粒粒子子浸浸 润润，然然后后溶溶液液扩扩散散入入界界面面，最最后后粒粒子子 完全浸完全浸润润，并成，并成为悬为悬浮的自由粒子。浮的自由粒子。集成电路工艺实验室净化及硅片清洗SC-2:HCl(73%71集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY现现代代CMOS的硅片清洗工的硅片清洗工艺艺清洗温度化学溶化学溶剂剂清除的清除的污污染物染物1H2SO4+H2O2(4:1)120 C,10min有机有机污污染物染物D.I.H2O室温室温NH4OH+H2O2+H2O80 C,10min微微尘尘(1:1:5)(SC1)D.I.H2O室温室温HCl+H2O2+H2O80 C,10min金属离子金属离子(1:1:6)(SC2)D.I.H2O室温室温HF+H2O(1:50)室室温温氧化氧化层层D.I.H2O室温室温23456789干燥干燥实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺现代CMOS的硅片清洗工艺清洗温度化学溶剂清除72集成集成电电路工路工艺艺其它先其它先进进湿法清洗工湿法清洗工艺艺，如，如OhmiFrom IMEC(Interuniversity Microelectronic Center)(1)H2O+O3(18M-cm)实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺其它先进湿法清洗工艺，如OhmiINTEGRAT73把重金属离子和碱金属离子从有源区引把重金属离子和碱金属离子从有源区引导导到不重要到不重要 的区域。的区域。器件正面的碱金属离子被吸器件正面的碱金属离子被吸杂杂到介到介质层质层（钝钝化化 层层），），如如PSG、Si3N4硅片中的金属离子硅片中的金属离子则则被俘被俘获获到体硅中（本征吸到体硅中（本征吸 杂杂）或硅片背面（非本征吸）或硅片背面（非本征吸杂杂）集成集成电电路工路工艺艺3、吸、吸杂杂INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗把重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要 的区域。3、吸74INTE集成集成电电路工路工艺艺GRATED CIRCUIT TECHNOLOGY硅中深能硅中深能级杂质级杂质（SRH中心）中心）扩扩散系数大散系数大容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获获实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗集成电路工艺硅中深能级杂质（SRH中心）扩散系数大实验室净化75集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验实验室室净净化及硅片清洗化及硅片清洗杂质杂质元素从原有陷阱中被元素从原有陷阱中被释释放，成放，成为为可可动动原子原子 吸吸杂杂三步三步骤骤：杂质杂质元素元素扩扩散到吸散到吸杂杂中心中心杂质杂质元素被吸元素被吸杂杂中心俘中心俘获获集成电路工艺实验室净化及硅片清洗杂质元素从原有陷阱中被释放，76INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY通通过过金属离子与硅片表面的金属离子与硅片表面的氢氢离子交离子交换换而被束而被束 缚缚在硅片表面。在硅片表面。被淀被淀积积到硅片表面。到硅片表面。一粒食一粒食盐盐足以足以在在5000片硅片上淀片硅片上淀积积每平方厘米每平方厘米1012个个钠钠离子。离子。集成集成电电路工路工艺艺金属沾金属沾污污途径：途径：INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY通77集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY清洗清洗设备设备兆兆声声清清洗洗采采用用接接近近 1MHz的的 超超声声能能量量，这这种种工工艺艺能能在在更更低低 的的溶溶液液温温度度下下实实现现 更更 有有 效效 的的 颗颗 粒粒 去去 除。除。集成电路工艺清洗设备兆声清洗采用接近 1MHz的 超声能量78集成集成电电路工路工艺艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY清洗清洗设备设备在在喷喷雾雾清清洗洗技技术术中中，湿湿法法 清清洗洗化化学学品品被被喷喷射射到到置置于于 旋旋转转密密封封腔腔内内片片架架的的硅硅片片 上上，每每隔隔清清洗洗步步骤骤后后，去去 离离子子水水清清洗洗液液喷喷射射到到硅硅片片 上上，并并对对去去离离子子水水的的电电阻阻 率率进进行行监监测测，以以确确定定何何时时 所有的化学物