半导体衬底—集成电路工艺技术课件.pptx

1、集成电路工艺技术集成电路工艺技术集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY第一第一章章 半导体衬底半导体衬底 第第二二章章 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 化学气相沉积化学气相沉积 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 金属化工艺金属化工艺第十第十章章 CMOS工艺流程工艺流程 集成电路工艺集成电路工艺教材：教材：1 1、半导体制造技术，作者、半导体制造技术，作者 Michael Michael QuirkQuirk，电子工业出版社。电子工业出版社

2、。参考参考 2 2、微电子制造科学原理与工程技、微电子制造科学原理与工程技术，作者术，作者 StephenStephen A.A.CampbellCampbell，电子电子INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY工业出版社。工业出版社。晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性晶体生长、晶圆片制造及硅晶圆片的基本特性Crystal Growth,Wafer Fabrication and Basic Properties of Silicon Wafers集成电路工艺集成电路工艺第一章第一章 半导体衬底半导体衬底INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1 1、

3、集成电路发展历程回顾、集成电路发展历程回顾2 2、描描述述天天然然硅硅原原料如何加工提炼成半导体级硅料如何加工提炼成半导体级硅 (semiconductor-grade silicon,SGS)。3 3、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。、解释晶体结构与单晶硅的生长技术。4 4、讨论硅晶体的主要缺陷。、讨论硅晶体的主要缺陷。5 5、简简单单敘敘述述由由硅硅晶锭加工成为硅晶圆的基本步晶锭加工成为硅晶圆的基本步 骤。骤。6 6、说明并讨论晶圆供应商所需进行的、说明并讨论晶圆供应商所需进行的7 7项品质测量项品质测量 项目。项目。7 7、外延层及其重要性。、外延层及其重要性。集成电路工艺集成电路工艺I

4、NTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY课程内容课程内容集成电路发展历程回顾集成电路发展历程回顾集成电路工艺集成电路工艺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”场效应晶体管的提出场效应晶体管的提出 点接触晶体管点接触晶体管面接触晶体管面接触晶体管 第一块第一块集成电路集成电路MOS场效应晶体管场效应晶体管集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1800018000个电子管，占地个电子管

5、，占地150m150m2 2，重，重3030吨，计算速度每秒吨，计算速度每秒50005000次，存储容量千位。次，存储容量千位。集成电路工艺集成电路工艺第一台计算机中第一台计算机中 使用的晶体管。使用的晶体管。INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺集成电路工艺集成电路的划分集成电路的划分LSIVLSIMSISSI小规模小规模，100100个晶体管个晶体管中规模中规模，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 TECHNOLO

6、GY1971年年Intel公司推出的公司推出的 微处理器芯片上只微处理器芯片上只有有2300个个 晶体晶体管管;1982年年Intel80286微处理微处理 器上器上有有13万万4千个晶体千个晶体管管;1 MHz,5V5k Components集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY19591959年开始了集成电路时代年开始了集成电路时代Intel Pentium(III)Microprocessor集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1994100 MHz,3.3V3M ComponentsIntel P

7、entium(IV)Microprocessor19991.2 GHz,1.8V 42M Components集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺集成电路工艺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

8、锡大学大学任任 教，后由于德国日益增长的迫教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式害犹太人的形式 而移居美国，是公司的电容工而移居美国，是公司的电容工程师。他于程师。他于1925 1925 年第一个提出了场效应晶体管年第一个提出了场效应晶体管的概念并于的概念并于1930 1930 年获得专利。年获得专利。19351935 年年,德国物理学家海尔德国物理学家海尔（Oskar Oskar HeilHeil）描述了一种类似于结型场效描述了一种类似于结型场效应晶应晶 体体 管管 的的 结结 构构(O.Heil,British (O.Heil,British Patent 439,457,1935).P

9、atent 439,457,1935).然而，由于材料的然而，由于材料的困难实际困难实际 制制 备备 晶晶 体体 管管 在在 19601960 年年 以以 前前 是是 不不可 能 的可 能 的。Shockley Shockley最初的场效应晶体管的专最初的场效应晶体管的专利申请被完利申请被完 全驳回全驳回；BardeenBardeen，巴丁巴丁(美美国物理学家国物理学家,1956,1972,1956,1972两度获诺贝尔物理两度获诺贝尔物理学奖学奖)的点接触晶的点接触晶 体管的专利也因为有体管的专利也因为有LilienfeldLilienfeld的专利在前，的专利在前，而有超过半数的人而有超过

10、半数的人认为不能通过。认为不能通过。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJohn Bardeen and Walter Brattain(沃尔沃尔特特 布拉布拉顿顿)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,

11、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集成电路工艺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片金箔带用刀划开一片金箔带用刀划开 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，用用一一块三角形的石英晶体块三角形的石英晶体 将其压到将其压到n n型半导体锗材料上作为发射极和型半导体锗材料上作为发射极和集电极，形成集电极，形成 点接触点接触PNPPNP晶晶体管。当一个接触正偏另一个反偏体管。当一个接触正偏另一个反偏时，可以时，可以 观测到把输入信号

12、放大的晶体管效应。观测到把输入信号放大的晶体管效应。INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY肖克莱在点接触肖克莱在点接触 晶体管发明后晶体管发明后，提，提出出 了可以利用两个了可以利用两个p型型 层中间夹一层中间夹一n型层作型层作为半导体放大为半导体放大结构结构的的 构想。并与构想。并与M.Sparks 和和G.K.Teal一起发明一起发明 了单晶锗了单晶锗NPN 结型结型 晶体管。晶体管。集成电路工艺集成电路工艺集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY19581958 年年，德德州仪州仪器器 公司（公司（T TI I）的杰克）的杰克

13、基尔比基尔比（JackJack KilbyKilby），），研制出研制出 了世界上第一块集成了世界上第一块集成电电 路。该电路是在锗衬底上路。该电路是在锗衬底上 制作的相移振荡器和触发制作的相移振荡器和触发 器，共有器，共有1212个器件。器件个器件。器件 之间是介质隔离，器件间之间是介质隔离，器件间 互连线采用的是引线焊接互连线采用的是引线焊接 方法。方法。集成电路的诞生集成电路的诞生集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY罗伯罗伯特特诺伊斯诺伊斯（Robert Noyce）杰克杰克.基尔比和罗伯基尔比和罗伯特特诺伊斯诺伊斯两个集成电路的独立发明人两

14、个集成电路的独立发明人ITYJILIN UNIVERS集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY人类智力的一次飞跃人类智力的一次飞跃瑞典皇家科学院将瑞典皇家科学院将20002000年诺年诺贝贝 尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞尔物理奖授予俄罗斯圣彼得堡约飞 物理技术研究所物理技术研究所的的阿尔弗洛夫博士阿尔弗洛夫博士,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罗克罗 默教授默教授和美国和美国T TI I公公司司的的基尔比教授基尔比教授,他他 们是因们是因为为高速晶体管高速晶体管,激光二极激光二极管管 和和集成电路集成电路而荣获此项奖励的而荣获此

15、项奖励的.其其 中中,阿尔弗洛夫和克罗默将分享阿尔弗洛夫和克罗默将分享奖奖 金的金的1/2,1/2,而基尔比教授则独得奖而基尔比教授则独得奖金金 的另一半的另一半.集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY制备半制备半导导体级硅体级硅 (SGS)的的过程过程步骤步骤过程描述过程描述反应方反应方程程式式1用碳加用碳加热热硅石来制备冶金级硅石来制备冶金级 硅硅 (MGS)。SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)2通过化通过化学学反应将冶金级硅提反应将冶金级硅提 纯以生纯以生成成三氯硅烷气三氯硅烷气体体。Si(s)+3HCl(g)Si

16、HCl3(g)+H2(g)+热热3利用西利用西门门子方子方法法，通过三氯，通过三氯 硅烷和硅烷和氢氢气反应来生产半导气反应来生产半导 体级硅体级硅 (SGS)。2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)半导体级硅半导体级硅集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY用 来 做 芯 片 高 纯 硅 称 为 半 导 体 级 硅用 来 做 芯 片 高 纯 硅 称 为 半 导 体 级 硅（semiconductor-grade semiconductor-grade silicon)silicon)，或或SGSSGS。得到得到SGSSGS的第一

17、步是在还原气的第一步是在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石体环境中，通过加热含碳的硅石（SiOSiO2 2)，一种纯沙，来生产冶金级硅。一种纯沙，来生产冶金级硅。在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有9 98 8。由于冶金级硅的。由于冶金级硅的 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用处。通常将冶金何用处。通常将冶金 级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯

18、 度为度为99.999999999.9999999 的半导体级硅。的半导体级硅。这种生产纯这种生产纯SGSSGS的工艺称为西门子工艺。三氯的工艺称为西门子工艺。三氯硅烷和氢气被注入到硅烷和氢气被注入到 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化学反应。几天后行化学反应。几天后 工艺过程结束，将淀积的工艺过程结束，将淀积的SGSSGS棒切成用于硅晶体生长的小片。棒切成用于硅晶体生长的小片。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCondense SiOSiO+COSiO2+C1500Form SiCFrom SiO

19、 and C Melt SiO2SiO+2CSiC+CO1780SIO2+CSiO+CO SiC+SiO2Si+SiO+COLiquid SiDischarge SiQuartziteCoke(焦焦炭炭)Wood chipCO,SiO,H2OEffluentinput元素元素浓度（浓度（ppma)Al12001400Fe16003000B3745P2730Ca590Cr50140Cu2490Mn7080Mo10Ni4080Ti150200Zr30MGS一般杂质种类与浓度一般杂质种类与浓度埋弧电炉生产冶金级硅埋弧电炉生产冶金级硅集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TEC

20、HNOLOGY靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超靠近炉子底部，在电极的电弧区，此处的温度超过过2000，按下按下式产生硅：式产生硅：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，上升的副产，上升的副产品气体发生反应形成中间产物碳化硅，如下式：品气体发生反应形成中间产物碳化硅，如下式：SiO+CSiC+CO靠近顶部，这里的温度低靠近顶部，这里的温度低于于1500，根据热力学，预根据热力学，预计计逆向反应占主导地逆向反应占主导地 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

21、硅从从炉炉底底周周期性的放出，铸成锭期性的放出，铸成锭 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条件，其杂质再分的条件，其杂质再分 布可利用来进行一定提纯布可利用来进行一定提纯：Cs=keffC0(1-g)keff-1，为了为了使电弧使电弧炉反炉反应应 进行得顺利，要保持炉料的多孔性，使得进行得顺利，要保持炉料的多孔性，使得SiO和和CO能有均匀的气能有均匀的气 流，并能流，并能使使CO，SiO和和H2O能散出到炉顶，为此，加入一些木块在能散出到炉顶，为此，加入一些木块在 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易碎

22、化，否则会过不易碎化，否则会过 早熔融，结壳，导致炉内气压过高有爆炸的危险。早熔融，结壳，导致炉内气压过高有爆炸的危险。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY废气回收废气回收废弃物废弃物 分离处分离处 理理蒸蒸 馏馏/冷 凝冷 凝 纯化纯化收集收集反反 应应 器器金属氯化废弃物金属氯化废弃物三氯硅烷三氯硅烷，TCS纯度高纯度高于于99.9999999盐酸萃取纯化盐酸萃取纯化Si+3HClSiHCl3+H2三氯硅烷三氯硅烷,TCS300集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY加热体加热体电极电极9001100

23、SiHCl3+H2Si(SGS)+3HCl石英钟罩反应腔石英钟罩反应腔含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原 制备出纯度为制备出纯度为99.999999999.9999999 的半导体级硅。的半导体级硅。为什么生产集成电路必须使用单晶硅？为什么生产集成电路必须使用单晶硅？集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY这是因为器件的许多电学和机械性质都这是因为器件的许多电学和机械性质都 与它的与它的原子级结构原子级结构有关。这就要求原子具有关。这就要求原子具有有 重复性结构重复性结构，从而使得芯片与芯片

24、之间，从而使得芯片与芯片之间的性的性 能具有能具有重复性重复性。Why Silicon?集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Abundant,cheapSilicon dioxide is very stable,strong dielectric,and it is easy to grow in thermal process.Large band gap,wide operation temperature range.集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY沙子沙子 SiO2硅单晶制造流程硅单晶制

25、造流程三氯硅烷三氯硅烷 SiHCl电弧炉，焦炭还原电弧炉，焦炭还原冶金级多晶硅冶金级多晶硅 MGSHCl溶解纯化溶解纯化块状多晶硅制造块状多晶硅制造 粒状多晶硅制造粒状多晶硅制造集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY硅单晶硅单晶电子级多晶硅电子级多晶硅 EGSCz法与区熔法法与区熔法单晶硅生长单晶硅生长集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY CZCZ 方法方法 CZCZ 晶体拉升器晶体拉升器 掺杂掺杂 杂质控制杂质控制 区熔法区熔法 发展大直径晶锭的理由发展大直径晶锭的理由公共邮箱：公共邮箱：集成电路工艺集

26、成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY密码密码：ictechnology 康康 博博 南南 ： 13756553011CZ法定义法定义集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCzochralski(CZ)查克洛斯基法生长查克洛斯基法生长 单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体 变为有正确晶向并且被掺杂成变为有正确晶向并且被掺杂成n型或型或p 型的固体硅锭。型的固体硅锭。85以上的单晶硅是以上的单晶硅是 采用采用CZ法生长出来的。法生长出来的。CZ法特点：法特点：硅片含氧量高。硅片含氧量高。集成电路

27、工艺集成电路工艺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的市场。的市场。制备成本较低。制备成本较低。籽晶籽晶熔融多晶熔融多晶 硅硅热屏蔽热屏蔽水套水套集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY单晶硅单晶硅石英坩锅石英坩锅碳加热部件碳加热部件晶体拉伸与转晶体拉伸与转 动机械动机械CZCZ拉单晶炉拉单晶炉用用CZCZ方法生长的硅锭方法生长的硅锭Photograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si ingot集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED C

28、IRCUIT TECHNOLOGYCZ法主要工艺工法主要工艺工程程:籽晶熔接籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一伸。颈一般要长伸。颈一般要长于于20mm。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，热几分钟，俗俗称称“烤晶烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。引晶和缩颈：引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时接触。此时 要控制好温

29、度，当籽晶与熔体液面接触，浸润要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可良好时，可 开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步晶，这一步 骤叫骤叫“引晶引晶”，又称，又称“下种下种”。“缩颈缩颈”是指在引晶后略为降低是指在引晶后略为降低 温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是。其目的是 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错的延有位错的延放肩放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到 所需

30、的直径为止。这称所需的直径为止。这称为为“放放肩肩”。在放肩时可判别晶体是。在放肩时可判别晶体是 否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特 征征棱的出现可帮助我们判别棱的出现可帮助我们判别，方向应有对称三条方向应有对称三条 棱棱，方向有对称的四条棱。方向有对称的四条棱。体直径逐渐变小，此过程称为收尾。体直径逐渐变小，此过程称为收尾。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY等径生长等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶 体直径不再增大，称为收肩

31、。收肩后保持晶体直径不变，体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。收尾收尾：随着晶体生长结束，采用稍升温，降拉速，使晶随着晶体生长结束，采用稍升温，降拉速，使晶Czochralski(CZ)Crystal Growth1.Polysilicon charge in silica crucible.集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY3.Shoulder growth,after neck is complete.5.Body growth.2.Star

32、t 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.集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCZCZ拉单晶炉拉单晶炉Photograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si crystal puller影响直拉法的两个主要影响直拉法的两个主要 参数参数是是拉伸速拉伸速率率和和晶晶体体 旋转速旋转速率率。硅掺杂浓度

33、术语硅掺杂浓度术语集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY浓度浓度(原子数原子数/cm3)杂质杂质材料材料 类型类型1019(重掺杂重掺杂)五价nn-n-nn+三价三价pp-p-pp+区熔法晶体生长区熔法晶体生长RF气体入口气体入口 (惰性惰性)熔融区熔融区可移动可移动 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盘卡盘卡盘卡盘集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY区熔法区熔法（Floating Zone method）特点：特点：集成电路工艺集成电路工艺低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较

34、差。低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较差。INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY硅片含氧量低、纯度高。硅片含氧量低、纯度高。主要用于高功主要用于高功率率IC。制备成本比制备成本比CZ法高。法高。难生长大直径硅晶棒。难生长大直径硅晶棒。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY单晶生长单晶生长(Crystal growth)切断切断(Cropping)外径磨削外径磨削(Gringing)平边或平边或V槽磨削槽磨削(Flat or V-notch)切片切片(Slicing)磨圆边磨圆边(Edge Profiling)研磨研磨(Lapping)刻蚀

35、刻蚀(Etching)抛光抛光(Polishing)清洗清洗(Cleaning)品质检验品质检验(Inspection)包装包装(packaging)硅片制造流程硅片制造流程集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCropping切断切断目的：目的：取样测量电阻值及确定结晶方向，取样测量电阻值及确定结晶方向，并切割出符合阻值规格的长度范围。并切割出符合阻值规格的长度范围。Grinding外外径磨削径磨削目的：磨削至客户所需的硅片尺寸大小。目的：磨削至客户所需的硅片尺寸大小。Flat or V-notch平边或平边或V槽磨削槽磨削目的：定位硅片目的：定位

36、硅片结晶方向结晶方向（平平边边或或V 型槽）型槽）硅单晶棒磨削加工硅单晶棒磨削加工集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY锯刃锯刃Slicing切片切片目的：硅单晶棒切片目的：硅单晶棒切片Edge profiling磨磨圆圆边边目的：将硅片边缘锐角或微缺陷去目的：将硅片边缘锐角或微缺陷去除除，以减少制造过程中产生微粒、防止晶，以减少制造过程中产生微粒、防止晶 片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加外延层及光刻胶层的平坦度。片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加外延层及光刻胶层的平坦度。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYL

37、apping研磨研磨目的：通过研磨能除去目的：通过研磨能除去 切片和轮磨所造的锯痕切片和轮磨所造的锯痕 及表面损伤层，有效改及表面损伤层，有效改 善单晶硅片的曲度、平善单晶硅片的曲度、平 坦度与平行度，达到一坦度与平行度，达到一 个抛光过程可以处理的个抛光过程可以处理的 规格。规格。研磨浆研磨浆 料入口料入口集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY打气泡打气泡酸刻蚀槽酸刻蚀槽清洗水清洗水槽槽1清洗水清洗水槽槽2Etching刻蚀刻蚀目的目的 :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

38、层，通常采用化学腐蚀去除。损伤层，通常采用化学腐蚀去除。Step I:Si+2HNO3SiO2+2HNO2 2HNO2 NO+NO2+H2OStep II:SiO2+6HF H2SiF6+2H2O集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYPolishing抛光抛光目的：单晶硅片表面需要改善目的：单晶硅片表面需要改善 微缺陷，从而获得高平坦度晶微缺陷，从而获得高平坦度晶 片的抛光。片的抛光。粗抛：主要作用去除损伤层，粗抛：主要作用去除损伤层，一般去除量约一般去除量约在在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

39、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的微细悬硅酸胶及的微细悬硅酸胶及NaOH（或（或KOH或或NH4OH）组成，组成，分为粗抛浆和精抛浆。分为粗抛浆和精抛浆。集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYCleaning清洗清洗目的：去除硅片表面的污染物，微目的：去除硅片表面的污染物，微、屬离子、有机物、原生屬离子、有机物、原生 氧化层等。氧化层等。SC1:NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5 1:2:7)SC2:HCl+H2O2+H2O(1:1:6 1:2:8)集成电路工艺集成电路工艺INTE

40、GRATED CIRCUIT TECHNOLOGYAfter Edge Rounding (边缘圆滑化）边缘圆滑化）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）集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY控制污染有三道防线控制污染有三道防线:环境净化环境净化（cleanclean roomroom）硅片清洗硅片清洗（waferwafer cleaningcleaning）吸杂吸杂（getteringgettering）实验室

41、净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY1、空气净化、空气净化From Intel Museum实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5 m的粒子总数不超的粒子总数不超过过X个。个。0.5um实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYParticle Diameter（m）Cla

42、ss0.10.30.55.013531103503010100300100100010007100001000070100000100000700实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY高效过滤高效过滤排气除尘排气除尘超细玻璃纤超细玻璃纤 维构成的多维构成的多 孔过滤膜：孔过滤膜：过滤大颗过滤大颗 粒，粒，静电吸静电吸 附小附小颗粒颗粒泵泵循循环环系系统统2022 C4046RH实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗由于集成电路內各元件及连线相当微由于集成电路內各元件及连线相当微 细，因此制造过程中，如果遭到灰

43、尘、金细，因此制造过程中，如果遭到灰尘、金 属的污染，很容易造成芯片内电路功能的属的污染，很容易造成芯片内电路功能的 损坏，形成短路或断路，导致集成电路的损坏，形成短路或断路，导致集成电路的 失效！在现代的失效！在现代的VLSI工厂中工厂中，75%的产的产 品率下降都来源于硅芯片上的颗粒污染。品率下降都来源于硅芯片上的颗粒污染。成品率提成品率提高高3.8，年利率增加，年利率增加1000万美万美 元。元。集成电路工艺集成电路工艺实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺集成电路工艺实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗Cont

44、aminants may consist of particles,organic films(photoresist),heavy metals or alkali ions.INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY外来杂质的危害性外来杂质的危害性例例2.MOS阈值电压受碱金属离子的影响阈值电压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的刷新时间

45、对重金属离子含量的刷新时间对重金属离子含量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实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗颗粒粘附颗粒粘附所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。颗粒来源：颗粒来源：空气空气人体人体设备设备化学品化学品超级净化空气超级净化空气风淋吹扫、防护服、面风淋吹扫、防护服、面 罩、手套等，机器手罩、手套等，机器手

46、/人人特殊设计及材料特殊设计及材料 定期清洗定期清洗超纯化学品超纯化学品 去离子水去离子水集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗0.2m0.5mNH4OH130-24015-30H2O220-1005-20HF0-10HCl2-71-2H2SO4180-115010-80在在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数级化学试剂中的颗粒浓度（数目目/ml）INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY各种可能落在芯片表面的颗粒各种可能落在芯片表面的颗粒集成电路工艺集成电路工艺实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅

47、片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键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对硅片表面轻微的腐蚀去除对硅片表面轻微的腐蚀去除4 4粒子和硅片表面的电排斥粒子和硅片表面的电排斥 去除方法去除方法：SC-1,SC-1,megasonicmegasonic（超声清洗）超声清洗）实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗实验室净化及

48、硅片清洗金属的玷污来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺量级量级：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结的漏电流，减少少数载流子的寿命结的漏电流，减少少数载流子的寿命集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY不同工艺过程引不同工艺过程引 入的金属污染入的金属污染干法刻蚀干法刻蚀离子注入离子注入去胶去胶水汽氧化水汽氧化910111213

49、Log(concentration/cm2)Fe Ni Cu实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗金属杂质沉淀到硅表面的机理金属杂质沉淀到硅表面的机理 通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷 交换，和硅结合。（难以去除）交换，和硅结合。（难以去除）氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子MMz+z e-还原还原去除溶液去除溶

50、液：SC-1,SC-2（H2O2：强氧化剂）强氧化剂）氧化氧化电路工艺电路工艺集成集成INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY电负性电负性实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗有机物的玷污有机物的玷污来源：来源：环境中的有机蒸汽环境中的有机蒸汽 存储容器存储容器 光刻胶的残留物光刻胶的残留物去除方法：强氧化去除方法：强氧化 臭臭氧氧干干法法 Piranha：H2SO4-H2O2 臭氧注入纯水臭氧注入纯水集成电路工艺集成电路工艺INTEGRATED CIR