最新半导体器件与工艺6精品课件.ppt

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1、 硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。对于可用于制造半导体器件的硅而言，使用一种特殊纯度级以满足严格的材料和物理要求。 在硅片上制作的芯片的最终质量与开始制作时所采用的硅片的质量有直接关系。如果原始硅片上有缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。 半导体级硅 晶向非常重要，因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的。不同晶向的硅片的化学、电学和机械性质都不一样，这会影响工艺条件和最终的器件性能。如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞就都会沿着这个坐标轴重复地排列。 晶向 硅晶体平面上的方向由一套称做密勒指数的参数所描。在密勒系统的符号里，小括号（）用来表示特殊的平面，

2、而尖括号表示对应的方向。 多晶和单晶结构 晶体生长是把半导体级硅的多晶硅转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅被称为硅单晶锭。现在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski（CZ）法，是按照发明者的名字来命名的。 CZ法生长单晶硅是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n型或p型的固体硅。一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅锭就像籽晶的复制品。为了用CZ法得到单晶硅，在熔化了的硅和单晶硅籽晶的接触面的条件要精确控制。这些条件保证薄层硅能够精确复制籽晶结构，并最后生长成一个大的硅锭。这些是通过CZ拉单晶炉的设备得到的。 单晶硅生长CZ法 单晶硅

3、生长CZ法 坩埚里的硅被拉单晶炉加热，使用电阻加热或射频（RF）加热线圈。电阻加热用于制备大直径的硅锭。当硅被加热时，它变成液体，叫做熔体。籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起，它的旋转方向与坩埚的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因表面张力而提高。籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随着籽晶旋转着从熔体里拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来了。 为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料被加到拉单晶炉的熔体中。纯硅的电阻率大约在 。晶体生长中最常用的掺杂杂质是产生P型硅的三价硼或者产生n型硅的五价磷。通常掺杂杂质不直接加入到熔体中，这是由于掺杂杂质数量非

4、常少。典型的工艺是采用将掺杂杂质加入到被粉碎的硅粉中的形式进行掺杂。 单晶硅生长CZ法 cm5105 . 2 区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中。用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分，因为在熔融晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间。晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。 典型的区熔法硅片直径要比直拉法小。由于不用坩埚，区熔法生长的硅纯度高且含氧量低。 单晶硅生长区熔法 更大直径的硅锭对正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战。300mm的硅锭大约有1米长，并且需要在坩埚中熔化150kg到300k

5、g的半导体级硅。 大直径硅锭 更大直径硅片意味着每个硅片上有更多的芯片，每块芯片的加工和处理时间都减少了，导致设备生产效率提高。更大直径的另一个好处就是在硅片边缘的芯片少了，转化为更高的生产成品率。还有一个好处是由于在同一工艺过程中有更多的芯片，所以在芯片处理过程中，设备的重复利用率提高了。 大直径硅锭 晶体缺陷(crystal defect)就是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断。硅晶体缺陷对半导体的电学特性有破坏作用。随着器件尺寸的缩小以及有源栅区面积的增加，更多的晶体管集成在一块芯片上，缺陷出现在芯片敏感区域的可能性就会增加。这样的缺陷会对先进的IC器件的成品率有负面影响。 硅中主要存

6、在三种普遍的缺陷形式：1.点缺陷：原子层面的局部缺陷2.位错：错位的晶胞3.层错：晶体结构的缺陷硅中的晶体缺陷 点缺陷点缺陷 点缺陷存在于晶格的特定位置。最基本的一种缺陷是空位。这种缺陷是当一个原子从其格点位置移开时出现。另一种点缺陷是间隙原子，它存在于晶体结构的空隙中，当一个原子离开其格点位置并且产生了一个空位时，就会产生间隙原子-空位对，或叫Frenkel缺陷。 硅中的晶体缺陷 位错位错 在单晶中，晶胞形成重复性结构。如果晶胞错位，这种情况就叫做位错。位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意阶段产生。然而，发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅片上的机械应力所造成，例如不均匀的受冷或受热以

7、及超过硅片承受范围的应力。硅中的晶体缺陷 层错层错 层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。滑移就是一种层错，它沿着一个或更多的平面发生滑移。 硅中的晶体缺陷 另一种层错是孪生平面，就是在一个平面上，晶体沿着两个不同的方向生长。 硅是硬而脆的材料，晶体生长后的硅锭对半导体制造来说用处很小。圆柱形的单晶硅锭（又叫单晶锭）要经过一系列的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量测量。硅片制备的基本流程如图所示。 硅片制备整型处理整型处理 硅单晶锭在拉单晶炉中生长完成后，整型处理是接下来的第一步工艺。整型处理包括在切片之前对单晶

8、硅锭做的所有准备步骤。 去掉两端去掉两端 第一步是把硅单晶锭的两端去掉。当两端被去掉后，可用四探针来检查电阻以确定整个硅单晶锭达到合适的杂质均匀度。 径向研磨径向研磨 径向研磨来产生精确的材料直径。由于在晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确，所以硅单晶锭都要长得稍大一点以进行径向研磨。对半导体制造中流水线的硅片自动传送来讲，精确的直径控制是非常关键的。硅片制备整型处理整型处理 硅片定位边或定位槽硅片定位边或定位槽 半导体业界传统上在硅单晶锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。主定位边标明了晶体结构的晶向。还有一个次定位边标明硅片的晶向和导电类型。 硅片制备整型处理整型处理硅片定位边或定

9、位槽硅片定位边或定位槽 硅片定位边在200 mm及以上的硅片已被定位槽所取代。具有定位槽的硅片在硅片上的一小片区域有激光刻上的关于硅片的信息。对300 mm硅片来讲，激光刻印于硅片背面靠近边缘的没有利用到的区域。 对于300 mm硅片，没有利用到的区域是在固定质量区域面积之外，固定质量区域（FQA）是指硅片上容纳芯片的面积。现在没有利用的区域一般是3 mm。硅片制备切片切片 一旦整型处理完成后，硅锭就准备进行切片。对200 mm以下硅片来讲，切片是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成的。使用内圆切割机是因为边缘切割时能更稳定，使之产生平整的切面。 硅片制备切片切片 对300mm的硅片来讲，由

10、于大直径的原因，内圆切割机不再符合要求。300mm的硅锭目前都是用线锯来切片的。线锯在切片过程中减少了对硅片表面的机械损伤。硅片的厚度在切片过程中得到了精确的控制。300mm硅片目前的厚度是77525微米。更厚的硅片能够承受在导体制造高温工艺中的热能以及机械震动。硅片制备磨片和倒角磨片和倒角 切片完成后，要进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行及平坦。磨片是用垫片和带有磨料的浆料利用压力旋转来完成。 硅片边缘抛光修整（又叫倒角）可使硅片边缘获得平滑的半径周线。在硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错。平滑的边缘半径对于将这些影响降到最小。硅片制备刻蚀

11、刻蚀 硅片整型使硅片表面和边缘损伤及沾污。硅片损伤的深度一般有几微米深。为了消除硅片表面的损伤，采用硅片刻蚀或化学刻蚀的技术。硅片经过湿法化学刻蚀工艺消除硅片表面损伤和沾污。在刻蚀工艺中，通常要腐蚀掉硅片表面约20微米的硅以保证所有的损伤都被去掉。硅片制备抛光抛光 制备硅片的最后一步是化学机械平坦化（CMP），它的目标是高平整度的光滑表面。硅片在抛光盘之间行星式的运动轨迹使硅片表面平坦且两面平行。最后硅片的两面都会像镜子一样。 硅片制备清洗清洗 半导体硅片必须被清洗使得在发送给芯片制造厂之前达到超净的洁净状态。清洗规范在过去几年中经历了相当大的发展，使硅片达到几乎没有颗粒和沾污的程度。 硅片制

12、备硅片评估硅片评估 在包装硅片之前，会按照客户要求的规范来检查是否达到质量标准。 包装包装 硅片供应商必须仔细地包装要发货给芯片制造厂的硅片。硅片叠放在有窄槽的塑料片架或“舟”里以支撑硅片。碳氟化合物树脂材料（如特氟纶）常被用于盒子材料使颗粒产生减到最少。另外，特氟纶被作成导体使其不会产生静电释放。 装满硅片后，片架就会放在充满氮气的密封小盒里以免在运输过程中氧化和其他沾污。当硅片到达硅片制造厂时，它们被转移到其他标准化片架里使其在被这些制造设备的加工过程中传送和处理。一种传送容器是能容纳25个硅片的容器，叫做前开口传送盒，它与硅片制造厂里的自动传送系统有连接。 硅片制备质量测量质量测量 对硅

13、片测量来说，硅片的均匀性是关键的。重要的硅片质量要求如下： 物理尺寸 平整度 微粗糙度 氧含量 晶体缺陷 颗粒 体电阻率 硅片制备外延片 在硅外延片中，硅基片作为籽晶在硅片上面生长一薄层硅。新的外延层会复制硅片的晶体结构。由于衬底硅片是单晶，外延层也是单晶。而且，外延层可以是n型也可以是p型，这并不依赖于原始硅片的掺杂类型。外延层的厚度可以不同，用于高速数字电路的典型厚度是0.5到5微米，用于硅功率器件的典型厚度是50到100微米。 硅片的清洗 集成电路制造过程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、扩散和引线蒸发等工序前，采用物理或化学的方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物，以得到符合清洁度要求

14、的硅片表面的过程。 硅片表面的污染物通常以原子、离子、分子、粒子或膜的形式，以物理吸附或化学吸附的方式存在于硅片表面或硅片自身氧化膜中。硅片清洗要求既能去除各类杂质，又不损坏硅片。目前，晶片清洗成为集成电路生产中重复率最高的步骤（对于ULSI有80多道清洗工序）。清洗可分为物理清洗和化学清洗，化学清洗又包括液相清洗和气相清洗等。 颗粒问题 电路的特征尺寸已由微米级降到深亚微米（0.25微米-65纳米）和纳米（50纳米）级的水平，这使得导致电路缺陷的颗粒尺寸下限值也相应苛刻。由于半导体元件制程日益精密复杂，对晶片表面洁净度的要求也日益提高。硅片清洗是半导体器件中最重要、最频繁的步骤，其效率将直接

15、影响到器件的成品率、性能和可靠性。然而在 ULSI制程中，氧化层的厚度已低于10nm，所以清洗后的晶片表面微粗糙度是必须考虑的问题。 颗粒问题 颗粒的危害颗粒的危害 集成电路工艺的重要特性之一是对杂质十分敏感，极微量的杂质都会对器件性能产生影响。但是，器件制作过程中的化学试剂、清洗用的水等都可能成为有害杂质的来源。微电子器件衬底表面的吸附物在p-n结扩散制作或离子注入时形成钉子模型，处于颗粒下面的硅片不能得到掺杂，导致低击穿、管道击穿。 颗粒问题 微粒源及微粒附着微粒源及微粒附着 在清洗过程中，微粒随时都会产生，而微粒源来自于清洗用的超纯水、化学品、环境及气体等。由于单晶硅片极易吸附外来杂质，

16、即使是存放在100级洁净室(1m3空气中不小于0.5尘粒数不多于3500个）内，只要经过一段时间之后，晶片上仍会附着尘埃。 有机物问题 硅片上的油脂等有机杂质（分子型杂质）可用有机溶剂溶除。有机物污染用溶解性很强的三氯乙烯、丙酮和乙醇等有机溶剂浸渍。同时采用加温或者超声波清洗，除尘效果更佳。此外，采用或等氧化剂和硫酸的混合液，在100左右的温度下加热处理510min也很有效。有机污染量不大时，用碱性溶液处理对硅片影响很小，可获得良好的清洗效果。如3:14:1的硫酸和双氧水混合液加热清洗多用于光刻抗蚀剂的剥离。除上述湿法处理外，紫外线和臭氧处理或100150Pa的氧压等离子中灰化后处理方法，也同

17、样用于去除光刻胶等有机物的清洗。 离子问题 在化学清洗中，经常采用生成络合物的方法来清涂硅片表面的杂质，特别是对于那些用“三酸”也难以清除的重金属杂质（金、银、铜、铂等）是很有效的。由原子可以形成简单的分子。许多简单分子之间还可以进一步结合，形成复杂的化合物。络合物就是分子间化合物。 铜、金、铁等重金属元素形成深能级而降低少数载流子的寿命，并产生晶格缺陷，导致硅氧化膜耐压不良或漏电流增大。钠、钾等碱性金属也在氧化膜中变成活性离子，使MOS性能不稳定。因此，清除这些金属杂质是十分必要的。 在硅片加工及器件制造过程中，所有与硅片接触的外部媒介都是硅片沾污杂质的可能来源。这主要包括以下几方面：硅片加

18、工成型过程中的污染、环境污染、水造成的污染、试剂带来的污染、工业气体带来的污染、工艺本身带来的污染、人体造成的污染等。 硅片表面沾污杂质的来源和分类晶片清洗的原理及方法 物理去除法物理去除法 对附着在晶片表面的微尘施加一些物理力，使之从晶片表面离去的方法有刷洗法及超声波清洗等。 刷洗法是最普及的方法，其优点是：去除能力强、可以在短时间内完成清洗工作，但是易对硅片造成损伤，而且它的效率比较低。超声波清洗则是以纯水或碱性药水的药液注入超声波内，使之在清洗中产生“气穴现象”，利用此现象产生的力将微尘从晶片表面分离。晶片清洗的原理及方法 溶解污染物溶解污染物 该方法就是利用药液溶解除去晶片表面的污染物

19、（有机物及无机物）。在半导体清洗的制程中，使用盐酸和过氧化氢的混合溶液（HPM），对去除金属离子很有效。还有一种叫做SPM的混合溶液，可有效地去除有机物及金属污染。 清洗中利用HF来进行氧化膜表面的清洗，是利用HF可以溶解表面氧化层及氧化层中的金属离子，而达到清洗的目的。 晶片清洗的原理及方法 防止污染物的再附着防止污染物的再附着 吸附在硅片表面上的杂质可分为分子型、离子型和原子型3种情况。其中，分子型杂质与硅片表面之间的吸附力较弱，清除这种杂质粒子比较容易。它们多属于油脂类杂质，具有疏水性的特点，对于清除离子型和原子型杂质具有掩蔽作用。因此，在对硅片清洗时，首先应被清除。 离子型杂质和原子型

20、杂质属于化学吸附杂质，其吸附力较强。在一般情况下，原子型吸附杂质的量较小，因此在化学清洗时，先清除掉离子型吸附杂质，然后去除残存的离子型杂质及原子型杂质。最后用高纯去离子水冲洗硅片，再加温烘干或甩干就可得到洁净表面的硅片。 清洗硅片的一般工艺程序为：去分子一去离子一去原子一去离子水冲洗。 硅片清洗的常用方法与技术 湿法化学清洗湿法化学清洗 利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应或溶解作用，或伴以超声、加热措施，使杂质从被清除物体的表面脱附（解吸），然后用大量高纯去离子水冲洗，从而获得洁净表面的过程。 硅片清洗的常用方法与技术 溶液浸泡法溶液浸泡法 溶液浸泡法

21、就是通过将要清除的硅片放入溶液中浸泡来达到清除表面污染目的的一种方法，它是湿法化学清洗中最常用的一种方法。它主要是通过溶液与硅片表面的污染杂质在浸泡过程中发生化学反应及溶解作用，来达到清除硅片表面杂质的目的。 硅片清洗的常用方法与技术 超声波清洗技术超声波清洗技术 超声波清洗是半导体工业中广泛应用的一种清洗方法，该方法的优点是：清洗效果好，操作简单。清洗原理： 在强烈的超声波作用下（常用的超声波频率为20-40kHz左右），液体内部会产生疏部和密部，疏部产生近乎真空的空腔泡，当空腔泡消失的瞬间，其附近便产生强大的局部压力，使分子内的化学键断裂，因此使硅片表面的杂质解吸。当超声波的频率和空腔泡的

22、振动频率共振时，机械作用力达到最大，泡内聚集的大量热能，使温度升高，促进化学反应的发生。硅片清洗的常用方法与技术 兆声波清洗技术兆声波清洗技术 兆声清洗的机理是由高能(850kHz)频振效应并结合化学清洗剂的化学反应对硅片进行清洗的。清洗时不形成超声波清洗那样的气泡，只以高速的流体波连续冲击晶片表面，使硅片表面附着的污染物和微粒被强制除去并进入到清洗液中。这种方法能同时起到机械擦片和化学清洗两种方法的作用。目前，兆声波清洗方法已成为抛光片清洗的一种有效方法。 兆声波清洗示意图硅片清洗的常用方法与技术 激光清洗法激光清洗法 激光清洗是利用激光把表面沾污物浮起，然后利用流动的惰性气体将杂质带走。这

23、种方法可除去表面小于0.1 nm的颗粒，也可去除CMP抛光液残余物、光刻残留物、有害化学物和金属离子等。这种方法可以不消耗水和化学试剂，不受亲水性限制，也不会产生有害的废料。硅片清洗的常用方法与技术 旋转喷淋法旋转喷淋法 旋转喷淋法是指利用机械方法将硅片以较高的速度旋转起来，在旋转过程中通过不断向硅片表面喷液体（高纯去离子水或其他清洗液）而达到清除硅片目的的一种方法。该方法利用所喷液体的溶解（或化学反应）作用来溶解硅片表面的沾污，同时利用高速旋转的离心作用，使溶有杂质的液体及时脱离硅片表面。同时由于所喷淋液体与硅片有较高的相对速度，所以会产生较大的冲击力达到清除吸附杂质的目的。因此，可以说旋转

24、喷淋法既有化学清洗、又有高压擦洗的优点。 同时该法还可以与硅片的甩干工序结合在一起进行。也就是采用去离子水喷淋清洗一段时间后，停止喷水，而采用喷惰性气体，同时还可以通过旋转速度，增大离心力，使硅片表面很快脱水。 湿法清洗的化学品 （1） RCA标准清洗1（SC-1）NH4OHH2O2H2O主要应用在微粒子的清除。利用NH4OH的弱酸性来活化硅晶圆表层，将附着于表面的微粒去除。此外，NH4OH具有很强络合作用，也可同时去除部分金属离子。一般是以NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5的体积比例混合液在70温度下进行5-10min的浸泡清洗，由于清洗液呈碱性，又可分解和去除有机物。（2） RCA标

25、准清洗2（SC-2）HClH2O2H2O主要应用在金属离子的去除，利用HCl所形成的活性离子易与金属离子化合的原理。一般是以HCl:H2O2:H2O=1:1:6之体积比例混合液在70温度下进行5-10min的浸泡清洗。湿法清洗的化学品 （3） SPM清洗H2SO4H2O2主要应用是有机物的去除，利用H2SO4的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键。一般是以H2SO4:H2O=4:1的体积比例混合液在120温度下进行10一15min的浸泡清洗。（4）稀释HF清洗（DHF）HFH2O主要应用在清除晶片表面自然生成的氧化层。由于氧化物层厚有限，一般均可使用稀释处理的氢氟酸（以HF 1最为普遍）在室温下与二

26、氧化硅形成H2SiF6的方式去除。清洗时间为15-30s。 目前，最流行的新的清洗法是使用HF/O3对硅片进行清洗，该清洗法使用较RCA清洗法少的化学试剂与清洗步骤，同时可以达到更优的清洗效果。RCA Clean Step化學溶劑清洗溫度清除之污染物1H2SO4+H2O2(4:1)120C有機污染物2D.I. H2O室溫洗清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC1) 70 - 80C微塵4D.I. H2O室溫洗清5HCl+H2O2+H2O(1:1:6) (SC2) 70 - 80C金屬離子6D.I. H2O室溫洗清7HF+H2O (1:50)室溫原生氧化層8D.I. H2O室溫洗

27、清Kern于1970年发明的RCA标准清洗方法： 干法清洗技术 等离子体清洗技术等离子体清洗技术 等离子体清洗技术在硅片清洗中比较成熟的应用是等离子体去胶（干法去胶）。但是不能去除碳和其他非挥发性金属或金属氧化物，因此还要加一道去除金属杂质的洗液清洗。所谓等离子体去胶是指在反应系统中通入少量的氧气，在强电场作用下，使低气压的氧气产生等离子体，其中活化气（或称活泼的原子态气）可以迅速地使光刻胶氧化成可挥发性气体状态，被机械泵抽走，这样把硅片上的光刻胶膜去除掉。 干法清洗技术 气相清洗气相清洗 气相清洗是指利用液体工艺中对应物质的气相等效物（如去氧化物的HF）与硅片表面的沾污物质相互作用而达到去除杂质的目的的一种清洗方法。通常为达到一个好的结果含水HF工艺必须附加一个颗粒清除过程（如用1号液超声）特别是如果使用最后的旋转冲洗和干燥步骤更应如此。化学消耗少得多，节省了很大的费用。干法清洗技术 束流清洗技术束流清洗技术 束流清洗技术是指利用含有较高能量的束流状的物质流与硅片表面的沾污杂质发生相互作用，而达到清除硅片表面杂质的一种清洗技术。其优点如下：一是清洗液消耗量很少，清洗一个硅片可能只需要几十微升的洗液；二是减少了二次污染的发生。更重要的是，清洗液束流尺寸与亚微米器件图形的几何尺寸以及沾污颗粒的尺寸处于同一数量级，这使管芯上缝隙里的沾污也能被清除。