半导体硅片（晶圆）制造流程.pptx

硅片（晶圆）制造流程,1,2,晶圆制备的四个步骤,A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）,B：气体到多晶的转变,C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）,D：晶棒到晶圆的制备,芯片制造的第一阶段：材料准备,芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备,3,晶圆制备（1）获取多晶,冶炼 SiO2 + C Si + CO 得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯 酸洗 硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上4,晶圆制备（1）获取多晶,精馏提纯 将酸洗过的硅转化为SiHCl3或 SiCl4， Si + 3HCl （g） SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 SiCl4 好处： 常温下SiHCl3 与SiCl4都是气态， SiHCl3的沸点仅为31 精馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4,5,晶圆制备（1）获取多晶,还原 多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅： SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 原因： 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低,,,,,6,晶圆制备（2）单晶生长,定义: 把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。

按制备时有无使用坩埚分为两类： 有坩埚的：直拉法、磁控直 拉法液体掩盖直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 7,晶圆制备（2）晶体生长,直拉法Czochralski法（CZ法）,方法 在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当晶向的籽晶，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液-固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶起源 1918年由Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术8,直拉法-Czochralski法（CZ法）,晶圆制备（2）晶体生长,,9,（2）晶体生长,直拉法（CZ法）,三部分组成：炉体部分，有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动装置 ；加热控温系统，有光学高温计、加热器、隔热装置等；真空部分，有机械泵、扩散泵、测真空计等晶圆制备（2）晶体生长,,10,直拉法（CZ法）,单晶炉,晶圆制备（2）晶体生长,11,直拉法-Czochralski法（CZ法）,CZ法工艺流程,准备 腐蚀清洗多晶籽晶准备装炉真空操作 开炉 升温水冷通气 生长 引晶缩晶放肩等径生长收尾 停炉 降温停气停止抽真空开炉,晶圆制备（2）晶体生长,12,直拉法（CZ法）,CZ法工艺流程生长部分的步骤,引晶 将籽晶与熔体很好的接触。

缩晶 在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分 直径只有2-3mm，获得完好单晶 放肩 将晶体直径放大至需要的尺寸 等径生长 拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶直径大 小由拉升速度、转速，以及温度控制 收尾 结束单晶生长晶圆制备（2）晶体生长,,13,晶圆制备（2）晶体生长,直拉法（CZ法）,Si棒头部放大,14,晶圆制备（2）晶体生长,液体掩盖直拉法（LEC法）,液体掩盖直拉法用来生长砷化镓晶体本质上它和标准的直拉法（CZ）一样，为砷化镓做了一定改进液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发15,晶圆制备（2）晶体生长,区熔法,直拉法的一个缺点： 坩埚中的氧进入晶体对于有些器件，高水平的氧是不能接受的悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触的界面处生长单晶熔区的存在是由于融体表面张力的缘故，悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒16,晶圆制备（2）晶体生长,区熔法,17,晶圆制备（2）晶体生长,直拉法和区熔法的比较,,18,晶圆制备（2）晶体生长,硅棒举例（北京有色金属总院）,12英寸，等径长400mm，晶体重81Kg。

19,晶圆制备（2）晶体生长,掺杂,直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质 掺杂元素的选择 掺杂方式 杂质分布,20,晶圆制备（2）晶体生长,掺杂,杂质类型的选择,A：掺杂元素的选择,,,21,晶圆制备（2）晶体生长,掺杂,液相掺杂 直接掺元素 母合金掺杂 气相掺杂 中子辐照（NTD）掺杂中子嬗变掺杂技术B：掺杂方式,22,晶圆制备（2）晶体生长,掺杂,将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），再按所需的计量掺入合金 这种方法适于制备一般浓度的掺杂B2：母合金掺杂,B1：直接掺杂,,在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度,23,晶圆制备（2）晶体生长,掺杂,硅有三种同位素：28Si 92.2% , 29Si 4.7% ,30Si 3.0%，其中30Si有中子嬗变现象： 30Si 31Si+ 31Si 31P+ 31P是稳定的施主杂质，对单晶棒进行中子辐照，就能获得均匀的n型硅B2：中子辐照（NTD）掺杂,24,晶圆制备（3）硅片制备,晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查） 切片 研磨 化学机械抛光（CMP） 背处理 双面抛光 边缘倒角 抛光检验 氧化或外延工艺打包封装,硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：,25,,晶圆制备（3）硅片制备,直径滚磨,晶体定向,是由x射线衍射或平行光衍射仪来确定的,26,晶圆制备（3）硅片制备,导电类型的测试： 热点测试仪极性仪,电阻率的测量： 四探针测试仪 电阻率的测量要沿着晶体的轴向进行,晶体准备,27,晶圆制备（3）硅片制备,如何根据参考面辨别晶向和导电类型,28,研磨,化学机械抛光（CMP）,背处理,双面抛光,边缘倒角,抛光检验 氧化或外延工艺打包封装,以获得局部平整度2525mm测量 时小于0.250.18m的规格要求,29,晶圆制备（3）硅片制备,切片,30,芯片制造阶段,集成电路芯片的显微照片,,晶圆的尺寸越来越大（思考下为什么）,。