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微 电 子 工 艺 0绪论、1硅衬底绪论引言微电子工艺发展历程 微电子工艺特点与用途 本课程内容 1 引言 早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。 1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。 基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～） SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI、ASIC 什么是微电子工艺微电子工艺，是指用半导体材料制作微电子产品的方法、原理、技术。不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为单项工艺。不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。微电子工业生产过程图 npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程 ----硅外延平面工艺举例 3 微电子工艺特点及用途超净 环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，ULSI在100级超净室制作，超净台达10级。超纯 指所用材料方面，如衬底材料，功能性电子材料、水、气，工艺材料等； Si、Ge单晶纯度达11个9。高技术含量 设备先进，技术先进。高精度 光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。大批量，低成本 图形转移技术使之得以实现。超净室结构和运行原理示意图超净环境 3.2 主要应用制作微电子分立器件和集成电路微机电系统 (microelectromechanicol System， MEMS)的所依托的微加工技术纳米技术，如光刻—图形复制转移工艺，MBE等 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SoC)---- SoC是一个通过IP设计复用达到高生产率的软/硬件协同设计过程微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等----其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。 4 本课程内容重点介绍单项工艺---原理、主要方法，及其所依托的基础科学。简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。 教材与参考书王蔚 等《集成电路制造技术----原理与工艺》(修订版）电子工业出版社 2013 关旭东 《硅集成电路工艺基础》北京大学出版 2003 Stephen A. C.《微电子制造科学原理与工程技术》电子工业出版社，2003 清华大学《集成电路工艺》多媒体教学课件 2001 第一单元 硅 衬 底 第1章 单晶硅特性 第2章 硅片的制备 第3章 外延第1章 单晶硅特性 1.1 硅晶体的结构特点 1.2 硅晶体缺陷 1.3 硅晶体中杂质 1.1 硅晶体的结构特点硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95％左右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料。 1、硅、锗、砷化镓电学特性比较 锗应用的最早，现只有一些分立器件采用； GaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速IC，及超过GHz的模拟IC使用，以及光电器件从电学特性看硅并无多少优势，但在其它方面有许多优越性能。 硅作为电子材料的优点：原料充分；硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；重量轻，密度只有2.33g/cm3；热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃ ，热导率高，1.50W/cm·℃；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；机械性能良好。 2、硅晶胞 1.2 硅晶向、晶面和堆积模型 2、晶面晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。用晶面指数(h1h2 h3)标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为{100} 立方晶系的[100]晶向和(100)面是垂直的。硅晶面面心立方晶格硅晶体为双层立方密积结构硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面AA′BB′CC′ 双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为{111}晶面的趋势。两层双层密排面之间：原子距离最远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着{111}晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。 解理面（111）面为解理面，即为天然易破裂面。实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。（100）面与（111）面相交成矩形，（100）面硅片破裂时裂纹是呈矩形的；（111）面和其它（111）面相交呈三角形，因此（111）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，呈60°角。硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的硅片作为衬底材料。 第一次课问题：微电子工艺的主要特点? 硅成为IC最主要的衬底材料的原因？在微电子工艺中常采用的硅晶向（面）？硅的双层密排面是指哪个面？它的结构特点及主要特性？ 1.2 硅晶体缺陷在高度完整的单晶硅片中，实际也存在缺陷。有：零维--点缺陷、一维--线缺陷、二、三维--面缺陷和体缺陷晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。 1.2.1 点缺陷本征缺陷空位 A，A+、A - 、A 2- 自间（填）隙原子B ※弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷杂质缺陷替位杂质C 填隙杂质D 杂质缺陷是非本征点缺陷，是指硅晶体中的外来原子。 填隙杂质应尽量避免，它破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大；替位杂质通常是有意掺入的杂质。例如，硅晶体中掺入Ⅲ、Ⅴ族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命。 1.2.2 线缺陷线缺陷最常见的就是位错。位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生了错乱。位错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合。在交界处形成位错。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。刃位错和螺位错位错主要有刃位错和螺位错：位错线与滑移矢量垂直称刃位错；位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。硅晶体的双层密排面间原子价键密度最小，结合最弱，滑移常沿{111}面发生，位错线也就常在{111}晶面之间。该面称为滑移面。刃形位错的运动 1.2.3 面缺陷和体缺陷面缺陷主要是由于原子堆积排列次序发生错乱，称为堆垛层错，简称层错。 体缺陷是杂质在晶体中沉积形成；晶体中的空隙也是一种体缺陷。 缺陷的产生及结团缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种：存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力，诱生位错；晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷；硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。结团现象 高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量。缺陷的去除 缺陷在器件的有源区影应响其性能，必须设法使之减少。单晶生长时的工艺控制；非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。 1.3 硅中杂质半导体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质有故意掺入的和无意掺入的。故意掺入Si中的杂质，如Ⅲ、V族具有电活性的杂质，或Au等能改变硅晶体的某种特性的杂质。无意掺入Si中的杂质有氧，碳等。 Si中杂质类型间隙式杂质 主要是Ⅰ族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。替位式杂质 主要是Ⅲ和Ⅴ族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。间隙—替位式杂质 大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。 1.3.1 杂质对Si电学特性的影响 Ⅲ、V族电活性杂质主要有：硼、磷、砷，锑等浅能级杂质金等杂质在室温时难以电离，多数无电活性，是复合中心，具有降低硅中载流子寿命的作用，是深能级杂质硅晶体中杂质能级和电离能硅的电阻率-掺杂浓度曲线不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫杂质补偿。硅中同时存在磷和硼，若磷的浓度高于硼，那么这就是N型硅。不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度，因为电离的电子首先要填充受主，余下的才能发送到导带。 1.3.2 固溶度和相图一种元素B(溶质)引入到另一种元素A(溶剂)晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，仍保持原A晶体结构，这样的晶体称为固溶体。一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A中的固溶度。固溶体固溶体主要可分为两类： 替位式固溶体和间隙式固溶体。 ■ Si中Ⅲ、V族杂质形成替位式有限固溶体。替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：原子半径相差小于15％，称“有利几何因素” r：Si ：1.17， B ：0.89， P ：1.10 Å；原子外部电了壳层结构相似；晶体结构也应相似。硅晶体中杂质的固溶度掺杂浓度可以超过固溶度。给含杂质原子的硅片加热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的10倍以上。二、相图知识 两相平衡时的数量分配规律－－杠杆规则连续性固溶体：锗-硅相图铝-硅体系相图 纯铝的熔点是660℃，纯硅的熔点是1417，在硅熔体中掺入铝，或在铝熔体中掺入硅，熔体的凝固点都下降，凝固点最小值为577℃，这一点称为共晶点，这一点的组分称为共晶组成，共晶点硅原子占原子总数的11.3%。 砷-硅体系相图两种中间化合物：SiAs和SiAs2。有三个体系，Si-SiAs，SiAs-SiAs2，SiAs2-As。有一重量比为86%As熔融体从高温开始冷却。在温度达1020℃时，固体SiAs从熔体中结晶出来，熔体成为富砷相，直到温度降至944℃，这时液相组成为90%As+10%Si。温度继续下降时，固体的SiAs与一些剩余的熔体结合形成液体+SiAs2相，SiAs被包在SiAs2中。当温度降至786℃，SiAs2和β相都从液相析出。该体系称包晶体系。第二章 硅片的制备 2.1 多晶硅的制备 2.2 单晶硅生长 2.3 硅片制造 2.1 多晶硅的制备制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学的、物理的提纯就制出半导体纯度的多晶硅。电子级多晶硅纯度可达11N。 2.1.1 冶炼冶炼是采用木炭或其它含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的含量在98-99﹪之间，称为冶金级硅，也称为粗硅或硅铁。 SiO2+2C Si+ 2CO↑ 主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu 要进一步提纯。 2.1.2 提纯酸洗 硅不溶于酸，粗硅初步提纯是用HCl、 H2SO4、王水、HF等混酸泡洗至Ｓi含量99.7%以上。－－化学提纯 蒸馏提纯 利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯 。－－物理提纯 Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 → SiCl4 分解 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低，因此，多用H2来还原SiHCl3和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。 SiCl4 + 2H2 →Si + 4HCl SiHCl3 + H2→ Si + 3HCl 2.2 单晶硅生长采用熔体生长法制备单晶硅棒多晶硅→熔体硅→单晶硅棒 按制备时有无使用坩埚又分为两类 有坩埚的：直拉法、磁控直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 。 2.2 内容 2.2.1 直拉法 2.2.2 单晶生长原理 2.2.3 晶体掺杂 2.2.4 磁控直拉法 2.2.5 悬浮区熔法 2.2.1 直拉法----Czochralski， CZ法 1918年，切克劳斯基（J. Czochralski）从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。 在20世纪50年代初期，G. K. Teal和J. B. Little采用类似的方法从熔融硅中拉制出了单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。 目前拉制的单晶硅锭直径已可达450mm，18英寸。 具体直拉方法 1、Cz法单晶炉四部分组成：炉体部分 有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动部分；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；控制部分 电控系统等 2、CZ法工艺流程准备：腐蚀多晶-准备籽晶-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 引晶是将籽晶与熔体很好的接触 缩晶是籽晶与晶锭间缩颈至2-3mm 放肩是将晶体直径放大至需要的尺寸等径生长是在拉杆与坩埚反向匀速转动的同时以一定速度提拉，制出等径单晶收尾是结束单晶生长。 停炉：降温-停气-停止抽真空-开炉籽晶的作用 籽晶是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶有相同的晶向；籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小熔体向晶体转化时必须克服的能垒（即界面势垒）。籽晶对晶锭质量有影响，所选籽晶应晶格完好，表面无划痕、无氧化物缩颈的作用缩颈能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的颈部表面时就终止了。为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。提拉速度控制晶锭的拉升速度、转速，坩埚转速及温度决定着晶体直径的大小，通常坩埚转速及温度是一定的，因此用提拉速度控制晶体直径。晶锭质量对提拉速度也很敏感，在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。点缺陷结团后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。典型的拉杆提拉速度一般在10μm/s左右。 3、CZ法缺点直拉法生长单晶硅，坩埚污染影响大：氧的引入：SiO2→Si+O2 多采用液相掺杂，受杂质分凝、杂质蒸发影响掺杂浓度的均匀性较差。纵向 考虑杂质分凝横向 温度场 CZ法熔料中环流形成熔体表面中心处温度最低，坩埚壁面和底部温度最高。熔体的温度梯度带来密度梯度，坩埚壁面和底部熔体密度最低，表面中心处熔体密度最高。地球重力场的存在使得坩埚上部密度高的熔体向下，而底部、壁面密度低的熔体向上流动，形成自然对流。熔体流动的危害： 1）引起生长条纹的产生，有损晶体均匀性； 2）对流使坩埚中的氧进到熔体表面，使晶体中氧量增加。 第二次课问题：点缺陷主要有哪几种？解释杂质的电活性？若掺入Au后硅的电阻率并未变化，那么这Au有电活性么？杂质的结团作用是指什么？固溶度是指什么？ 2.2.2 单晶生长原理熔体硅→晶体硅晶体生长过程也就是相变过程，是相界面推移过程。 1、结晶的热力学条件 2、结晶动力学对单晶生长速度进行分析：固液界面处，熔体硅必须释放热能（结晶潜能L），并在界面处产生一大的温度梯度（约100℃/cm)。分析一维情况，忽略对流和辐射，在界面处单位体积内的能流平衡时，有：最大提拉速度假设向上扩散到固体的热量都由界面处结晶潜热产生，熔体部分没有温度梯度，则第一项为0，用长度生长速率表征： 2.2.3 晶体掺杂轻掺杂（ n--Si、p--Si），杂质浓度在1014—1016/cm3之间，多用于大功率整流器件；中等掺杂（n-Si、p-Si ），杂质浓度在1016—1018/cm3之间，主要用于IC和晶体管器件； 重掺杂（n+-Si p+-Si），杂质浓度在1018—1020 /cm3之间，是外延用的单晶衬底。掺杂方式方法：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 液相掺杂是直接在坩埚内加入杂质元素或将杂质制作为硅的合金再加入。在计算杂质计量时必须考虑杂质的分凝和蒸发。分凝现象：对于固-液界面，由于杂质在不同相中的溶解度不一样，所以杂质在界面两边材料中分布的平衡浓度是不同的；分凝系数k：对杂质分凝作用的大小描述，定义为杂质在固相中的溶解度与杂质在液相中的溶解度之比： k=Cs/Cl 蒸发现象：是指坩埚中熔体内的杂质从熔体表面蒸发到气相中的现象；蒸发常数E：是用来表征杂质蒸发难易的参数。 N=EACl N:气相杂质浓度，A:液相面积硅中常见杂质的k和e 分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法蒸发常数太大的杂质不能用液相掺杂方法分凝现象对杂质分布均匀性影响在CZ法晶锭中，若熔体结晶速度极为缓慢，杂质在熔融液中始终均匀分布，且杂质在固态晶体内扩散现象不明显，则晶锭轴向杂质分布浓度为：举例: 从含有0.01%磷或硼的熔料中拉硅锭，晶锭顶端杂质的浓度？如果晶锭长1m，在何处杂质浓度是顶端浓度的2倍？晶锭顶端: 母合金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。母合金掺杂原因：掺入杂质剂量很小，如果采用合金的话，就能增加掺入计量，从而减小误差。举例：ρ=1Ω.cm，n-Si，杂质为砷时，由ρ-n曲线，砷杂质浓度6*1015/cm3，硅单位体积原子数5*1022/cm3，5千克硅，只需掺入1毫克砷，计量很小，误差难免， 2、气相掺杂在单晶炉内通入的惰性气体中加入一定量的含掺杂元素的杂质气体。在杂质气氛下，蒸发常数小的杂质部分溶入熔体硅中，掺入单晶体内。无坩埚的悬浮区熔法生长单晶时，一般采用气相掺杂方法。 3、中子辐照（NTD）掺杂 NTD法是一种内掺杂方法，将本征硅单晶放在核反应堆中进行中子辐照，使硅中的天然同位素30Si俘获中子后产生不稳定的31Si， 释放一个电子后生成稳定的31P，从而实现对硅单晶的磷掺杂 硅有三种同位素：其中30Si有中子嬗变现象： 28Si ：92.28% ， 29Si ：4.67% ， 30Si ：3.05%， 30Si 31Si+γ 31Si 31P+e 中子辐照掺杂特点得到高均匀性的NTD硅单晶。最大掺杂浓度，1.53*1021/cm3 为了消除硅单晶在反应堆中受到中子辐照而产生的快中子轰击位错、γ通量感生位错等辐照损伤缺陷，提高中照单晶的少子寿命，需要将NTDSi在HCl、O2、和Ar气氛中进行高温(800℃～950℃)热处理。 2.2.4 磁控直拉法（MCZ法） 在直拉法单晶炉上附加了一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直径的，无氧的，均匀的单晶硅。在CZ法单晶炉上加一强磁场，高传导熔体硅的流动因切割磁力线而产生洛仑兹力，这相当于增强了熔体的粘性，熔体对流受阻。洛仑兹力 F=qν×B 磁场方向 MCZ法拉制Si棒照片北京有色金属总院采用MCZ法生产的12吋硅棒，等经长400mm，晶体重81Kg。 2.2.5 悬浮区熔法（FZ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。 三种方法比较 CZ工艺成熟，可拉出大直径硅锭是目前采用最多的方法，但有氧。 MCZ能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅棒。设备较直拉法复杂得多，强磁场的存在使得生产成本也大幅提高。 悬浮区熔法与直拉法相比，去掉了坩埚，能拉制出无氧高阻单晶，当前FZ硅的电阻率可达5000Ω·cm以上 2.3 硅片制造切片工艺流程： 单晶生长 → 切断 → 滚磨 → 定晶向 → 切片→ 倒角 → 研磨 → 腐蚀 → 抛光 →清洗 → 包装定晶向切片，倒角，抛光切片，（111）（100）切片偏差小于±1°，但外延用（111）片应偏出3±0.5°。 倒角，将切割好的晶片的锐利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生 抛光，单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度的抛光面。抛光的设备：多片式抛光机，单片式抛光机。 抛光的方式：先粗抛，去除损伤层，一般去除量约在10-20μm；再精抛，改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1μm以下。硅片规格及用途 按直径划分按单晶生长方法划分按掺杂情况划分 按用途划分 CZ硅：二极管、外延衬底、太阳能电池、集成电路 MCZ硅：用途和CZ硅相似，性能好于CZ硅 FZ硅：高压大功率器件，可控整流器件外延硅：晶体管，集成电路领域，如逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在集成电路制造中有更好的适用性二极管级单晶硅片 技术参数（隆基硅产业集团产品规格）第三次课问题：籽晶有什么作用？为什么要缩颈？比较CZ、MCZ、FZ三种硅晶锭生长方法的优缺点？为什么在空间微重力实验室能生长优质的CZ硅？拉单晶中杂质得分凝效应是指什么？为什么液相掺杂常采用母合金方法？什么是中子嬗变（辐照）掺杂？
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