晶圓詳細(xì)介紹

1、目錄1.01晶圓2.01制造過程3.01著名晶圓廠商4.01制造工藝4.1 2表面清洗4.2 3初次氧化4.3 4 熱 CVD4.4 5熱處理4.5 6除氮化硅4.6 7離子注入4.7 8退火處理4.8 9去除氮化硅層4.10 去除SIO2層4.11 干法氧化法4.12 濕法氧化4.13 氧化4.14 形成源漏極4.15 沉積4.16 沉積摻雜硼磷的氧化層4.17 深處理5.01專業(yè)術(shù)語1.01晶圓晶圓（Wafer）是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅芯片，由于其形狀為圓形，故稱為 晶圓。晶圓是生產(chǎn)集成電路所用的載體，一般意義晶圓多指單晶硅圓片。晶圓是最常用的半導(dǎo)體材料，按其直徑分為4英寸、5英寸

2、、6英寸、8英寸等規(guī)格，近來發(fā)展出12英寸甚至研發(fā)更大規(guī)格（14英口寸、15英口寸、16英口寸、20英口寸以上等）。晶圓 越大，同一圓片上可生產(chǎn)的IC就越多，可降低成本；但對(duì)材料技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的要求更高， 例如均勻度等等的問題。一般認(rèn)為硅晶圓的直徑越大，代表著這座晶圓廠有更好的技術(shù)，在生產(chǎn)晶圓的過程當(dāng)中，良品率是很重要的條件。2.01制造過程二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化并經(jīng)蒸儲(chǔ)后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99.999999999%,因在精密電子元件當(dāng)中，硅晶圓需要有相當(dāng)?shù)募兌?，不然?huì)產(chǎn)生缺陷。 晶圓制造廠再以柴可拉斯基法將此多晶硅熔解，再于溶液內(nèi)摻入一小粒的硅晶體晶種，然后將其

3、慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆小晶粒在融熔態(tài)的硅原料中逐漸生成，此過程稱為“長(zhǎng)晶”。硅晶棒再經(jīng)過切片、研磨、拋光后，即成為集成電路工 廠的基本原料一一硅晶圓片，這就是“晶圓”。很簡(jiǎn)單的說，單晶硅圓片由普通硅砂拉制提煉，經(jīng)過溶解、提純、蒸儲(chǔ)一系列措施制成單晶硅棒，單晶硅棒經(jīng)過切片、拋光之后，就成為了晶圓。晶圓經(jīng)多次光掩模處理，其中每一次的步驟包括感光劑涂布、曝光、顯影、腐蝕、滲 透、植入、刻蝕或蒸著等等，將其光掩模上的電路復(fù)制到層層晶圓上，制成具有多層線路與元件的IC晶圓，再交由后段的測(cè)試、切割、封裝廠，以制成實(shí)體的集成電路成品，從晶圓 要加工成為產(chǎn)品需要專業(yè)精細(xì)的分工。

4、3.01著名晶圓廠商只制造硅晶圓基片的廠商例如合晶（臺(tái)灣股票代號(hào)：6182）、中美晶（臺(tái)灣股票代號(hào)：5483）、信越化學(xué)等。晶圓制造廠著名晶圓代工廠有臺(tái)積電、聯(lián)華電子、格羅方德（ Global Fundries）及中芯國際等。英 特爾（Intel）等公司則自行設(shè)計(jì)并制造自己的IC晶圓直至完成并行銷其產(chǎn)品。三星電子等則兼有晶圓代工及自制業(yè)務(wù)。南亞科技、瑞晶科技（現(xiàn)已并入美光科技，更名臺(tái)灣美光內(nèi)存 卜Hynix、美光科技（Micron）等則專于內(nèi)存產(chǎn)品。日月光半導(dǎo)體等則為晶圓產(chǎn)業(yè)后段的封裝、 測(cè)試廠商。4.01制造工藝4.02表面清洗晶圓表面附著大約 2um的Al2O3和甘晶圓，油混合液保護(hù)層，在

5、制作前必須進(jìn)行化學(xué)刻 蝕和表面清洗。4.03初次氧化由熱氧化法生成SiO2緩沖層，用來減小后續(xù)中 Si3N4對(duì)晶圓的應(yīng)力氧化技術(shù)：干法氧 化Si（固）+O2 a SiO2（固）和濕法氧化 Si（固）+2H2O a SiO2（固）+2H2。干法氧化通常用來形 成，柵極二氧化硅膜，要求薄，界面能級(jí)和固定電荷密度低的薄膜。干法氧化成膜速度慢于濕法。濕法氧化通常用來形成作為器件隔離用的比較厚的二氧化硅膜。當(dāng)SiO2膜較薄時(shí)，膜厚與時(shí)間成正比。SiO2膜變厚時(shí)，膜厚與時(shí)間的平方根成正比。因而，要形成較厚 SiO2 膜，需要較長(zhǎng)的氧化時(shí)間。SiO2膜形成的速度取決于經(jīng)擴(kuò)散穿過SiO2膜到達(dá)硅表面的 02及

6、0H基等氧化劑的數(shù)量的多少。濕法氧化時(shí)，因在于 0H基Si02膜中的擴(kuò)散系數(shù)比 02 的大。氧化反應(yīng)，Si表面向深層移動(dòng)， 距離為Si02膜厚的0.44倍。因此，不同厚度的Si02 膜，去除后的Si表面的深度也不同。Si02膜為透明，通過光干涉來估計(jì)膜的厚度。這種干 涉色的周期約為200nm,如果預(yù)告知道是幾次干涉，就能正確估計(jì)。對(duì)其他的透明薄膜，如知道其折射率，也可用公式計(jì)算出（dSiO2）/（dox）=（nox）/（nSiO2） 。 Si02膜很薄時(shí)，看不到干涉色，但可利用 Si的疏水性和Si02的親水性來判斷 Si02膜是否存在。也可用干涉膜計(jì)或 橢圓儀等測(cè)出。Si02和Si界面能級(jí)密度

7、和固定電荷密度可由M0S二極管的電容特性求得。（100）面的Si的界面能級(jí)密度最低，約為 10E+10- 10E+11/cm ?2.eV-1數(shù)量級(jí)。（100）面時(shí)， 氧化膜中固定電荷較多，固定電荷密度的大小成為左右閾值的主要因素。4.04 熱 CVD熱 CVD（HotCVD）/（thermalCVD）此方法生產(chǎn)性高，梯狀敷層性佳（不管多凹凸不平，深孔中的表面亦產(chǎn)生反應(yīng)，及氣體可到達(dá)表面而附著薄膜）等，故用途極廣。膜生成原理，例如由揮發(fā)性金屬鹵化物（MX）及金屬有機(jī)化合物（MR）等在高溫中氣相化學(xué)反應(yīng)（熱分解，氫還原、氧化、替換反應(yīng)等）在基板上 形成氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、高熔點(diǎn)

8、金屬、金屬、半導(dǎo)體等薄膜方法。 因只在高溫下反應(yīng)故用途被限制，但由于其可用領(lǐng)域中，則可得致密高純度物質(zhì)膜，且附著強(qiáng)度極強(qiáng)，若用心控制，則可得安定薄膜即可輕易制得觸須（短纖維）等，故其應(yīng)用范圍極廣。熱CVD法也可分成常壓和低壓。低壓 CVD適用于同時(shí)進(jìn)行多片基片的處理，壓力一般控 制在0.25-2.0Torr之間。作為柵電極的多晶硅通常利用HCVD法將SiH4或Si2H。氣體熱分解（約650oC）淀積而成。采用選擇氧化進(jìn)行器件隔離時(shí)所使用的氮化硅薄膜也是用低壓 CVD法，利用氨和 SiH4或Si2H6反應(yīng)面生成的，作為層間絕緣的SiO2薄膜是用SiH4和O2 在 400-45000c 的溫度下形

9、成 SiH4+O2-SiO2+2H2 或是用 Si（OC2H5）4（TEOS:tetra ethoxy silanc）和O2在750oC左右的高溫下反應(yīng)生成的，后者即采用TEOS形成的SiO2膜具有臺(tái)階側(cè)面部被覆性能好的優(yōu)點(diǎn)。前者，在淀積的同時(shí)導(dǎo)入 PH3氣體，就形成磷硅玻璃（PSG:phosphor silicate glass）再導(dǎo)入 B2H6 氣體就形成 BPSG（borro ? phosphor silicate glass）膜。這 兩種薄膜材料，高溫下的流動(dòng)性好，廣泛用來作為表面平坦性好的層間絕緣膜。4.05熱處理在涂敷光刻膠之前，將洗凈的基片表面涂上附著性增強(qiáng)劑或?qū)⒒旁诙栊詺怏w

10、中進(jìn)行 熱處理。這樣處理是為了增加光刻膠與基片間的粘附能力，防止顯影時(shí)光刻膠圖形的脫落以及防止?jié)穹ǜg時(shí)產(chǎn)生側(cè)面腐蝕（sideetching）。光刻膠的涂敷是用轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時(shí)間可自由設(shè)定的甩膠機(jī)來進(jìn)行的。首先、用真空吸引法將基片吸在甩膠機(jī)的吸盤上，把具有一定粘度的光刻膠滴在基片的表面，然后以設(shè)定的轉(zhuǎn)速和時(shí)間甩膠。由于離心力的作用，光刻膠在基片表面均勻地展開，多余的光刻膠被甩掉， 獲得一定厚度的光刻膠膜，光刻膠的膜厚是由光刻膠的粘度和甩膠的轉(zhuǎn)速來控制。所謂光刻膠，是對(duì)光、電子束或 X線等敏感，具有在顯影 液中溶解性的性質(zhì)，同時(shí)具有耐腐蝕性的材料。一般說來，正型膠的分辨率高，而負(fù)型膠具有感光度以及和

11、下層的粘接性能好等特點(diǎn)。光刻工藝精細(xì)圖形（分辨率，清晰度），以及與其他層的圖形有多高的位置吻合精度（套刻精度）來決定，因此有良好的光刻膠，還要有好的曝光系統(tǒng)。4.06除氮化硅此處用干法氧化法將氮化硅去除4.07離子注入離子布植將硼離子 （B+3）透過SiO2膜注入襯底，形成 P型阱離子注入法是利用電場(chǎng) 加速雜質(zhì)離子，將其注入硅襯底中的方法。離子注入法的特點(diǎn)是可以精密地控制擴(kuò)散法難以得到的低濃度雜質(zhì)分布。MOS電路制造中，器件隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截?cái)啵{(diào)整閥值電壓用的溝道摻雜，CMOS的阱形成及源漏區(qū)的形成，要采用離子注入法來摻雜。 離子注入法通常是將欲摻入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)在離子源中離子

12、化，然后將通過質(zhì)量分析磁極后選定了離子進(jìn)行加速，注入基片中。4.08退火處理去除光刻膠放高溫爐中進(jìn)行退火處理以消除晶圓中晶格缺陷和內(nèi)應(yīng)力，以恢復(fù)晶格的完整性。使植入的摻雜原子擴(kuò)散到替代位置，產(chǎn)生電特性。4.09去除氮化硅層用熱磷酸去除氮化硅層，摻雜磷（P+5）離子，形成 N型阱，并使原先的SiO2膜厚度增加，達(dá)到阻止下一步中 n型雜質(zhì)注入P型阱中。4.10 去除SIO2層退火處理，然后用 HF去除SiO2層。4.11 干法氧化法干法氧化法生成一層 SiO2層，然后LPCVD 沉積一層氮化硅。此時(shí)P阱的表面因SiO2 層的生長(zhǎng)與刻蝕已低于 N阱的表面水平面。這里的 SiO2層和氮化硅的作用與前面

13、一樣。 接下來的步驟是為了隔離區(qū)和柵極與晶面之間的隔離層。光刻技術(shù)和離子刻蝕技術(shù)利用光刻技術(shù)和離子刻蝕技術(shù)，保留下柵隔離層上面的氮化硅層。4.12 濕法氧化生長(zhǎng)未有氮化硅保護(hù)的SiO2層，形成 PN之間的隔離區(qū)。生成SIO2薄膜熱磷酸去除氮化硅，然后用HF溶液去除柵隔離層位置的SiO2 ,并重新生成品質(zhì)更好的SiO2薄膜，作為柵極氧化層。4.13 氧化LPCVD沉積多晶硅層，然后涂敷光阻進(jìn)行光刻，以及等離子蝕刻技術(shù)，柵極結(jié)構(gòu)，并 氧化生成SiO2保護(hù)層。4.14 形成源漏極表面涂敷光阻，去除 P阱區(qū)的光阻，注入神 (As)離子，形成 NMOS的源漏極。用 同樣的方法，在 N阱區(qū)，注入 B離子形

14、成PMOS的源漏極。4.15 沉積利用PECVD沉積一層無摻雜氧化層，保護(hù)元件，并進(jìn)行退火處理。4.16 沉積摻雜硼磷的氧化層含有硼磷雜質(zhì)的 SiO2層，有較低的熔點(diǎn)，硼磷氧化層(BPSG)加熱到800 oC時(shí)會(huì)軟化并有流動(dòng)特性，可使晶圓表面初級(jí)平坦化。4.17 深處理濺鍍第一層金屬利用光刻技術(shù)留出金屬接觸洞，濺鍍鈦+氮化鈦+鋁+氮化鈦等多層金屬膜。離子刻蝕出布線結(jié)構(gòu)，并用PECVD在上面沉積一層 SiO2介電質(zhì)。并用SOG (spin on glass)使表面平坦，加熱去除 SOG中的溶劑。然后再沉積一層介電質(zhì)，為沉積第二層金 屬作準(zhǔn)備。(1)薄膜的沉積方法根據(jù)其用途的不同而不同，厚度通常小

15、于1um 。有絕緣膜、半導(dǎo)體薄膜、金屬薄膜等各種各樣的薄膜。薄膜的沉積法主要有利用化學(xué)反應(yīng)的CVD(chemicalvapor deposition)法以及物理現(xiàn)象的 PVD(physical vapor deposition) 法兩大類。CVD 法有外 延生長(zhǎng)法、HCVD , PECVD等。PVD有濺射法和真空蒸發(fā)法。一般而言，PVD溫度低，沒有毒氣問題；CVD溫度高，需達(dá)到1000 oC以上將氣體解離，來產(chǎn)生化學(xué)作用。PVD沉積到材料表面的附著力較CVD差一些，PVD適用于在光電產(chǎn)業(yè)，而半導(dǎo)體制程中的金屬導(dǎo)電膜大多使用PVD來沉積，而其他絕緣膜則大多數(shù)采用要求較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腃VD技術(shù)。以PVD被

16、覆硬質(zhì)薄膜具有高強(qiáng)度，耐腐蝕等特點(diǎn)。(2)真空蒸發(fā)法(Evaporation Deposition )采用電阻加熱或感應(yīng)加熱或者電子束等 加熱法將原料蒸發(fā)淀積到基片上的一種常用的成膜方法。蒸發(fā)原料的分子(或原子)的平均自由程長(zhǎng)(10 -4 Pa以下，達(dá)幾十米)，所以在真空中幾乎不與其他分子碰撞可直接到達(dá)基 片。到達(dá)基片的原料分子不具有表面移動(dòng)的能量，立即凝結(jié)在基片的表面，所以，在具有臺(tái)階的表面上以真空蒸發(fā)法淀積薄膜時(shí)，一般，表面被覆性(覆蓋程度)是不理想的。但若可 將Crambo真空抽至超高真空 (<10 - 8 torr )，并且控制電流，使得欲鍍物以一顆一顆原 子蒸鍍上去即成所謂分子

17、束磊晶生長(zhǎng)(MBE : Molecular Beam Epitaxy )。(3)濺鍍(Sputtering Deposition ) 所謂濺射是用高速粒子(如僦離子等)撞擊固 體表面，將固體表面的原子撞擊出來，利用這一現(xiàn)象來形成薄膜的技術(shù)即讓等離子體中的離子加速，撞擊原料靶材，將撞擊出的靶材原子淀積到對(duì)面的基片表面形成薄膜。濺射法與真空蒸發(fā)法相比有以下的特點(diǎn)：臺(tái)階部分的被覆性好，可形成大面積的均質(zhì)薄膜，形成的薄膜，可獲得和化合物靶材同一成分的薄膜，可獲得絕緣薄膜和高熔點(diǎn)材料的薄膜，形成的薄膜和下層材料具有良好的密接性能。因而，電極和布線用的鋁合金(Al-Si,Al-Si-Cu )等都是利用濺射

18、法形成的。最常用的濺射法在平行平板電極間接上高頻(13.56MHz )電源，使僦氣(壓力為 1Pa )離子化，在靶材濺射出來的原子淀積到放到 另一側(cè)電極上的基片上。為提高成膜速度，通常利用磁場(chǎng)來增加離子的密度，這種裝置稱 為磁控濺射裝置( magnetron sputter apparatus),以高電壓將通入惰性僦體游離，再藉由陰 極電場(chǎng)加速吸引帶正電的4004的50mm晶圓和 Core 2 Duo的300mm晶圓離子，撞擊在陰極處的靶材， 將欲鍍物打出后沉積在基板上。 一般均加磁場(chǎng)方式增加電 子的游離路徑，可增加氣體的解離率，若靶材為金屬，則使用 DC電場(chǎng)即可，若為非金屬 則因靶材表面累積正電荷，導(dǎo)致往后的正離子與之相斥而無法繼續(xù)吸引正離子，所以改為RF電場(chǎng)(因場(chǎng)的振蕩頻率變化太快，使正離子跟不上變化，而讓 RF-in的地方呈現(xiàn)陰極效 應(yīng))即可解決問題。光刻技術(shù)定出 VIA孔洞沉積第二層金屬，并刻蝕出連線結(jié)構(gòu)。然后，用 PECVD法氧化層和氮化硅保護(hù)層。光刻和離子刻蝕定出PAD位置。最后進(jìn)行退火處理以