半导体制程概论ch04.ppt

1、Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,1,Chapter 4晶圓製造和磊晶成長,Hong Xiao, Ph. D. ,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,2,教學目標,說明為何矽比其他半導體材料更被普遍及採用的兩個理由 列出單晶矽所偏愛的兩種晶向 列出從砂形成矽的基本步驟 敘述CZ法和懸浮帶區法 解釋矽磊晶層沉積的目的 敘述磊晶矽沉積的製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Boo

2、k.htm,3,晶體結構,非晶態結構 原子排列完全沒有重複的結構 多晶態結構 原子排列有一些重複的結構單晶態結構 原子排列全部以相同結構重複,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,4,非晶體結構,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,5,晶粒,晶界,多晶態結構,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,6,單晶態結構,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austi

3、n.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,7,為何要用矽?,豐度高, 便宜 二氧化矽非常穩定,強介電質,容易在熱氧化過程中成長一層二氧化矽. 較大的能隙,操作溫度的範圍較大.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,8,矽元素的性質,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,9,單晶矽晶格結構的晶胞,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,10,晶向平面: ,x

4、,y,z, 平面,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,11,晶向平面: ,x,y,z,平面,平面,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,12,晶向平面: ,x,y,z, 平面,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,13,晶向平面的晶格結構,原子,基本晶胞,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,

5、14,晶向平面的晶格結構,矽原子,基本晶胞,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,15,晶圓上的蝕刻斑,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,16,晶圓上的蝕刻斑,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,17,矽原子,雜質原子在取代位置上,法蘭克缺陷,空位或肖特基缺陷,雜質原子在間隙位置上,矽間隙原子,矽晶體缺陷的說明,Hong Xiao, Ph. D.,www2.aus

6、tin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,18,差排缺陷,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,19,從砂到晶圓,石英砂的主要成份是二氧化矽 從砂到冶金級矽 (MGS) MGS 粉末放進反應爐和氯化氫反應生三氯矽烷(TCS) 經由汽化和凝結過程純化三氯矽烷 三氯矽烷和氫氣反應生成電子級矽材料 (EGS) EGS熔化和晶體提拉,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,20,從砂到晶圓(續),端末切除, 側面拋光, 以及磨出平面或

7、是缺口的部分 從晶棒到晶圓切片 邊緣圓滑化, 研磨, 濕式蝕刻製程和化學機械研磨製程(CMP) 雷射畫線(Laser scribe) 磊晶沉積,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,21,從砂到矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,22,矽的純化 I,Si + HCl TCS,矽粉末,氯化氫,過濾器,冷凝器,純化器,99.9999999%純度的三氯矽烷,反應器, 300 C,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.

8、tx.us/HongXiao/Book.htm,23,多晶態沉積, 電子級矽材料,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,24,矽的純化 II,液態三氯矽烷,H2,載送氣體的氣泡,氫和三氯矽烷,製程反應室,TCS+H2EGS+HCl,電子級矽材料,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,25,電子級矽材料,資料來源: http:/ Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,26,晶體提拉

9、:查克洛斯基(CZ)法,石墨坩堝,單晶矽矽棒,單晶矽種晶,石英坩堝,加熱線圈,1415 C,融熔的矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,27,查克洛斯基法晶體提拉,三菱(Mitsubish) 材料矽 資料來源: http:/ Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,28,查克洛斯基法晶體提拉,資料來源: http:/ Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,29,懸浮帶區法(FZ Meth

10、od),加熱線圈,多晶矽棒,單晶矽,種晶,加熱線圈移動,融熔矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,30,兩種方法的比較,查克洛斯基法是較常用的方法 價格便宜 較大的晶圓尺寸 (直徑300 mm ) 晶體碎片和多晶態矽再利用 懸浮帶區法 純度較高(不用坩堝) 價格較高, 晶圓尺寸較小 (150 mm) 分離式功率元件,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,31,矽晶棒拋光,平邊或 刻痕,平邊, 150 mm和更小尺寸,刻痕, 200 mm和更

11、大尺寸,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,32,晶圓切片處理,刻痕方向,晶體晶棒,鋸刀,鑽石薄層,冷卻液,晶棒移動,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,33,不同晶圓尺寸的晶圓厚度,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,34,晶圓邊緣圓滑化處理,晶圓,晶圓移動,邊緣圓滑化前的晶圓,邊緣圓滑化後的晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

12、.tx.us/HongXiao/Book.htm,35,晶圓研磨,粗略研磨 傳統的研磨劑,泥漿研磨 移除表面大部分的損傷 產生平坦的表面,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,36,濕式蝕刻製程,移除晶圓表面的缺陷 將硝酸 (水中濃度79% ), 氫氟酸(水中濃度49% ), 和純醋酸 依照4:1:3 比例混合. 化學反應式: 3 Si + 4 HNO3 + 6 HF 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book

13、.htm,37,化學機械研磨製程,研磨液,研磨墊,壓力,晶圓夾具,晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,38,200 mm的晶圓厚度和表面平坦度的變化,76 mm,914 mm,晶圓切片之後,邊緣圓滑化之後,76 mm,914 mm,12.5 mm,814 mm,2.5 mm,750 mm,725 mm,幾乎是零缺陷的表面,粗磨之後,蝕刻之後,CMP 之後,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,39,磊晶成長,定義 目的 磊晶硬體設備 磊

14、晶製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,40,磊晶：定義,源自於希臘的兩個字 epi: 在某物之上 taxies: 安排好的，有秩序的磊晶沉積製程是在單晶基片上生長一層薄的單晶層.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,41,磊晶：目的,雙載子電晶體的載體層 當維持在高集崩潰電壓時，降低集極電阻. 僅磊晶層. 因為比晶圓晶體有較低的氧碳濃度，可增強動態隨機記憶體(DRAM)和互補型金氧半電晶體積體電路(CMOS IC)的性能,Hong X

15、iao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,42,矽磊晶層在雙載子電晶體的應用,N型磊晶層,p,n,+,n,+,P型晶片,電子流,n,+,深埋層,p+,p+,SiO2,AlCuSi,基極,集極,射極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,43,矽磊晶層在CMOS的應用,P型晶圓,N型井區,P型井區,STI,n+,n+,USG,p+,p+,金屬 1, AlCu,BPSG,W,P型磊晶矽,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/

16、HongXiao/Book.htm,44,矽源材料氣體,矽烷 SiH4 二氯矽烷 DCS SiH2Cl2 三氯矽烷 TCS SiHCl3 四氯化矽 SiCl4,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,45,氣相摻雜物,氫化硼 B2H6 三氫化磷 PH3 砷化氫 AsH3,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,46,二氯矽烷磊晶成長, 摻雜砷化氫,加熱(1100,C),SiH2Cl2,Si + 2HCl,二氯矽烷 磊晶矽 氯化氫,Hong Xiao

17、, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,47,SiH2Cl2,Si,AsH3,As,AsH3,H,HCl,H2,矽磊晶層的成長與摻雜製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,48,磊晶矽薄膜成長速度與溫度關係,成長速率, 微米/分鐘,1000/T(K),溫度 (C),0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1.0,1300,1200,1100,1000,900,800,700,SiH4,SiH2Cl2,SiH

18、Cl3,表面反應控制區,質量傳輸控制區,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,49,筒狀式反應器,輻射加熱線圈,晶圓,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,50,垂直式反應器,加熱線圈,晶圓,反應物,反應物及副產品,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,51,水平式反應器,加熱線圈,晶圓,反應物,反應物及副產品,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin

19、.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,52,磊晶製程, 批次系統,氫氣沖洗, 溫度升高 氯化氫清潔反應器 磊晶薄膜成長 氫氣沖洗, 溫度冷卻 氮氣沖洗 打開反應室, 晶圓卸載和再裝載,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,53,單晶圓反應器,密封反應室, 氫氣圍繞 一主機可以有多個反應室 較大的晶圓尺寸(到 300 mm) 均勻的控制性較佳,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,54,加熱燈管,熱輻射,晶圓,石英窗口,反應物,

20、反應物與副產品,石英舉升支 架,單晶圓磊晶系統,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,55,磊晶製程,單晶圓磊晶系統,氫氣沖洗清潔, 溫度升高 磊晶薄膜成長 氫氣沖洗, 停止加熱 晶圓卸載和再裝載用氯化氫清潔反應室,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,56,為何用氫沖洗,大部分氮氣做為沖洗的氣體 氮相當穩定且豐度高 超過攝氏1000 C, 氮可以和矽反應 氮化矽在晶圓表面會影響磊晶矽沉積製程 因此氫氣被用來吹除淨化磊晶反應室 藉由與晶圓表面的

21、污染物形成氣態的氫化物來清潔晶圓表面,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,57,氫元素的性質,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,58,磊晶層可能的缺陷,差排,表面成核造成堆疊錯誤,雜質微粒,尖凸物,由基片堆疊錯誤造成的堆疊錯誤,在 S.M. Zses 超大型積體電路技術之後,基片,磊晶層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,59,磊晶的未來趨勢,大晶圓尺寸 單晶

22、圓磊晶成長 降低磊晶成長的溫度 超高真空(UHV, 到 10-9 托) 選擇性磊晶,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,60,摘要,矽的豐度高,價格便宜,強介電值和容易氧化成長.和 晶向平面 查克洛斯基法和懸浮帶區法，查克洛斯基法較常用 切片, 切邊, 研磨, 蝕刻和化學機械研磨製程,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,61,摘要,磊晶:單晶體在單晶體之上 為雙載體和高效能的CMOS, DRAM. 矽烷,二氯矽烷,三氯矽烷做為 矽源材料氣體 B2H6 做為P-型矽 摻雜物 PH3 和 AsH3 做為 N-型矽摻雜物 批量和單晶圓磊晶系統,