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文档简介
1、5.1 概述概述 在这一章里,主要介绍沙子转变成晶体,以在这一章里,主要介绍沙子转变成晶体,以及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆,最早使用的是圆,最早使用的是1英寸,而现在英寸,而现在300mm直径的直径的晶圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大,单晶圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大,单个芯片的生产成本就越低。然而,直径越大,晶个芯片的生产成本就越低。然而,直径越大,晶体结构上和电学性能的一致性就越难以保证,这体结构上和电学性能的一致性就越难以保证,这正是对晶圆生
2、产的一个挑战。正是对晶圆生产的一个挑战。5.2衬底材料的要求衬底材料的要求a.导电类型:导电类型:P或或Nb.电阻率:电阻率:0.001100000cmc.寿命:一般要求几到几千微秒寿命:一般要求几到几千微秒d.晶格完整性晶格完整性e.纯度高:一般常说的纯度高:一般常说的9个个9,微量杂质对半导体材,微量杂质对半导体材 料的性能影响很大。微量杂质主要有受主、施主、料的性能影响很大。微量杂质主要有受主、施主、 重金属、碱金属及非金属等。重金属、碱金属及非金属等。f.晶向晶向: 111、110及及等,对于等,对于 双极硅器件,一般要求双极硅器件,一般要求111晶晶 向,向,MOS硅器件为硅器件为晶
3、向,砷化晶向,砷化 镓为镓为晶向。晶向。g.要求一定的直径和均匀性,并给出主次要求一定的直径和均匀性,并给出主次 定位面定位面 此外,禁带宽度要适中,迁移率要高,杂此外,禁带宽度要适中,迁移率要高,杂质补偿度低,等等。质补偿度低,等等。5.3 半导体硅制备半导体硅制备 制造制造IC级的硅晶圆分级的硅晶圆分4个阶段进行:个阶段进行: a.矿石到高纯气体的转变矿石到高纯气体的转变 b.气体到多晶的转变气体到多晶的转变 c.多晶到单晶,掺杂晶棒的转变多晶到单晶,掺杂晶棒的转变 d.晶棒到晶圆的制备晶棒到晶圆的制备 半导体级硅:用来制作芯片的高纯硅半导体级硅:用来制作芯片的高纯硅(SGS),纯度达到)
4、,纯度达到99.9999999%,是,是地球上最纯的物质之一。有一种称为多晶地球上最纯的物质之一。有一种称为多晶或多晶硅的晶体结构。或多晶硅的晶体结构。制造制造SGS过程:过程:1. 用碳加热硅石来制备冶金级硅用碳加热硅石来制备冶金级硅 )()()()(2gCOgSiOlSiSiOsSiC2.通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷硅烷)()()(3)(23gHgSiHClgHClsSi3.利用西门子方法,通过三氯硅烷和氢气反利用西门子方法,通过三氯硅烷和氢气反应来生产应来生产SGS)(6)(2)(2)(223gHClsSigHgSiHCl 西门子反应器西门
5、子反应器 三氯硅烷和氢气被注入到西门子三氯硅烷和氢气被注入到西门子反应器中,然后在加热的超纯硅棒上进行化学反反应器中,然后在加热的超纯硅棒上进行化学反应(硅棒温度为应(硅棒温度为1100),几天后工艺结束,将),几天后工艺结束,将淀积的淀积的SGS棒切成用于晶体生长的小片。棒切成用于晶体生长的小片。3.4晶体材料晶体材料晶体:原子在整个材料里重复排列成非常固定的结晶体:原子在整个材料里重复排列成非常固定的结 构构非晶体或无定形结构:原子没有固定的周期性排列非晶体或无定形结构:原子没有固定的周期性排列 的材料的材料3.4.1晶胞晶胞 在晶体材料中,对于长程有序的原子模式最基本在晶体材料中,对于长
6、程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。的实体就是晶胞。 晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元,它给出了晶体结构。单元,它给出了晶体结构。 晶胞有一个框架结构,像一个立方体。与硅技术晶胞有一个框架结构,像一个立方体。与硅技术相关的晶体结构是立方结构,这里是考虑面心立相关的晶体结构是立方结构,这里是考虑面心立方结构。方结构。 在一个晶体结构中,晶胞紧密地排列,因此存在在一个晶体结构中,晶胞紧密地排列,因此存在共有原子。共有原子。 在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间的结合能会引起材料的许多特性。的结合能会引起材
7、料的许多特性。 如果晶胞移动了整数倍的矢量,可以找到如果晶胞移动了整数倍的矢量,可以找到一个与原来完全一样的新的晶胞。一个与原来完全一样的新的晶胞。 每个晶体材料具有独一无二的晶胞。每个晶体材料具有独一无二的晶胞。 晶胞的重要性在于晶体作为一个整体可以晶胞的重要性在于晶体作为一个整体可以通过分析一个具有代表性的单元来研究。通过分析一个具有代表性的单元来研究。 硅晶胞原子排列具有金刚石结构硅晶胞原子排列具有金刚石结构 砷化镓晶体的晶胞结构称为闪锌矿结构砷化镓晶体的晶胞结构称为闪锌矿结构 晶格:在晶体中原子的周期重复性的排列,晶格:在晶体中原子的周期重复性的排列,晶体材料具有特定的晶格结构,并且原
8、子晶体材料具有特定的晶格结构,并且原子位于晶格结构的特定点。晶格总是包含一位于晶格结构的特定点。晶格总是包含一个能代表整个晶格结构的单元个能代表整个晶格结构的单元晶胞。晶胞。3.4.2 多晶和单晶多晶和单晶 多晶:晶胞间不是规则排列的多晶:晶胞间不是规则排列的 单晶:晶胞间整洁而规则地排列单晶:晶胞间整洁而规则地排列3.4.3晶体定向晶体定向 晶向决定了在硅片中晶体结构的物理排列晶向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。和机械性质都不一样。 密勒指数:晶面通过一系列密勒指数的三密勒指数:晶面通过一系列密勒指数
9、的三个数字组合来表示。个数字组合来表示。 在密勒系统符号里,小括号()用来表示在密勒系统符号里,小括号()用来表示特殊平面,尖括号特殊平面,尖括号表示对应的方向,符表示对应的方向,符号是由平面与坐标轴交点而定的。号是由平面与坐标轴交点而定的。 如果晶体是单晶结构,那么所有的晶胞都如果晶体是单晶结构,那么所有的晶胞都会沿着这个坐标轴重复排列。会沿着这个坐标轴重复排列。3.5 晶体生长晶体生长 半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。 这种半导体材料叫做晶棒,是从大块的具有多这种半导体材料叫做晶棒,是从大块的具有多 晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。晶结构
10、和未掺杂的本征材料生长得来的。 把多晶块转变成一个大单晶,并给予正确的定把多晶块转变成一个大单晶,并给予正确的定 向和适量的向和适量的N型或型或P型掺杂,叫做晶体生长。型掺杂,叫做晶体生长。 有三种不同的生长方法:直拉法有三种不同的生长方法:直拉法 、区熔法、区熔法 和和 液体掩盖直拉法液体掩盖直拉法.3.5.1 直拉法直拉法 大部分的单晶都是大部分的单晶都是通过直拉法生长的。生通过直拉法生长的。生产过程如图所示。产过程如图所示。旋转卡盘籽晶生长晶体射频加热线圈熔融硅3.5.2 液体掩盖直拉法液体掩盖直拉法 此方法主要用来生长此方法主要用来生长砷化镓晶体,和标准的直砷化镓晶体,和标准的直拉法一
11、样,只是做了一些拉法一样,只是做了一些改进。由于熔融物里砷的改进。由于熔融物里砷的挥发性通常采用一层氧化挥发性通常采用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发。故得其名,如砷的挥发。故得其名,如图所示。图所示。籽晶晶体砷化镓熔化物氧化硼层 特点特点 直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时精确地复制籽晶结构,得到合适的硅锭直精确地复制籽晶结构,得到合适的硅锭直径并且限制杂质引入到硅中。径并且限制杂质引入到硅中。 优点:工艺成熟,便于控制晶体外形和电优点:工艺成熟,便于控制晶体外形和电学参数,能成功地拉制低位错、大直径的学参数,能成功地拉制低位
12、错、大直径的硅单晶,尤其制备硅单晶,尤其制备10-4 cmcm特殊低阻单晶。特殊低阻单晶。 缺点:难以避免来自石英坩埚和加热装置缺点:难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染,因而只能生产低阻单晶。另的杂质污染,因而只能生产低阻单晶。另外,由于存在杂质分凝效应和蒸发效应,外,由于存在杂质分凝效应和蒸发效应,以及搅拌不均匀所形成的界面杂质积累层以及搅拌不均匀所形成的界面杂质积累层等,还会使拉制的硅单晶沿轴向的电阻率等,还会使拉制的硅单晶沿轴向的电阻率不一致,杂质缺陷较多。不一致,杂质缺陷较多。 另外,由于应用了石英坩埚(另外,由于应用了石英坩埚(SiO2),从),从而在硅单晶中引入了氧。氧含量的
13、典型值而在硅单晶中引入了氧。氧含量的典型值为为0.22*1018cm-3以上。当单晶生长过程中以上。当单晶生长过程中经经300600 温度范围的退火时,氧将获温度范围的退火时,氧将获得电活性,其作用如同施主,从而使电阻得电活性,其作用如同施主,从而使电阻率改变。率改变。 如果硅的纯度高,在高真空或大流量高纯如果硅的纯度高,在高真空或大流量高纯氩气氛下拉晶,通过合理的热场设计,以氩气氛下拉晶,通过合理的热场设计,以及控制好温度和拉晶时的工艺参数等因素,及控制好温度和拉晶时的工艺参数等因素,可控制氧含量。可控制氧含量。 CZ单晶生长期间的掺杂单晶生长期间的掺杂 能够预知拉制晶体中掺杂剂的浓度很重要
14、,能够预知拉制晶体中掺杂剂的浓度很重要,因为存在着分凝的过程,浓度问题并不像因为存在着分凝的过程,浓度问题并不像初看上去那么直截了当。初看上去那么直截了当。 定义一个分凝系数定义一个分凝系数K0 K0=Cs/CL 对于直拉生长硅中的大多数杂质,对于直拉生长硅中的大多数杂质,K01,意味着这些杂质倾向于处在液相中。意味着这些杂质倾向于处在液相中。3.5.3区熔法区熔法另一种晶体生长的方另一种晶体生长的方法是区熔法,是法是区熔法,是20世世纪纪50年代发展起来的,年代发展起来的,在特殊需要中使用,在特殊需要中使用,所生产的单晶硅锭的所生产的单晶硅锭的氧含量很低,并且能氧含量很低,并且能生产到目前为
15、止最纯生产到目前为止最纯的硅单晶。生长系统的硅单晶。生长系统如图所示。如图所示。通入惰性气体惰性气体(氩气)上卡盘多晶硅棒下卡盘熔融区籽晶滑动射频线圈行进方向 主要用来生长高纯、高阻、长寿命、低氧、主要用来生长高纯、高阻、长寿命、低氧、低碳含量的晶体,但不能生长大直径的单低碳含量的晶体,但不能生长大直径的单晶,并且晶体有较高的位错密度。这种工晶,并且晶体有较高的位错密度。这种工艺生长的低氧单晶主要使用在高功率的晶艺生长的低氧单晶主要使用在高功率的晶闸管和整流器上。闸管和整流器上。 同样,由于存在分凝和蒸发效应,固同样,由于存在分凝和蒸发效应,固液液界面不平坦,工艺卫生、气氛等影响,仍界面不平坦
16、,工艺卫生、气氛等影响,仍然存在纵向、横向电阻率的不均匀。然存在纵向、横向电阻率的不均匀。3.5.4几种工艺的比较几种工艺的比较3.5.5单晶生长过程中位错的控制单晶生长过程中位错的控制 把籽晶刚插入熔料中时,籽晶体内有很大把籽晶刚插入熔料中时,籽晶体内有很大温度梯度,结果导致单晶中的高应力,并温度梯度,结果导致单晶中的高应力,并产生位错,在高温过程中它们可以生长或产生位错,在高温过程中它们可以生长或收缩,并对器件特性有害。收缩,并对器件特性有害。 在生长过程中可以从单晶中排除它们,单在生长过程中可以从单晶中排除它们,单晶生长时,拉晶速率先快后慢。晶生长时,拉晶速率先快后慢。3.5.6影响晶体
17、生长速率的参数影响晶体生长速率的参数1、温度和拉晶速率,先进单晶炉使用计算机、温度和拉晶速率,先进单晶炉使用计算机控制。控制。2、系统的气体流量和单晶及坩埚的转数,普、系统的气体流量和单晶及坩埚的转数,普遍使用红外线温度传感器。遍使用红外线温度传感器。3.5.7未来趋势未来趋势CZ单晶生长过程最新的两个变更:单晶生长过程最新的两个变更:1.在在CZ生长期间使用磁场,生长期间使用磁场,MCZ。2.另一种正在研究的提高晶体性能均匀性的另一种正在研究的提高晶体性能均匀性的方法是双层坩埚法。方法是双层坩埚法。3.6 晶体和晶圆质量晶体和晶圆质量晶体缺陷:就是在重复排列的晶胞结构中出晶体缺陷:就是在重复
18、排列的晶胞结构中出现的任何中断。现的任何中断。缺陷密度:在工艺过程中,由于各种原因在缺陷密度:在工艺过程中,由于各种原因在每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。减少缺每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。减少缺陷密度是提高硅片成品率的重要方面。陷密度是提高硅片成品率的重要方面。 晶体缺陷会产生于晶体生长和后面的硅锭晶体缺陷会产生于晶体生长和后面的硅锭(生长后的单晶硅)和硅片的各项工艺中。生长后的单晶硅)和硅片的各项工艺中。 在硅中主要普遍存在的缺陷形式有:在硅中主要普遍存在的缺陷形式有: 1.点缺陷点缺陷 2. 位错位错 3.原生缺陷(层错)原生缺陷(层错)3.6.1点缺陷点缺陷 点缺陷存在于晶格的特定位
19、置点缺陷存在于晶格的特定位置 点缺陷对于理解半导体制造工艺的掺杂和点缺陷对于理解半导体制造工艺的掺杂和扩散过程很重要。对于任何热处理工艺,扩散过程很重要。对于任何热处理工艺,特别是快速热处理,应尽量避免缺陷的产特别是快速热处理,应尽量避免缺陷的产生,这对于产品的合格率有重要的影响。生,这对于产品的合格率有重要的影响。 主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构引起的应力所产生的缺陷,构引起的应力所产生的缺陷, 最常见的点最常见的点缺陷是在晶格位置缺失一个原子,这是一缺陷是在晶格位置缺失一个原子,这是一种空位缺陷。如图所示种空位缺陷。如图所示 与之紧密联系的一种点
20、缺陷是一个原子不与之紧密联系的一种点缺陷是一个原子不在晶格位置上,而是处在晶格位置之间,在晶格位置上,而是处在晶格位置之间,称为填隙原子,如果填隙原子与晶格原子称为填隙原子,如果填隙原子与晶格原子是同一种材料,就是自填隙原子。是同一种材料,就是自填隙原子。 有时填隙原子是原子脱离附近晶格的位置有时填隙原子是原子脱离附近晶格的位置形成的,并在原晶格位置处留下一个空位,形成的,并在原晶格位置处留下一个空位,这种空位和填隙的组合称为弗仑克尔缺陷。这种空位和填隙的组合称为弗仑克尔缺陷。 填隙原子和空位并不总停留在它们产生时填隙原子和空位并不总停留在它们产生时的位置,这两种缺陷都可以在晶体中运动,的位置
21、,这两种缺陷都可以在晶体中运动,也可能迁移到晶体的表面,并在表面消失。也可能迁移到晶体的表面,并在表面消失。 空位和自填隙原子都是本征缺陷空位和自填隙原子都是本征缺陷。 如同人们谈到的半导体中本征载流子的情如同人们谈到的半导体中本征载流子的情形,完整的晶体在超过热力学温度形,完整的晶体在超过热力学温度0K的温的温度下都会出现本征缺陷。热激发能使少量度下都会出现本征缺陷。热激发能使少量的原子离开它们正常的晶格位置,并在该的原子离开它们正常的晶格位置,并在该位置留下空位。位置留下空位。 在室温下其他地方都完美的晶体中,在室温下其他地方都完美的晶体中,1044个个晶格位置中将有一个是空位。晶格位置中
22、将有一个是空位。 然而,当温度为然而,当温度为1000时,时,Si中的空位缺中的空位缺陷上升到没陷上升到没1010个晶格位置中就有一个。个晶格位置中就有一个。 影响因素影响因素 1.生长速率(晶体以多快的速度拉制)生长速率(晶体以多快的速度拉制) 2.晶体熔体界面间的温度梯度(熔体和固晶体熔体界面间的温度梯度(熔体和固 体晶体体晶体 之间的温度差)之间的温度差) 3.半导体制造中的热处理也会导致点缺陷半导体制造中的热处理也会导致点缺陷 的产生的产生 如果晶体冷却速率得到控制,就会减少缺如果晶体冷却速率得到控制,就会减少缺陷的产生陷的产生 另一种点缺陷是由于化学元素杂质引入到另一种点缺陷是由于化
23、学元素杂质引入到格点里所产生的。格点里所产生的。 被无意引入到硅中的杂质主要是氧和碳,被无意引入到硅中的杂质主要是氧和碳,还有其它金属杂质,如还有其它金属杂质,如Na、K、Ca、Al、Li、Mg、Ba,以及非金属杂质。其中,以及非金属杂质。其中Na是是半导体制造中最忌讳的一种有害杂质。半导体制造中最忌讳的一种有害杂质。 3.6.2位错位错(线缺陷)线缺陷) 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制。在位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制。在这种缺陷中,一列额外的原子被插入到另外两这种缺陷中,一列额外的原子被插入到另外两列原子之间。列原子之间。 与位错相比,高浓度的点缺陷占据的总表与位错相比,高浓度的点
24、缺陷占据的总表面积更大,所以能量更高。这些在晶体中面积更大,所以能量更高。这些在晶体中随机运动着的点缺陷将倾向于聚集在一起,随机运动着的点缺陷将倾向于聚集在一起,直至形成一个位错或其他更高维的缺陷,直至形成一个位错或其他更高维的缺陷,以释放多余的能量。以释放多余的能量。分为原生为错和诱生为错。分为原生为错和诱生为错。a.原生位错是晶体中固有的位错原生位错是晶体中固有的位错b.诱生位错是指在芯片加工过程中引入的位诱生位错是指在芯片加工过程中引入的位错,其数量远远大于原生位错。产生的原错,其数量远远大于原生位错。产生的原因大致可分为几个方面因大致可分为几个方面1、高温工艺过程引入的位错:一个相当大
25、、高温工艺过程引入的位错:一个相当大的温度差作用到晶片上,晶片会发生非均匀的温度差作用到晶片上,晶片会发生非均匀膨胀,因而在晶片内形成热塑性应力,当晶膨胀,因而在晶片内形成热塑性应力,当晶片受到钢性挤压并加热,或者晶片在加热时片受到钢性挤压并加热,或者晶片在加热时上面已经生长若干不同热膨胀系数的薄膜层,上面已经生长若干不同热膨胀系数的薄膜层,都会产生类似的应力。凡是能引起高温滑移都会产生类似的应力。凡是能引起高温滑移的原因,都可能导致位错的产生的原因,都可能导致位错的产生 2、掺杂过程中引入的位错:晶体中存在高浓、掺杂过程中引入的位错:晶体中存在高浓度的替位型杂质,这些替位原子与周围本度的替位
26、型杂质,这些替位原子与周围本体原子的大小不同,形成内部应力,应力体原子的大小不同,形成内部应力,应力将降低打破化学键所需的能量,导致位错将降低打破化学键所需的能量,导致位错3、薄膜制备过程中引入的位错:薄膜与衬底、薄膜制备过程中引入的位错:薄膜与衬底的界面的界面 处存在较大的应力可能导致位错处存在较大的应力可能导致位错4、晶体的物理损伤、晶体的物理损伤:在某些工艺过程中,晶在某些工艺过程中,晶片表面会受到其他原子的轰击,这些原子片表面会受到其他原子的轰击,这些原子将足够的能量传递给晶格,使得化学键断将足够的能量传递给晶格,使得化学键断裂,产生空位和填隙原子,一旦产生高浓裂,产生空位和填隙原子,
27、一旦产生高浓度的点缺陷,它们总是倾向于结团,形成度的点缺陷,它们总是倾向于结团,形成位错或其他高维缺陷。位错或其他高维缺陷。位错的作用位错的作用 吸收杂质:位错线附近产生了晶格畸变,吸收杂质:位错线附近产生了晶格畸变,那里的原子就不太稳定,容易被杂质原子那里的原子就不太稳定,容易被杂质原子所代替。杂质原子很容易聚集在位错线附所代替。杂质原子很容易聚集在位错线附近,沿位错线沉积,并且杂质一旦聚集到近,沿位错线沉积,并且杂质一旦聚集到位错线周围,就和位错一起形成一个能量位错线周围,就和位错一起形成一个能量较低比较稳定的体系。所以,位错有吸收较低比较稳定的体系。所以,位错有吸收杂质的作用。杂质的作用
28、。所以在单晶材料中,认为存在少量的均匀所以在单晶材料中,认为存在少量的均匀分布的位错,对器件制作工艺质量不会带分布的位错,对器件制作工艺质量不会带来有害影响,反而起到清洁工的作用,可来有害影响,反而起到清洁工的作用,可以改善非位错区以改善非位错区pn结的性能。结的性能。位错可以通过表面的一种特殊腐蚀显示出位错可以通过表面的一种特殊腐蚀显示出来,腐蚀出的位错出现在晶圆表面上,形来,腐蚀出的位错出现在晶圆表面上,形状代表了它们的晶向。状代表了它们的晶向。晶圆腐蚀出晶圆腐蚀出三角形的位错,三角形的位错, 晶圆出现方形的腐晶圆出现方形的腐蚀坑。蚀坑。3.6.3原生缺陷(层错)(面缺陷或体缺陷)原生缺陷
29、(层错)(面缺陷或体缺陷) 层错与晶体结构有关,经常发生在晶体生层错与晶体结构有关,经常发生在晶体生长的过程中。滑移就是一种层错,沿着晶长的过程中。滑移就是一种层错,沿着晶体平面产生的晶体滑移。层错要么终止于体平面产生的晶体滑移。层错要么终止于晶体的边缘,要么终止于位错线。晶体的边缘,要么终止于位错线。 另一种层错是孪生平面,就是在一个平面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。上,晶体沿着两个不同的方向生长。 这种孪生平面是因为在生长过程中的热影这种孪生平面是因为在生长过程中的热影响或机械震动而产生的。响或机械震动而产生的。点缺陷在各个方向上都没有延伸点缺陷在各个
30、方向上都没有延伸 线缺陷在晶体中会在一维方向延伸线缺陷在晶体中会在一维方向延伸 体缺陷在三个方向上都失去了晶体排列的体缺陷在三个方向上都失去了晶体排列的规则性规则性 不同的缺陷影响到制造工艺的不同不同的缺陷影响到制造工艺的不同 缺陷的存在对微电子工业的利弊各半。在缺陷的存在对微电子工业的利弊各半。在有源区内不希望有二维和三维的缺陷。在有源区内不希望有二维和三维的缺陷。在非有源区域的缺陷能够吸引杂质聚集,使非有源区域的缺陷能够吸引杂质聚集,使邻近的有源区内的杂质减少,因而是有好邻近的有源区内的杂质减少,因而是有好处的处的 吸杂是晶体中的杂质和缺陷扩散并被俘获吸杂是晶体中的杂质和缺陷扩散并被俘获在
31、吸杂位置的过程,有益的吸杂可以通过在吸杂位置的过程,有益的吸杂可以通过在远离有源器件的地方(例如晶片的背面)在远离有源器件的地方(例如晶片的背面)引入较大的应变或损伤区的方法进行,这引入较大的应变或损伤区的方法进行,这种处理称为非本征吸杂。种处理称为非本征吸杂。 在硅器件工艺中,另一种常见的吸杂方法在硅器件工艺中,另一种常见的吸杂方法是利用晶片体内的氧沉积。点缺陷和残余是利用晶片体内的氧沉积。点缺陷和残余杂质(如重金属)会被俘获和限制在沉积杂质(如重金属)会被俘获和限制在沉积处,从而降低它们在有源器件附近区域的处,从而降低它们在有源器件附近区域的浓度,这种处理利用了晶体内固有的氧,浓度,这种处
32、理利用了晶体内固有的氧,称为本征吸杂。称为本征吸杂。3.6.4重金属杂质重金属杂质 对半导体影响最大的一类杂质,包括对半导体影响最大的一类杂质,包括Au、Cu、Fe、Ni等金属元素。共同特点是在半等金属元素。共同特点是在半导体中的行为比较复杂。导体中的行为比较复杂。1.在在Si和和Ge中具有处于禁带中的多重深能级,中具有处于禁带中的多重深能级,可以提供载流子而影响电导率,也可以起可以提供载流子而影响电导率,也可以起复合中心作用而影响少数载流子的寿命。复合中心作用而影响少数载流子的寿命。2. 重金属杂质在重金属杂质在Si和和Ge中以间隙式进行扩散,中以间隙式进行扩散,具有很高的扩散系数,同时,它
33、们的溶解具有很高的扩散系数,同时,它们的溶解度一般很小,并且随温度变化极大。这样度一般很小,并且随温度变化极大。这样极少数重金属的杂质沾污,在降温过程中极少数重金属的杂质沾污,在降温过程中也会导致过度饱和。也会导致过度饱和。3.重金属在位错线中的沉积,一般是沿位错重金属在位错线中的沉积,一般是沿位错线形成分散的微粒。当这些有杂质沉积的线形成分散的微粒。当这些有杂质沉积的位错线穿过位错线穿过pn结区时,会造成电场的局部结区时,会造成电场的局部集中,以至于在该处首先产生雪崩击穿,集中,以至于在该处首先产生雪崩击穿,低于低于pn结正常的击穿点。结正常的击穿点。3.6.5 氧氧 氧的含量被列为硅单晶的
34、重要质量指标之氧的含量被列为硅单晶的重要质量指标之一。一般要求硅单晶中的氧含量要低于一。一般要求硅单晶中的氧含量要低于1017cm-3。 当氧进入硅单晶时,它就处于硅晶格的间当氧进入硅单晶时,它就处于硅晶格的间隙位置,即间隙中的一个氧原子与相邻的隙位置,即间隙中的一个氧原子与相邻的两个硅原子键合形成两个硅原子键合形成SiOSi键,它对硅键,它对硅的电学性质没有影响。当热处理时,这种的电学性质没有影响。当热处理时,这种键合状态将要发生变化,并按键合状态将要发生变化,并按SiOSiSiO2,3,4,5(中间态)(中间态) SiOx(x2)变化,最终发生变化,最终发生SiO2的析出。的析出。 其中其
35、中300500(峰值在(峰值在450 )出现电)出现电活性的中间产物活性的中间产物SiO4,并给出一个电子,呈并给出一个电子,呈现出施主行为。现出施主行为。 对氧含量为对氧含量为1018cm-3的硅单晶,经的硅单晶,经450 热热处理后能产生处理后能产生1016cm-3以上的施主浓度。在以上的施主浓度。在450 以上热处理时,以上热处理时, SiO4状态解体,施状态解体,施主消失。在主消失。在7501000 热处理时将有更热处理时将有更多的多的 SiO2的淀积析出。热处理出现的的淀积析出。热处理出现的SiO键合状态及相应电阻率的改变在样品冷却键合状态及相应电阻率的改变在样品冷却到室温时都被保存
36、下来。到室温时都被保存下来。1、热施主出现所引起的材料电阻率的变化,、热施主出现所引起的材料电阻率的变化,会使按材料原来电阻率设计的器件参数不会使按材料原来电阻率设计的器件参数不能达到预定值,影响对放大系数、饱和压能达到预定值,影响对放大系数、饱和压降、击穿电压、开启电压等参数的控制降、击穿电压、开启电压等参数的控制2、二氧化硅的沉淀严重影响到器件的特性。、二氧化硅的沉淀严重影响到器件的特性。因为二氧化硅和硅的介电常数不同,如果因为二氧化硅和硅的介电常数不同,如果pn结区中有线度较小的二氧化硅的沉淀,结区中有线度较小的二氧化硅的沉淀,则将造成电场的局部集中,容易引起等离则将造成电场的局部集中,
37、容易引起等离子体击穿,使子体击穿,使pn结特性变软。如果结特性变软。如果pn结区结区中有线度较大的二氧化硅沉淀,以致穿通中有线度较大的二氧化硅沉淀,以致穿通pn结,则可能引起低击穿。结,则可能引起低击穿。3、氧的存在还将严重影响硅中少数载流子的、氧的存在还将严重影响硅中少数载流子的寿命。因为硅中的氧极易与重金属杂质结寿命。因为硅中的氧极易与重金属杂质结合,并聚集在它的周围,使重金属杂质失合,并聚集在它的周围,使重金属杂质失去复合中心的作用,造成硅中少子寿命虚去复合中心的作用,造成硅中少子寿命虚假的增大,在热处理时氧与重金属杂质的假的增大,在热处理时氧与重金属杂质的结合便解体,寿命会很快降低,寿
38、命的这结合便解体,寿命会很快降低,寿命的这种变化将影响到器件放大系数、开关时间种变化将影响到器件放大系数、开关时间和频率特性参数的控制。和频率特性参数的控制。 当然硅中少量氧的存在还是有益的。随着当然硅中少量氧的存在还是有益的。随着单晶的生长认为在硅晶格中结合的氧主要单晶的生长认为在硅晶格中结合的氧主要是作为分散的单个原子占据填隙位置,并是作为分散的单个原子占据填隙位置,并且与两个硅原子形成共价键。所以这样的且与两个硅原子形成共价键。所以这样的氧原子以氧原子以SiOSi结构替代正常的结构替代正常的SiSi共价键。在这个结构中氧原子是中性。这共价键。在这个结构中氧原子是中性。这样一来填隙氧原子提
39、高了硅的抗屈强度,样一来填隙氧原子提高了硅的抗屈强度,大概达到大概达到25%,使得硅片在制造过程中强,使得硅片在制造过程中强度增大。只要氧滞留在填隙位置上而不沉度增大。只要氧滞留在填隙位置上而不沉积出来,硬度就会随着氧浓度的增加而增积出来,硬度就会随着氧浓度的增加而增加。加。3.7晶体准备晶体准备3.7.1截断截断 用锯截掉头和尾。用锯截掉头和尾。3.7.2直径滚磨直径滚磨 在晶体生长过程中,整个晶体长度中直径是有偏在晶体生长过程中,整个晶体长度中直径是有偏差的。滚磨到所需的直径。差的。滚磨到所需的直径。3.7.3化学腐蚀化学腐蚀 滚磨后,单晶体表面存在严重的机械损伤,滚磨后,单晶体表面存在严
40、重的机械损伤,需要用化学腐蚀的方法加以除去,接着进行需要用化学腐蚀的方法加以除去,接着进行定向切割。定向切割。 化学腐蚀减薄,通常采用混酸腐蚀液,如,化学腐蚀减薄,通常采用混酸腐蚀液,如,用一定配比的氢氟酸、硝酸和醋酸等。用一定配比的氢氟酸、硝酸和醋酸等。 它可以用来去除切、磨过程所产生的机械它可以用来去除切、磨过程所产生的机械损伤和清洗过程中折优腐蚀所造成的表面损伤和清洗过程中折优腐蚀所造成的表面缺陷及结构损伤层,能简便而快速地减薄缺陷及结构损伤层,能简便而快速地减薄硅片,并对硅片进行可控的边缘整圆,以硅片,并对硅片进行可控的边缘整圆,以减少从边缘损伤产生二次缺陷或碎片,从减少从边缘损伤产生
41、二次缺陷或碎片,从而减少抛光的难度和提高抛光的效果。而减少抛光的难度和提高抛光的效果。3.7.4晶体定向、电阻率和电导率检查晶体定向、电阻率和电导率检查 晶体定向晶体定向:是由是由X射线或平行光衍射来确定的。射线或平行光衍射来确定的。 平行光衍射:是把需要定向的晶面经过腐蚀平行光衍射:是把需要定向的晶面经过腐蚀或抛光等处理,使晶面上出现许多小平面围或抛光等处理,使晶面上出现许多小平面围成的,并与晶面具有一定关系的小腐蚀坑,成的,并与晶面具有一定关系的小腐蚀坑,再利用这些小腐蚀坑的宏观对称性,对正入再利用这些小腐蚀坑的宏观对称性,对正入射的平行光所反映出不同的光象,来确定对射的平行光所反映出不同
42、的光象,来确定对应的晶向。应的晶向。 主要用于硅、锗、砷化镓等直拉单晶和区主要用于硅、锗、砷化镓等直拉单晶和区熔法单晶的晶面的定向,但准确度不如熔法单晶的晶面的定向,但准确度不如X射射线衍射法。线衍射法。 X射线衍射法:定向准确,能与自动切片机射线衍射法:定向准确,能与自动切片机配合进行自动定向切片,并能测出晶向偏配合进行自动定向切片,并能测出晶向偏离数值,也可用来检验平行光衍射法所切离数值,也可用来检验平行光衍射法所切割的晶向偏离量,但设备复杂。割的晶向偏离量,但设备复杂。 单晶体具有各向异性的性质,对半导体材料单晶体具有各向异性的性质,对半导体材料和器件的制造有很大的影响。晶体生长时有和器
43、件的制造有很大的影响。晶体生长时有意偏离重要的意偏离重要的(100100)和()和(111111)晶面一点角)晶面一点角度。度。 导电类型是由极性仪测定的。导电类型是由极性仪测定的。 电阻率是由四探针仪测定的。电阻率是由四探针仪测定的。3.7.5滚磨定向滚磨定向 一旦晶体在切割块上定好晶向,就沿着轴一旦晶体在切割块上定好晶向,就沿着轴滚磨出一个参考面。这个参考面会在每个滚磨出一个参考面。这个参考面会在每个晶圆上出现,叫主参考面。晶圆上出现,叫主参考面。 在边缘有第二个较小的参考面,叫次参考在边缘有第二个较小的参考面,叫次参考面,区别晶向及导电类型。面,区别晶向及导电类型。 大直径的晶圆,在晶体
44、上滚磨出一个缺口大直径的晶圆,在晶体上滚磨出一个缺口指示晶向。指示晶向。3.8 切片切片 用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来。上切下来。3.9 晶圆刻号晶圆刻号 大面积的晶圆在制造工艺中有很高的价值,大面积的晶圆在制造工艺中有很高的价值,为保持精确的可追溯性,必须区别它们,为保持精确的可追溯性,必须区别它们,防止误操作。使用条形码或防止误操作。使用条形码或 数字矩阵的激数字矩阵的激光刻号来区别。光刻号来区别。 3.10 磨片磨片 和化学机械抛光和化学机械抛光 因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造的,它不可能直接使
45、用,所以必须去除切片的,它不可能直接使用,所以必须去除切片 工艺残留的表面损伤。工艺残留的表面损伤。 半导体晶圆的要求:半导体晶圆的要求: 1.表面要规则表面要规则 2.没有切割损伤没有切割损伤 3.完全平整完全平整 磨片磨片-是一个传统的磨料研磨工艺是一个传统的磨料研磨工艺 目的:去除切片工艺残留的表面损伤目的:去除切片工艺残留的表面损伤之前之后磨片抛光化学机械抛光 普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机械加化学,层的表面缺陷。现在的抛光是机械加化学,经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。平整、光洁如镜的理想表面。3.11边缘倒角边缘倒角 使
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