半导体制造技术第四章

dreamtower@163.com第四章硅和硅片制备dreamtower@163.com学习目标：1.硅原材料怎样精炼成半导体级硅2.解释晶体结构和单晶硅的生长方法3.硅晶体的主要缺陷种类3.描述硅片制备的基本步骤4.对硅片供应商的7种质量标准5.外延对硅片的重要性。dreamtower@163.com在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以及硅片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圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的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，这正是对晶圆生产的一个挑战。dreamtower@163.com物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体非晶：原子排列无序晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单元。单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。多晶体：晶胞排列不规律2.1硅的晶体结构dreamtower@163.com非晶原子排列dreamtower@163.com三维结构的晶胞晶胞dreamtower@163.com多晶和单晶结构多晶结构单晶结构dreamtower@163.com晶体结构的原子排列Figure4.2

dreamtower@163.com9晶面（用密勒指数表示）硅晶圆中最常使用的晶面是<100>和<111>（100）晶面的晶圆用来制造MOS器件和电路（111）晶面的晶圆用来制造双极性器件和电路砷化镓技术使用（100）晶面的硅片dreamtower@163.com晶面密勒指数ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)Figure4.9

dreamtower@163.com晶体缺陷①定义②晶体缺陷的影响半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。A：生长出不均匀的二氧化硅膜B：淀积的外延膜质量差C：掺杂层不均匀D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。dreamtower@163.com硅中三种普遍的缺陷形式点缺陷：原子层面的局部缺陷位错：错位的晶胞层错：晶体结构的缺陷dreamtower@163.com13A：点缺陷

形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致替位杂质空位Frenkel缺陷填隙杂质dreamtower@163.comB：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因：晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏dreamtower@163.com常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。C：层错dreamtower@163.com16硅晶圆制备的四个阶段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dreamtower@163.com17①冶炼SiO2+C→Si+CO↑或者得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。②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。dreamtower@163.com18③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℃dreamtower@163.com19④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+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氢气易于净化，且在Si中溶解度极低dreamtower@163.com20晶体生长定义: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。dreamtower@163.com21直拉法—Czochralski法（CZ法）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。dreamtower@163.com一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅就像是籽晶的复制品坩锅里的硅被单晶炉加热，硅变成熔体籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。CZ直拉法的生长方法dreamtower@163.com1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶3）晶体生长的结构与籽晶晶体结构一致dreamtower@163.comdreamtower@163.comdreamtower@163.com26CZ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dreamtower@163.com生长过程(掌握)1.籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。dreamtower@163.com3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，<111>方向应有对称三条棱，<100>方向有对称的四条棱。4.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。5.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。dreamtower@163.comCZ法晶体提拉資料來源:/semiconductors/_crystalgrowing.htmldreamtower@163.com优点：所生长单晶的直径较大优点：成本相对较低缺点：熔体与坩埚接触，易引入氧杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10-40ppm)SiO2=Si+O2（石英坩锅高温下）

当单晶在300-600度冷却时，氧会被激活成为施主,因此能改变单晶的电阻率。直拉单晶在1200度退火使氧沉积，可使氧施主的浓度降至1014/厘米3,电阻率会发生明显的变化。（50欧.厘米的P硅掺入1014/厘米3的硼)掺杂时，沿轴向电阻率分布不均匀，对于k小于1的杂质，靠近籽晶的一端电阻率较高直拉法生长单晶的特点dreamtower@163.com31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。dreamtower@163.comdreamtower@163.com两种方法的比较CZ法是较常用的方法价格便宜较大的晶圆尺寸(直径300mm)晶体碎片和多晶态硅再利用悬浮区熔法纯度较高(不用坩埚)价格较高，晶圆尺寸较小

(150mm)高压大功率元件dreamtower@163.com34直拉法和区熔法晶体生长的比较dreamtower@163.comdreamtower@163.com硅片的制备晶体生长整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装dreamtower@163.com定位边研磨径向研磨去掉两端整型处理：1.去掉两端；2.径向研磨；3.硅片定位边或定位槽dreamtower@163.com切片（内圆切割机/线锯）内圆切割机dreamtower@163.com磨片和倒角粗略研磨；使用传统的浆料；移除表面大部分损伤产生平坦的表面减小位错的影响dreamtower@163.com刻蚀消除硅片表面的损伤和沾污将硝酸

(水中浓度79%),氢氟酸(水中浓度49%),和纯醋酸

依照4:1:3比例混合.化学反应式:3Si+4HNO3+6HF3H2SiF6+4NO+8H2Odreamtower@163.com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，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。抛光dreamtower@163.com研磨液研磨垫压力晶圆夹具晶圆抛光dreamtower@163.comUpperpolishingpadLowerpolishingpadWaferSlurrydreamtower@163.com200mm的晶圆厚度和表面平坦度的变化76mm914mm晶圆切片之后边缘圆滑化之后76mm914mm12.5mm814mm<2.5mm750mm725mm几乎是零缺陷的表面粗磨之后刻蚀之后CMP之后dreamtower@163.com清洗硅片评估包装dreamtower@163.com质量测量物理尺寸平整度微粗糙度氧含量晶体缺陷颗粒体电阻率dreamtower@163.com硅片要求dreamtower@163.com物理尺寸：直径厚度晶向位置和尺寸定位边硅片变形

dreamtower@163.com平整度：通过硅片的直线上的厚度变化。对光刻工艺很重要。有局部平整度和整体平整度之分dreamtower@163.com微粗糙度测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别，用均方根表示。用几种光学表面形貌分析仪的一种进行的。dreamtower@163.com氧含量少量的氧能起俘获中心的作用，束缚硅中的沾污物。然而过量的氧会影响硅的机械和电学特性。通过横断面检测。dreamtower@163.com晶体缺陷目前的要求是每平方厘米的晶体缺陷少于1000个。横断面技术史一种控制晶体体内微缺陷的方法。dreamtower@163.com颗粒尺寸大于或等于0.08um。200mm的硅片表面每平方厘米少于0.13个颗粒。体电阻率依赖于杂质浓度。用四探针方法测量。dreamtower@163.com外延层单晶提高电路性能，降低闩锁效应通常没有沾污不同工艺的外延层厚度可以不同dreamtower@163.com外延层应用N型外延层pn+n+P型衬底电流n+深埋层p+p+SiO2Al•Cu•Si基极集电极发射极dreamtower@163.com外延层应用P型衬底N阱P阱STIn+n+USGp+p+金属1,Al•CuBPSGWP型外延层dreamtower@163.com小结硅原材料怎样精炼成半导体级硅晶体缺陷和晶面CZ直拉法硅片制备的基本步骤对硅片供应商的7种质量标准附录资料：不需要的可以自行删除日常设备点检与润滑点检的定义：为了维持生产设备原有的机能、确保设备和生产的顺利进行，满足客户的要求，按照设备的特性，通过人的“五感”和简单的工具、仪器，对设备的规定部位（点），按照预先设定的技术标准和观察周期，对该点进行精心的、逐点的周密检查，查找有无异状的隐患和劣化，使设备的隐患和劣化能够得到“早期发现、早期预防、早期修复的效果；2.点检与传统设备检查的区别（1）点检管理的特点设备点检，完全改变了设备检查的业务机构，改变了设备传统性检查的业务层次和业务流程，创造了基础管理的新形势，点检管理与传统的设备检查形式的不同之处做如下所述：1）体现了设备管理思想的更新，现代化的技术装备担负着社会大生产的重要使命，生产的产量、质量和经济效益将完全借助与生产设备来实现，往往一个小的故障，将会导致自动化设备的全线停产，其损失之大不可估计；因此，实行设备点检的主要目的，其实就是实现针对性维修；2）达到以管为主，全员参加管理的目的。3）实现了维修的最佳化目标；（通过点检，将设备故障消灭在萌芽状态）4）成为了标准化的设备基础管理作业方法；（2）传统设备检查的几种形式1）事后检查；设备在发生突发性故障以后，为恢复其故障部位的工作性能，以决定合理的修复方案和确定具体的内容进行的对应性检查；2）巡回检查；按照预先设定的检查部位和主要内容实行粗劣的巡视工作；3）计划检查；根据预先设定的周期和检查项目对设备进行检查或对部件进行解体检查；4）特殊性检查；零部件的品质、精度等5）法定检查；压力容器、起重设备等（3）点检与传统设备检查的区别；设备点检完全区别于传统的设备检查，他使隐患和异常都能在故障发生前得到前当得处理，做到既经济，又正确，因此，设备点检，其实就是预防性的主动的设备检查；另外“点检”是一种管理制度，而传统的设备检查仅是一种进行检查的方法。（4）如何点检？按照全员设备管理的要求，操作人员必须参与设备的维修活动，其活动范围及内容，与管辖本区域设备的点检员以协议的形式确定。因此，生产方在进行生产操作、检查的的同时，要进行设备的状态检查。日常点检内容：利用“五感”点检：依靠人的五官，对运转中的设备进行良否。通常对温度、压力、流量、振动、异音、动作状态、松动、龟裂、异常及电器线路的损坏、熔丝熔断、异味、泄漏、腐蚀等内容的点检。边检查边清扫：清除在生产运行过程中产生的废料（液），防止被掩埋了的设备性能劣化或损坏，此项工作应在生产巡检时及时进行，按程序及时处理劣化的设备，防止故障的扩大。做好紧固与调整：在五官点检过程中，如已发现松动和变化时，在确认可以实施恢复和力所能及的前提下，应该给予紧固和调整，并记录在案，及时的报告和传递信息。日常点检的方法和技巧点检表的确认：按设定的日常点检表逐项检查，逐项确认；点检结果的处理：点检结果，按照固定的符号记入日常点检表内，在交接班时交代清楚并向上级汇报，对发现的异常情况处理完毕，则要把处理过程、结果立即记入作业日志内；对正在观察、未处理结束的项目，必须连续记入符号，不能在未说明情况下自行取消记号，每班的点检结果，生产班组长、工段长都要认真确认、签字；不同要求的三种点检：根据不同岗位，不同要求，一般每个作业班，都要进行三种点检：静态点检：停机点检，要求要做到逐项逐点进行；动态点检：不停机点检，要求要做到逐项逐点进行；重点点检：随机进行，重点部位认真检查；2）良否点检在使用“五官点检法”，需要判别检查点良否的知识如下：振动：人体对振动的感觉极限，一般在适当的转速下，振幅在5微米时，就不容易感觉到。当一台19～90千瓦、3000r/min交流电机，安装在牢固的基础上，其单振幅允许在50微米以下。用手判别振动良否，可以用一只铅笔，笔尖放在振动体上，如果垂直放置的铅笔，发生激烈的上下跳动，而且向前移动时，就有超值的可能，需要用专用的“振动仪”测定振动值。温度：使用温度计在设备点检过程中，往往采用手指触摸发热体来判别温升值是否属于正常，用手指触摸判别温度的技巧是：用食指和中指放在被测的物体上，根据手指按放以后，人能忍受时间的长短，来大致判断物体的温度：具体参数如下，具体运用过程要考虑到人的皮肤质感，季节的不同：设备温度(摄氏度）触摸忍受时间（秒）设备温度(摄氏度）触摸忍受时间（秒）5060以上70253约30751.55510～12801605850.5653松动知识：用目视观看螺栓是否松动，一般在紧固螺杆上总沾有油灰，在存在松动螺栓上的油灰、形态有别于松动的螺栓，往往会出现新色、脱落的痕迹；用手锤敲击被检查的螺栓，若敲击声出现低沉沙哑的情况，同时观察螺栓周围所积油灰出现崩落的现象，基本上能判断出是否存在松动现象，对存在怀疑的螺栓用扳手紧固确认；最好在紧固螺栓时，用有色笔在螺栓和固定座之间划一道直线，再次点检时，若发现直线对不准，说明螺栓已经松动；声音知识：对传动设备是否存在缺油、断油、精度损失，可以用侧听声音的办法来判别其状态，常用的是“听音棒”，判断的正确取决于各人的经验。轴承：轴承的正常转动声音是均匀、圆滑的转动声，若出现周期性的金属碰撞声，则预示着轴承的滚道、保持架有异常，当出现高频声，则往往是少油、缺油现象，结合温升进行综合判断。对电动机的磁声判别：正常的磁声是连续的、轻微的、均匀的沙沙响声，有异物进入定转子的间隙或偏心时，这种连续声被破坏，不在出现；听声时，一定要集中思想，脑子要专心捕捉特定频率的声音，这样当其它频率的声音进入耳中时才会被滤掉。味觉知识：通常不太常用“尝”，因要进入口中需要特别谨慎，除非在特殊的场合，如电化学，急需鉴别酸性、碱性时，在确保对身体无害时，方可实施。引起设备故障原因分析1）造成设备性能劣化的原因；a:使用原因：设备的负荷运行造成劣化，但运行条件、操作方法的不同造成劣化程度不同；b：自然原因：潮湿生锈，天长日久的自然磨损、变形，时效老化等；C：灾害原因：天灾、狂风暴雨、地震等等；上述的原因引起设备的结果就出现了由于磨损、腐蚀等的减损，由于冲击、疲劳等的破坏，由于原料黏附灰尘引起的污损等现象，直至设备原有性能不能充分发挥，这就叫做设备性能劣化；2）机能劣化：a:转动和滑动部分出现机能劣化：磨损：由于运动摩擦引起接触面的磨损；如齿轮、轴承、轴套等；损坏：由于磨损或受力作用（弯曲、剪切）而断裂等；旋转不好：转动不灵活、滑动面粗糙等造成运动不灵活；操作不良：操作不正确或不按操作规程操作设备，或误操作而造成故障；异声：由于润滑不良或异物落入造成转动部位发生异声；振动：转动或滑动部位各种异常振动；漏油：润滑部位出现泄漏；b:固定部分机能劣化现象和原因：松弛脱落：连接部位螺钉出现松弛和脱落；变形断开：结构或构件变形或切断、折损等现象；腐蚀、龟裂、受腐部位或构件龟裂；c:电器部分劣化现象和原因：电器烧损、绝缘不良等；线路接点的短路或断路；电器整流不良；电参数的漂移；设备出现劣化，原因较多，除了上述的原因，还可能有工艺熔损、机件或其它部分出现剥落或破断造成设备故障；（3）上述原因从设备本体质量、维修质量、点检质量和操作保养等方面来分析，这些原因又可归纳为以下四个方面：1）设备本身原因：设备本体素质不高，设计不合理，机件强度不够，形状结构不良，使用材料不当，零部件性能低下，集体刚性欠佳造成断裂、疲劳和蠕变等现象。2）日常维护的原因：点检、维护质量不高，污垢异物混入机内，设备润滑不良。紧固不良、绝缘接触不良，造成机件性能低下，机件配合松动，短路、得不到及时改善和调整等现象。3）修理质量的原因：维修质量低劣，修后设备安装不好，零配件配合不良，装配粗糙，组装精度不高，选择配合不合要求，造成偏心，中心失常、振动、平衡不佳等现象；4）操作及其它原因：操作水平低、操作保养质量差，超负荷运转，工艺调整不良，误操作，拼设备、不清扫、温湿控制差，欠保养，风沙、浸水、地震，造成设备运转失常等现象。设备润滑常识一、使用润滑油过程中油品变黑是否正常?答：油品发黑原因有三：

(一)润滑油变质，(二)零件磨损，(三)杂质进入油箱，如果使用过程中无杂质进入油箱，则可以认为润滑油本身质量有问题，应更换油的品牌，润滑油使用一段时间后颜色略有加深属正常，但不应变得很黑。二、旧设备可以用差一些的油?

答：一般情况下，设备的磨损件是经过表面处理的，因此零件表面硬度较高，不易磨损，但零件内部较软，旧设备有的零件表面已有磨损，因此用较差润滑油更会加速零件的磨损。我们建议不要用较低级的或较差的润滑油。三、为什么其他油品不能代替齿轮油?

答：我们发现个别用户有用抗磨液压油、导轨油、汽轮机油（透平油）或普通机械油代替齿轮油的现象。这都是不正确的，因为整个机器的动力都是通过齿轮变速传动的，齿轮齿面上的啮合线承受了巨大的负荷，要求润滑油有极压性，而其他油品不含极压添加剂，起不到保护齿面的作用，因此会导致齿面产生点蚀、断裂等现象。四、只要粘度相同，不同类型齿轮油可以相互替代?

答：不可以！同是齿轮油级别有高低，重负荷齿轮油可以替代轻负荷齿轮油，相反则不可以，目前国产普通齿轮油多属中负荷或以下齿轮油，不适合高速高负荷设备使用。五、油品发白是怎祥造成的?

答：一般情况下油品发白是由于油箱进水后造成的，是一乳化现象，应避免水进入润滑油箱体或避免雨水进入已开封的油桶中，具体操作中，设备应检查油封是否损坏，换油时检查箱体内是否有水，油桶存放在避雨的地方。六、使用润滑油不重要，只要设备有油就行，市场上随便买一些就可以用?

答：绝对要重视润滑油的使用，润滑油好比人体的血液，不良的润滑油将损坏您昂贵的设备，不同的润滑油含有不同的添如剂以满足设备不同部位的需要，例：抗氧剂防止油品氧化，防绣剂防止设备生锈，抗磨剂防止设备磨损等。七、使用期满后更换下来的润滑油是否可以再用?

答：有的用户将换下的油经沉淀处理后重复使用，这是不妥当的，油品经使用后各项性能都会降低，使用换下的油品相当于使用不合格产品。八、换油期到时可否采用放去一部分润滑油再加入部分润滑油的方式?

答：应该尽量将油放尽，用过的润滑油和新的润滑油混合在一起