晶圆制备

第三章晶圆制备3.1概述在这一章里，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。高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶园，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶园已经投入生产线了。因为晶园直径越大，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，这正是对晶园生产的一个挑战。3.2衬底材料的要求a.导电类型：P或Nb.电阻率：0.001—100000Ω·cmc.寿命：一般要求几到几千微秒d.晶格完整性e.纯度高：一般常说的9个9，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、重金属、碱金属及非金属等。f.晶向:＜111＞、＜110＞及100等，对于双极硅器件，一般要求＜111＞晶向，MOS硅器件为100晶向，砷化镓为100晶向。g.要求一定的直径和均匀性，并给出主次定位面此外，禁带宽度要适中，迁移率要高，杂质补偿度低，等等。3.3半导体硅制备•制造IC级的硅晶圆分4个阶段进行：a.矿石到高纯气体的转变b.气体到多晶的转变c.多晶到单晶，掺杂晶棒的转变d.晶棒到晶圆的制备•半导体级硅：用来制作芯片的高纯硅（SGS），纯度达到99.9999999%，是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。•制造SGS过程：1.用碳加热硅石来制备冶金级硅)()()()(2gCOgSiOlSiSiOsSiC2.通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷)()()(3)(23gHgSiHClgHClsSi3.利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产SGS)(6)(2)(2)(223gHClsSigHgSiHCl•西门子反应器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应（硅棒温度为1100℃），几天后工艺结束，将淀积的SGS棒切成用于晶体生长的小片。3.4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构非晶体或无定形结构：原子没有固定的周期性排列的材料3.4.1晶胞•在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。•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。与硅技术相关的晶体结构是立方结构，这里是考虑面心立方结构。•在一个晶体结构中，晶胞紧密地排列，因此存在共有原子。•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。•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。•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•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。晶格总是包含一个能代表整个晶格结构的单元—晶胞。3.4.2多晶和单晶•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3.4.3晶体定向•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个数字组合来表示。•在密勒系统符号里，小括号（）用来表示特殊平面，尖括号表示对应的方向，符号是由平面与坐标轴交点而定的。•如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞都会沿着这个坐标轴重复排列。3.5晶体生长•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，是从大块的具有多晶结构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，并给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。•有三种不同的生长方法：直拉法、区熔法和液体掩盖直拉法.3.5.1直拉法大部分的单晶都是通过直拉法生长的。生产过程如图所示。旋转卡盘籽晶生长晶体射频加热线圈熔融硅3.5.2液体掩盖直拉法此方法主要用来生长砷化镓晶体，和标准的直拉法一样，只是做了一些改进。由于熔融物里砷的挥发性通常采用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发。故得其名，如图所示。籽晶晶体砷化镓熔化物氧化硼层•特点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学参数，能成功地地拉制低位错、大直径的硅单晶，尤其制备10-4Ω•cm特殊低阻单晶。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。另外，由于应用了石英坩埚（SiO2），从而在硅单晶中引入了氧。氧含量的典型值为0.2~2*1018cm-3以上。当单晶生长过程中经300—600℃温度范围的退火时，氧将获得电活性，其作用如同施主，从而使电阻率改变。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，以及控制好温度和拉晶时的工艺参数等因素，可控制氧含量。3.5.3区熔法另一种晶体生长的方法是区熔法，是20世纪50年代发展起来的，在特殊需要中使用，所生产的单晶硅锭的氧含量很低，并且能生产到目前为止最纯的硅单晶。生长系统如图所示。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、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。•同样，由于存在分凝和蒸发效应，固—液界面不平坦，工艺卫生、气氛等影响，仍然存在纵向、横向电阻率的不均匀。•几种工艺的比较3.6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现的任何中断。•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(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：1.点缺陷2.位错3.原生缺陷（层错）3.6.1点缺陷•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构引起的应力所产生的缺陷，最常见的点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•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，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。•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，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的位置，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。•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形，完整的晶体在超过热力学温度0K的温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，并在该位置留下空位。•在室温下其他地方都完美的晶体中，1044个晶格位置中将有一个是空位。•然而，当温度为1000℃时，Si中的空位缺陷上升到没1010个晶格位置中就有一个。•影响因素1.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（熔体和固体晶体之间的温度差）3.半导体制造中的热处理也会导致点缺陷的产生•如果晶体冷却速率得到控制，就会减少缺陷的产生•另一种点缺陷是由于化学元素杂质引入到格点里所产生的。•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Na、K、Ca、Al、Li、Mg、Ba，以及非金属杂质。其中Na是半导体制造中最忌讳的一种有害杂质。3.6.2位错(线缺陷）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列原子之间。•与位错相比，高浓度的点缺陷占据的总表面积更大，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，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。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b.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。产生的原因大致可分为三个方面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，晶片会发生非均匀膨胀，因而在晶片内形成热塑性应力，当晶片受到刚性挤压并加热，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，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•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•薄膜制备过程中引入的位错：薄膜与衬底的界面处存在较大的应力可能导致位错•晶体的物理损伤: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。•位错的作用吸收杂质：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，位错有吸收杂质的作用。•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来有害影响，反而起到清洁工的作用，可以改善非位错区pn结的性能。•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，形状代表了它们的晶向。111晶圆腐蚀出三角形的位错，100晶圆出现方形的腐蚀坑。3.6.3原生缺陷（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响或机械震动而产生的。点缺陷在各个方向上都没有延伸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规则性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，使邻近的有源区内的杂质减少，因而是有好处的•吸杂是晶体中的杂质和缺陷扩散并被俘获在吸杂位置的过程，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）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。•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浓度，这种处理利用了晶体内固有的氧，称为本征吸杂。3.6.4重金属杂质对半导体影响最大的一类杂质，包括Au、Cu、Fe、Ni等金属元素。共同特点是在半导体中的行为比较复杂。1.在Si和Ge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，也可以起复合中心作用而影响少数载流子的寿命。2.重金属杂质在Si和Ge中以间隙式进行扩散，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。3.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位错线穿过pn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，低于pn结正常的击穿点。3.6.5氧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1017cm-3。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两个硅原子键合形成Si—O—Si键，它对硅的电学性质没有影响。当热处理时，这种键合状态将