半导体制造技术第 4 章矽与晶圆准备

半導體製造技術第4章矽與晶圓準備DELININSTITUTEOFTECHNOLOGY©2005DLIT,Allrightsreserved授課老師：王宣勝2©2005DLIT,Allrightsreserved課程大綱1.描述天然矽原料如何加工提煉成半導體級矽(SGS)。2.解釋晶體結構與單晶矽的成長技術。3.討論矽晶體之主要缺陷。4.簡單敘述由矽晶錠加工成為矽晶圓的基本步驟。5.說明與討論晶圓供應商所需進行之7項品質測量項目。6.解釋何謂磊晶與其重要性。3©2005DLIT,Allrightsreserved半導體級矽獲得半導體級矽(SGS)的步驟步驟製程描述反應1將含碳的矽土加熱，可獲得冶金級的矽(MGS)。SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)2使用化學反應精鍊MG矽，生成含SiHCl3矽化合物。Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)+熱3使用Siemens反應裝置，SiHCl3和H2反應生成純半導體級矽(SGS)。2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)表4.14©2005DLIT,Allrightsreserved晶體結構非晶材料晶胞多晶與單晶結構晶體方向5©2005DLIT,AllrightsreservedSiHCl3多晶體矽柱用於SG矽的Siemens反應器圖4.16©2005DLIT,Allrightsreserved晶體結構的原子排列圖4.27©2005DLIT,Allrightsreserved非晶原子結構圖4.38©2005DLIT,Allrightsreserved三維結構的單位晶胞單位晶胞圖4.49©2005DLIT,Allrightsreserved面心立方的單位晶胞圖4.510©2005DLIT,Allrightsreserved矽單位晶胞：FCC鑽石結構圖4.611©2005DLIT,Allrightsreserved多晶與單晶結構多晶結構單晶結構圖4.712©2005DLIT,Allrightsreserved單位晶胞的軸方向ZXY1110圖4.813©2005DLIT,AllrightsreservedMiller指數的晶格平面ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)圖4.914©2005DLIT,Allrightsreserved單晶矽成長•CZ方法–CZ晶體拉升器–摻雜–雜質控制•浮動區域方法•發展大直徑晶錠的理由15©2005DLIT,Allrightsreserved晶種熔解的多晶矽加熱擋板水保護罩單晶矽石英坩鍋碳加熱電熱絲晶體拉升器CZ晶體拉升器圖4.1016©2005DLIT,AllrightsreservedCZ方法的矽晶碇成長PhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSiingot17©2005DLIT,AllrightsreservedCZ晶體拉升器PhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSicrystalpuller18©2005DLIT,Allrightsreserved矽中摻雜濃度的命名法濃度(Atoms/cm3)摻質材料類型1014(非常輕微地摻雜)1014to1016(輕摻雜)1016to1019(摻雜)1019(重摻雜)5價的元素nn-n-nn+3價的元素pp-p-pp+表4.219©2005DLIT,Allrightsreserved浮動區域晶體成長RF氣體入口(鈍氣)熔解區活動式RF線圈多晶柱(矽)晶種鈍氣出口平盤平盤圖4.1120©2005DLIT,Allrightsreserved300mm200mm150mm125mm100mm75mm3456812晶圓直徑的趨勢圖4.1221©2005DLIT,Allrightsreserved晶圓直徑與屬性表4.3直徑(mm)厚度(m)面積(cm2)重量(grams/lbs)25塊晶圓重(lbs)15067520176.7128/0.061.520072520314.1653.08/0.12330077520706.86127.64/0.287400825201256.64241.56/0.531322©2005DLIT,Allrightsreserved88個晶粒8晶圓232個晶粒12晶圓在較大晶圓直徑裡，晶粒數會增加表4.1323©2005DLIT,Allrightsreserved300mm晶圓直徑和方向需要的發展規格參數單位一般一些典型誤差值直徑mm300.000.20厚度(中心點)m77525彎曲m1009點厚度變化m10缺口深度mm1.00+0.25,-0.00缺口角度度90+5,-1背部表面拋光蝕刻／研磨邊緣輪廓表面拋光研磨FQA(品質固定區域－晶圓表面可允許的半徑範圍)mm147表4.4FromH.Huff,R.Foodall,R.Nilson,andS.Griffiths,“ThermalProcessingIssuesfor300-mmSiliconWafers:ChallengesandOpportunities,”ULSIScienceandTechnology(NewJersey:TheElectrochemicalSociety,1997),p.139.24©2005DLIT,Allrightsreserved矽之晶體缺陷晶體缺陷(微缺陷)是指任何妨礙單位晶胞重複性地出現於晶體晶體缺陷依其形式可區分為3大類：1.點缺陷：原子級的局部缺陷。2.差排：單位晶胞錯置。3.整體缺陷：晶體結構之缺陷。25©2005DLIT,Allrightsreserved晶圓的良率圖4.14良率=66(可正常動作之晶片數目)88(總生產晶片之數目)=75%26©2005DLIT,Allrightsreserved點缺陷RedrawnfromSorabK.Ghandi,VLSIFabricationPrinciples:SiliconandGalliumArsenide,2ndedition,NewYork,Wiley,1994,page23(a)空缺缺陷(b)間隙缺陷(c)Frenkel缺陷圖4.1527©2005DLIT,Allrightsreserved差排圖4.1628©2005DLIT,Allrightsreserved晶格滑動(a)(b)(c)RedrawnfromSorabK.Ghandi,VLSIFabricationPrinciples:SiliconandGalliumArsenide,2ndedition,NewYork,Wiley,1994,page49圖4.1729©2005DLIT,Allrightsreserved晶格雙面XX’RedrawnfromSorabK.Ghandi,VLSIFabricationPrinciples:SiliconandGalliumArsenide,2ndedition,NewYork,Wiley,1994,page55圖4.1830©2005DLIT,Allrightsreserved晶體成長整形晶圓切片晶圓研磨和邊緣磨光蝕刻拋光清潔檢驗封裝晶圓準備的基本製程步驟圖4.1931©2005DLIT,Allrightsreserved平面研磨直徑研磨準備直徑研磨之晶錠晶錠之直徑研磨圖4.2032©2005DLIT,Allrightsreserved晶圓標示平面P型(111)P型(100)N型(111)N型(100)圖4.2133©2005DLIT,Allrightsreserved晶圓缺口和「雷射」切割缺口切割的識別數字圖4.2234©2005DLIT,Allrightsreserved內部直徑晶圓鋸內部直徑鋸圖4.2335©2005DLIT,Allrightsreserved拋光後的晶圓邊緣圖4.2436©2005DLIT,Allrightsreserved晶圓的化學蝕刻圖4.2537©2005DLIT,Allrightsreserved雙面晶圓的拋光上面拋光墊下面拋光墊晶圓研漿圖4.2638©2005DLIT,Allrightsreserved品質測量•物理性尺寸•平坦度•粗糙度•含氧量•晶體缺陷•微粒•本體電阻值39©2005DLIT,Allrightsreserved改進矽晶圓的規格年(臨界尺寸)1995(0.35m)1998(0.25m)2000(0.18m)2004(0.13m)晶圓直徑(mm)200200300300局部區域平坦度A(m)0.230.170.120.08局部區域尺寸(mmxmm)(22x22)(26x32)26x3226x36正面的粗糙度B(RMS)C(nm)0.20.150.10.1氧含量(ppm)D242232231.5221.5本體微缺陷E(defects/cm2)50001000500100每單位面積微粒(#/cm2)0.170.130.0750.055磊晶F厚度(%uniformity)(m)3.0(5%)2.0(3%)1.4(2%)1.0(2%)AdaptedfromK.M.Kim,“BiggerandBetterCZSiliconCrystals,”SolidStateTechnology(November1996),p.71.A：平坦度定義為晶圓或是晶圓上某一區域之線性厚度差異。B：參考粗糙度之內容。C：RMS：均方根值，為晶圓表面完成後最佳的測量方法。計算方式是取其測量之平方，平均後再取平方根值。晶圓表面完成後之測量為晶圓表面之最高及最低點。D：ppm為百萬分之一。E：本體微缺陷代表1cm2之所有缺陷數量。F：參考磊晶層之敘述。40©2005DLIT,Allrightsreserved正偏向負偏向真空平盤晶圓參考平面晶圓變形圖4.2741htt