半導(dǎo)體制造技術(shù)

第4章

硅和硅片制備

半導(dǎo)體制造技術(shù)

第4章

硅和硅片制備4.1引言

硅是用來(lái)制造芯片的最重要半導(dǎo)體材料。對(duì)于可用于制造半導(dǎo)體器件的硅而言。使用一種特殊純度級(jí)以滿足嚴(yán)格的材料和物理要求。

在硅片上制作的芯片的最終質(zhì)量與開(kāi)始制作時(shí)所采用的硅片的質(zhì)量有直接關(guān)系。如果原始硅片有缺陷，那么最終芯片上也肯定會(huì)存在缺陷。對(duì)硅片以及制備過(guò)程的了解有助于理解硅片在整個(gè)芯片制造過(guò)程中的重要性。純硅要求將硅原子級(jí)的微缺陷降到最小，這些缺陷對(duì)芯片的性能是非常有害的。一旦得到了純硅，就要把它制作成帶有想要的晶向、適量的摻雜濃度和半導(dǎo)體芯片制備所需物理尺寸的硅片。

4.1引言硅是用來(lái)制造芯片的最重要半本章要點(diǎn)1.了解硅原材料如何精煉成半導(dǎo)體級(jí)硅；2.解釋晶體結(jié)構(gòu)和單晶硅的生長(zhǎng)方法；3.討論硅晶體的主要缺陷種類；4.了解硅片制備的基本步驟，也就是從硅錠到硅片的制作過(guò)程；5. 解釋什么是外延及其對(duì)硅片的重要性。本章要點(diǎn)1.了解硅原材料如何精煉成半導(dǎo)體級(jí)硅；4.2半導(dǎo)體級(jí)硅表4.1

用來(lái)制造芯片的高純硅稱為半導(dǎo)體級(jí)硅（Semiconductor-GradeSilicon），簡(jiǎn)稱SGS，從天然硅中獲得達(dá)到生產(chǎn)半導(dǎo)體器件所需純度的SGS通常通過(guò)下面幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.2半導(dǎo)體級(jí)硅表4.1用來(lái)制造芯片的高純硅稱為半

上面簡(jiǎn)單介紹的生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅(SGS)的工藝稱為西門子工藝。半導(dǎo)體級(jí)硅具有半導(dǎo)體制造要求的超高純度，它包含少于百萬(wàn)分之（ppm）二的碳元素和少于十億分之(ppb)一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的摻雜元素）。然而用以上工藝生產(chǎn)的硅，未必是我們所希望的按照某種序列排列硅原子的晶體。下面我們將討論晶體結(jié)構(gòu)以了解半導(dǎo)體級(jí)硅正確的原子排列。

上面簡(jiǎn)單介紹的生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅(SGS)的工藝稱為西門子4.3晶體結(jié)構(gòu)不僅SGS的超高純度對(duì)制造半導(dǎo)體器件非常關(guān)鍵，而且它也要有幾乎完美的晶體結(jié)構(gòu)。只有這樣才能避免對(duì)器件特性非常有害的電學(xué)和機(jī)械缺陷。單晶是一種固體材料，它的特點(diǎn)是在許多原子長(zhǎng)程范圍內(nèi)，原子都在三維空間中保持有序且重復(fù)的排列結(jié)構(gòu)，如圖4.2所示。非晶材料同樣也是固體材料，但它們沒(méi)有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，并且在原子級(jí)結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的是雜亂無(wú)序的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4.3）。4.3晶體結(jié)構(gòu)不僅SGS的超高純度對(duì)制造半導(dǎo)體器件圖4.2晶體結(jié)構(gòu)的原子排列圖4.2晶體結(jié)構(gòu)的原子排列圖4.3非晶原子結(jié)構(gòu)圖4.3非晶原子結(jié)構(gòu)晶胞圖4.4三維結(jié)構(gòu)的晶胞晶胞在晶體材料中，對(duì)于長(zhǎng)程有序的原子模式最基本的實(shí)體就是晶胞。晶胞在三維結(jié)構(gòu)中是最簡(jiǎn)單的由原子組成的重復(fù)單元，它給出了晶體結(jié)構(gòu)。下圖給出了由晶胞組成的三維結(jié)構(gòu)。晶胞圖4.4三維結(jié)構(gòu)的晶胞晶胞在晶體材料中，對(duì)圖4.5面心立方（FCC）晶胞

圖4.5面心立方（FCC）晶胞圖4.6面心立方金剛石結(jié)構(gòu)

對(duì)于硅晶體來(lái)說(shuō)，其晶胞如圖4.6所示，它是由倆個(gè)面心立方沿對(duì)角線位移四分之一構(gòu)成的面心立方金剛石結(jié)構(gòu)，如右圖所示。和面心立方不同之處的是體對(duì)角線上還有四個(gè)原子，所以對(duì)硅晶胞來(lái)說(shuō)，一個(gè)晶胞總共有8個(gè)完整的原子,其中4個(gè)共有原子和4個(gè)非共有原子。圖4.6面心立方金剛石結(jié)構(gòu)對(duì)于硅晶體來(lái)說(shuō)ZXY1110圖4.8晶胞的坐標(biāo)軸方向

晶向晶向非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了在硅片中晶體結(jié)構(gòu)的物理排列是怎樣的。不同晶向的硅片，其化學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能是不一樣的，而且會(huì)影響工藝條件和最終的器件性能。為了描述晶向，我們需要一個(gè)坐標(biāo)系，如圖4.8所示。對(duì)于單晶結(jié)構(gòu)，所有的晶胞就會(huì)沿著這個(gè)坐標(biāo)軸重復(fù)地排列。ZXY1110圖4.8晶胞的坐標(biāo)軸方向晶向晶向ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)圖4.9晶面的密勒指數(shù)用來(lái)描述硅晶體平面及其方向的參數(shù)稱作密勒指數(shù)，其中（）用來(lái)表示特殊的平面，而<>表示對(duì)應(yīng)的方向。ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)圖4.94.5單晶硅的生長(zhǎng)CZ(Czochralski)法CZ直拉單晶爐摻雜雜質(zhì)控制區(qū)熔法追求更大直徑的理由

4.5單晶硅的生長(zhǎng)CZ(Czochralski)法籽晶熔融多晶硅熱屏蔽水套單晶硅石英坩鍋碳加熱部件單晶拉伸與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械CZ法圖4.10CZ直拉單晶爐

籽晶熔融多晶硅熱屏蔽水套單晶硅石英坩鍋碳加熱部件單晶拉伸與CPhoto4.1用CZ法生長(zhǎng)的硅錠

Photo4.1用CZ法生長(zhǎng)的硅錠Photo4.2CZ拉單晶爐Photo4.2CZ拉單晶爐CZ法的特點(diǎn)是工藝成熟，能較好地拉制低位錯(cuò)、大直徑的硅單晶。缺點(diǎn)是難以避免來(lái)自石英坩堝和加熱裝置的雜質(zhì)污染。

為了在最后得到所需電阻率的晶體，摻雜材料被加到拉單晶爐的熔體中，晶體生長(zhǎng)中最常用的摻雜雜質(zhì)是生產(chǎn)p型硅的三價(jià)硼或者生產(chǎn)n型硅的五價(jià)磷。硅中的摻雜濃度范圍可以用字母和上標(biāo)來(lái)表示，如下表所示。表4.2硅摻雜濃度術(shù)語(yǔ)

CZ法的特點(diǎn)是工藝成熟，能較好地拉制低位錯(cuò)、大直徑的區(qū)熔法RF氣體入口(惰性)熔融區(qū)可移動(dòng)RF線圈多晶棒(硅)籽晶惰性氣體出口卡盤卡盤圖4.11區(qū)熔法晶體生長(zhǎng)示意圖

區(qū)熔法RF氣體入口(惰性)熔融區(qū)可移動(dòng)RF線圈多晶棒晶圓尺寸和參數(shù)表4.3

晶圓尺寸和參數(shù)表4.388die200-mmwafer232die300-mmwafer更大直徑硅片上芯片數(shù)的增長(zhǎng)圖4.13

88die232die更大直徑硅片上芯片數(shù)的增長(zhǎng)圖4.300毫米硅片尺寸和晶向要求的發(fā)展說(shuō)明表4.4

300毫米硅片尺寸和晶向要求的發(fā)展說(shuō)明表4.44.6硅的晶體缺陷為了很好地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的IC功能，半導(dǎo)體要求近乎完美的晶體結(jié)構(gòu)。晶體缺陷（也稱微缺陷）就是在重復(fù)排列的晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的任何中斷或雜質(zhì)的引入。在硅的生長(zhǎng)或加工過(guò)程中不產(chǎn)生一個(gè)缺陷是不可能的。然而，現(xiàn)代工藝已經(jīng)可以生產(chǎn)缺陷密度非常低的硅。缺陷密度是在每平方厘米硅片上產(chǎn)生的缺陷數(shù)目。在硅中主要存在三種普遍的缺陷形式：點(diǎn)缺陷：原子層面的局部缺陷位錯(cuò)：錯(cuò)位的晶胞層錯(cuò)：晶體結(jié)構(gòu)的缺陷

4.6硅的晶體缺陷為了很好地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的IC功能，半點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷存在于晶格的特定位置。圖4.15顯示了三種點(diǎn)缺陷。最基本的一種缺陷是空位。這種缺陷當(dāng)一個(gè)原子從其格點(diǎn)位置移動(dòng)到晶體表面時(shí)出現(xiàn)。另一種點(diǎn)缺陷是間隙原子，它存在于晶體結(jié)構(gòu)的空隙中，這種點(diǎn)缺陷是由于化學(xué)元素雜質(zhì)引入到格點(diǎn)里所產(chǎn)生的。還有一種缺陷是當(dāng)一個(gè)原子離開(kāi)其格點(diǎn)位置并且產(chǎn)生了一個(gè)空位時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生間隙原子－空位對(duì)，或叫Frenkel缺陷。

點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷存在于晶格的特定位置。圖4.15顯示了三點(diǎn)缺陷(a)空位缺陷(b)間隙原子缺陷(c)Frenkel缺陷圖4.15點(diǎn)缺陷(a)空位缺陷(b)間隙原子缺陷(c)Fre位錯(cuò)在晶體中，晶胞形成重復(fù)性結(jié)構(gòu)。如果晶胞錯(cuò)位，這種情況就叫做位錯(cuò)（見(jiàn)圖4.16）。由于層的排列問(wèn)題所造成的位錯(cuò)可以在晶體生長(zhǎng)和硅片制備過(guò)程中的任意階段產(chǎn)生。而且在硅片制備過(guò)程中引入的位錯(cuò)（稱為誘生缺陷）在數(shù)量上往往遠(yuǎn)大于晶體生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生（原始）的位錯(cuò)。

誘生缺陷（位錯(cuò)）可以由器件制作過(guò)程中表面的熱氧化（參見(jiàn)第10章）引起，另外硅片的機(jī)械加工或其他的高溫工藝等也可引起位錯(cuò)。這種缺陷可以通過(guò)X射線分析或表面腐蝕檢測(cè)到。位錯(cuò)在晶體中，晶胞形成重復(fù)性結(jié)構(gòu)。如果晶胞錯(cuò)位，這圖4.16位錯(cuò)

圖4.16位錯(cuò)層錯(cuò)(晶體的滑移)層錯(cuò)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)常發(fā)生在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中。滑移就是一種層錯(cuò)，它沿著一個(gè)或更多的平面發(fā)生滑移（見(jiàn)圖4.17）。(a)(b)(c)圖4.17層錯(cuò)(晶體的滑移)層錯(cuò)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)常晶體孿生平面

另一種層錯(cuò)是孿生平面，就是在一個(gè)剖面上晶體沿著兩個(gè)不同方向生長(zhǎng)（見(jiàn)下圖）。這種孿生剖面是因?yàn)樵谏L(zhǎng)過(guò)程中的熱影響或機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的。XX’圖4.18

晶體孿生平面

硅片上的成品率成品率=66gooddie88totaldie=75%圖4.14

硅片上的成品率成品率=66gooddie=75%圖晶體生長(zhǎng)整形切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝4.7硅片制備圖4.19硅片制備的基本工藝步驟晶體生長(zhǎng)整形切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝4.7硅片制備定位邊磨角徑向研磨為研磨準(zhǔn)備單晶錠4.7.1整形處理圖4.20硅錠徑向研磨定位邊磨角徑向研磨為研磨準(zhǔn)備單晶錠4.7.1整形處理圖4P-type(111)P-type(100)N-type(111)N-type(100)圖4.21硅片標(biāo)識(shí)定位邊

P-type(111)P-type(100)N-type1234567890定位槽

被刻印的標(biāo)識(shí)數(shù)字圖4.22硅片定位槽和激光刻印

1234567890定位槽被刻印的標(biāo)識(shí)數(shù)字圖4.224.7.2切片鋸刃圖4.23內(nèi)園切割機(jī)4.7.2切片鋸刃圖4.23內(nèi)園切割機(jī)4.7.3磨片和倒角圖4.24

拋光的晶圓邊緣4.7.3磨片和倒角圖4.24拋光的晶圓邊緣4.7.4刻蝕圖4.25用于去除硅片表面損傷的化學(xué)刻蝕4.7.4刻蝕圖4.25用于去除硅片表面損傷的化學(xué)4.7.5拋光上拋光墊下拋光墊硅片磨料圖4.26

雙面硅片拋光4.7.5拋光上拋光墊下拋光墊硅片磨料圖4.26雙質(zhì)量測(cè)量物理尺寸平整度微粗糙度氧含量晶體缺陷顆粒體電阻率

質(zhì)量測(cè)量物理尺寸改進(jìn)的硅片要求

改進(jìn)的硅片要求正偏差負(fù)偏差真空吸盤硅片參考平面平整度

平整度是硅片最主要的參數(shù)之一，主要因?yàn)閽伖夤に噷?duì)局部位置的平整度是非常敏感的，硅片平整度是指在通過(guò)硅片的直線上的厚度變化。它是通過(guò)硅片上的表面和一個(gè)規(guī)定參考面的距離得到的。圖4.27

硅片變形正偏差負(fù)偏差真空吸盤硅片參考平面外延層在某些情況下，需要硅片有非常純的與襯底有相同晶體結(jié)構(gòu)(單晶)的硅表面。還需要保持對(duì)雜質(zhì)類型和濃度的控制。這需要通過(guò)在硅表面淀積一個(gè)外延層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在硅外延過(guò)程中硅基片作為籽晶，在硅片上面生長(zhǎng)一薄層硅。新的外延層會(huì)復(fù)制硅片的晶體結(jié)構(gòu)。外延層可以是n型也可以是p型，并不依賴原始硅片的摻雜類型。硅外延發(fā)展的起因是為了提高雙極器件和集成電路的性能，例如，可以在優(yōu)化pn結(jié)的擊穿電壓的同時(shí)降低集電極串連電阻；在COMS集成電路中可以將閂鎖效應(yīng)降到最低。外延層在某些情況下，需要硅片有非常純的與襯底有相同晶在外延層上制造器件可以解決集電結(jié)的耐壓和集電極串連電阻對(duì)襯底摻雜濃度的相互矛盾EXXmc1Xmc2n-epin+pn+Si襯底R(shí)c在外延層上制造器件可以解決集電結(jié)的耐壓和集電極器件隔離P-SubP+P+P+N-epiN-epiN+PN+pP-SubN-epi器件隔離P-SubP+P+P+N-epiN-epiN+單晶硅層外延層硅園片外延層的厚度用于高速數(shù)字電路的典型厚度是0.5到5μm；用于硅功率器件的典型厚度是50到100μm。圖4.29硅外延層的結(jié)構(gòu)單晶硅層外延層硅園片外延層的