第2章硅和硅片制备.ppt.Convertor

第二章硅和硅片制备图 2.1 化学元素周期表根据流经材料电流的不同可分为三类材料 : 导体；绝缘体；半导体。半导体材料具有较小的禁带宽度 ,其值介于绝缘体和导体之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。这种行为在半导体被加热时发生 ,因而其导电性随温度增加而提高 (对导体而言则正相反 )。硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因：1）硅的丰裕度2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限3）更宽的工作温度范围4）氧化硅的自然生成硅是地球上含量第二丰富的元素，其含量仅次于氧。然而，自然界中几乎不存在单质的硅，绝大部分的硅是以化合物的形式存在， 如各种硅酸盐和二氧化硅等。 要获得高纯度的硅， 就必须将这些化合物中的硅还原出来。图 2.2 地壳元素含量分布2.1 半导体级硅用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（ semiconductor-grade silicon ） , 或者 SGS，有时也被称做电子级硅。现介绍一种得到 SGS 的主要方法：第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（ SiO2 ） ，一种纯沙，来生产冶金级硅。SiC（固体） +SiO2（固体）→Si（液体） +SiO （气体） +CO（气体）第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。Si（固体） +3HCl （气体）→SiHCl3 （气体） +H2 （气体） +加热第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999% 的半导体级硅。2SiHCl3 （气体） +2H2（气体）→2Si（固体） +6HCl （气体）这种生产纯 SGS 的工艺称为西门子工艺。半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ ppm）二的碳元素和少于十亿分之（ ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素） 。半导体级硅的西门子反应器提纯的 SGS 多晶2.2 晶体结构不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有近乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。单晶就是一种固体材料， 在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构。3D 结构的单元晶胞非晶材料是指非晶固体材料， 它们没有重复的结构， 并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。非晶硅对半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的， 这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关， 这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。硅的原子空间结构如果晶胞不是有规律地排列， 那么这种材料就叫做多晶材料。 从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构， 叫做多晶硅。 如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列， 那这样的结构就叫单晶。晶胞在晶体中的方向称为晶向。 晶向非常重要， 因为它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， 这会影响工艺条件和最终的器件性能。半导体制造中硅片常用的晶向是 、 、 。晶向和密勒指数。晶胞的坐标轴方向晶面的密勒指数2.3 单晶硅生长晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅称为硅锭(Ingot 或 Boule)。在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是 Czochralski 法，也称 CZ法。另外还有区熔法。2.3.1 CZ 法CZ 法生长单晶硅把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成 n 型或p 型的固体硅锭。 85%以上的单晶硅是采用 CZ 法生长出来的。CZ 工艺最早是由 Teal 在 20 世纪 50 年代开发使用的， 在此之前 1906 年， Czochralski采用过类似的方法，从熔融的金属中拉制细灯丝。CZ 拉单晶炉熔炉坩埚中熔融的硅【工艺线直击】－ CZ 法拉晶单晶硅锭CZ 拉单晶炉CZ 法掺杂分布平衡分凝系数 k0 其中， Cs 和 Cl 分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度。绝大多数分凝系数都小于 1，这意味着在晶体生长过程中杂质被排斥而留在熔融液中。CZ 法掺杂分布生长初始条件：熔融液初始重量为 M0，其初始掺杂浓度为 C0。过程某一时刻：已长成的晶体重量为 M ，依然留在熔融液中的杂质重量为 S。当晶体增加 dM 的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量 -dS 为：其中， Cs 为晶体掺杂浓度，此时熔融液中剩余重量为 M0-M ，熔融液中掺杂浓度 Cl 则为：两式结合，代入 K0 的表达式，则有：若初始掺杂重量为 C0M0 ，对上式积分为：解得：拉晶速度控制（先快后慢，降低温度）拉晶速度过快，固体部分来不及散调热量且不会形成单晶。另一方面，较快的冷却速度导致晶体中出现较大的热梯度，产生热应力。但是，拉晶速度过慢，点缺陷的浓度很高。氧含量控制（控制熔料温度，或采取磁场中生长）Cz 工艺中，用来装填熔料的坩埚通常是用熔融石英（ fused silica，一种非晶 SiO2）制成。在 1500 摄氏度的高温下，会释放出相当多的氧，融入熔硅中，其中 95％的部分以 SiO的形式从熔硅表面逸出，一部分混入生长的单晶硅中。【例题】书 P20 例 1 一个用直拉法所生长的硅锭，应该在熔融液中掺入多少硼原子，才能使其每立方米包含 1016 个硼原子？假设开始在坩埚里有 60kg 的硅， 若要达到上述掺杂浓度应该加入多少克的硼（硼的摩尔质量为 10.8g）？已知熔融硅的密度为 2.53g/cm3 2.3.2 区熔法区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。 一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中。 用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。 晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。区熔法示意如图 2.5。区熔法晶体生长区熔法掺杂分布初始条件：硅棒上掺杂浓度为 C0， L 是熔融带沿 x 方向的长度， A 是硅棒的横截面积， ρ d是硅的密度。某一时刻： S 为熔融带中所含掺杂总量，当熔融带移动一段距离 dx 时，其增加的掺杂量 dS可用下式表示：这里， 是熔融带前端刚形成时候的掺杂数量取积分，得：求积分，得：由上式解得 S 为由 ，可得：优点：不需要使用坩埚，氧含量可以降至最低；可生产出最纯的单晶硅。缺点：难以引入浓度均匀的掺杂；仅限于生产不超过几公斤的晶锭，硅片直径小；不用于 GaAs 生产。2.3.3 追求更大直径硅锭的原因硅锭直径从 20 世纪 50 年代初期的不到 25mm 增加到现在的 300mm,硅片直径的历史发展趋势如图 2.6 所示。 更大直径硅片有着更大的表面积来做芯片 ,这样就会在一个硅片上生产更多的芯片。这带来三大好处 : 1) 每块芯片的加工和处理时间减少了 ,导致设备生产效率提高；2) 硅片边缘的芯片少了 ,转化为更高的生产成品率；3) 由于在同一工艺过程中有更多的芯片 ,设备的重复利用率提高了。2.4 硅中的晶体缺陷为了很好地实现先进 IC 功能，半导体要求有近乎完美的晶体结构。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。研究硅晶体缺陷是非常重要的，因为它对半导体的电学特性有破坏作用。这些问题包括二氧化硅介质击穿和漏电流等。随着器件尺寸的缩小以及有源栅区面积的增加， 更多的晶体管集成在一块芯片上， 缺陷出现在芯片敏感区域的可能性就会增加。这样的缺陷对器件的成品率有负面影响。晶体缺陷会产生于晶体生长和后面硅锭和硅片的各项工艺中。一些缺陷是因为表面损伤而造成的， 例如由于机械操作造成的裂痕的表面缺陷。 在硅中主要存在三种普遍的缺陷形式：1. 点缺陷： 原子层面的局部缺陷。 点缺陷存在于晶格的特定位置。 图 2.7 显示了三种点缺陷。空位、间隙原子、间隙原子 -空位对，或叫 Frenkel 缺陷。点缺陷2. 位错：错位的晶胞。位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意阶段产生。然而发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅片上的机械应力所造成。 一些情况下， 位错是由器件制作过程中硅片表面的热氧化所引入的。位错3. 层错：晶体结构的缺陷。层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。滑移就是一种层错，它沿着一个或更多的平面发生滑移。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。晶体孪生平面缺陷似乎总是不受欢迎的，确切的说，实在有源区（即晶体管所在的位置）内不希望有二维和三维的缺陷。而在非有源区， 缺陷能够吸引杂质的聚集， 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。2.5 硅中杂质在实际集成电路制造中所需要的绝大多数半导体材料，都人为地掺入一定数量的某种原子(杂质 )，以便控制导电类型和导电能力。掺入的杂质主要是Ⅲ A 族元素 (受主元素 )和Ⅴ A 族元素 (施主元素 )。这些杂质在硅晶体中一般是替代硅原子而占椐晶格位置，并能在适当的温度下施放电子或空穴，控制和改变晶体的导电能力和导电类型（ n 型或 p 型） 。纯净硅的电子结构N 型掺杂P 型掺杂杂质在硅中并不能无限制的掺入， 在一定的温度和平衡态下， 它有一个溶解到硅中的最大浓度，这就是杂质在硅晶体中的溶解度，也称固溶度。固溶度是随着温度而变化的。但是，在快速冷却的过程中，也就是淬火，掺杂浓度可以（而且往往）是超过固溶度的。只需将含有多余杂质原子的圆片加热，然后快速冷却就可以做到这一点。2.6 硅片制备硅是硬而脆的材料， 晶体生长后的圆柱形的单晶硅锭要经过一系列的处理过程， 最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量测量。硅片制备的基本工艺步骤一 . 整型处理整型处理包括在切片之前对单晶硅锭做的所有准备步骤。1）去掉两端去掉籽晶端和非籽晶端， 用四探针检查电阻确定硅锭达到合适的杂质均匀度。2）径向研磨得到精确的材料直径。3）硅片定位边或定位槽定位边表明晶体结构和硅片的晶向。主定位边表明晶体结构的晶向，次定位边表明硅片的晶向和导电类型。硅片标识定位边在美国， 200mm 及以上的硅片已经被定位槽所取代。具有定位槽的硅片在硅片上的一小片区域有激光刻上的关于硅片的信息。硅片定位槽和激光刻印标识硅片定位槽和激光刻印二．切片将整型处理后的硅锭切成一片片的硅片。 使用带有金刚石的内圆切割机以产生平整的切片。 300mm 的硅片采用浆料覆盖的线锯切片，可减少金刚石覆盖的锯刃的厚度损失，产生更多的硅切片。三．磨片和倒角切片完成后， 进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤， 达到硅片两面高度的平行及平坦。 硅片边缘倒角可使硅片边缘获得平滑的半径周线。 边缘的裂痕会聚集机械应力并产生位错，在高温过程中，会成为沾污的聚集地并产生颗粒脱落。切片磨片倒角四．刻蚀硅片整型使硅片表面和边缘损伤及沾污， 损伤的深度一般有几微米深， 硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性去除表面物质的过程。 硅片经过湿法化学刻蚀工艺消除硅片表面损伤和沾污。五．抛光制备硅片的最后一步是化学机械平坦化（ CMP ） ，也叫抛光。刻蚀抛光六 . 清洗硅片在送入 Fab 前必须达到超净的洁净状态。七 . 评估硅片按照客户要求的规范进行检查。八 . 包装硅片必须叠放在塑料片架里。 碳氟化合物树脂材料 （如特氟纶） 常被用于盒子的材料以使颗粒产生和静电积累减到最少。清洗检测电阻率工艺线直击－晶圆制备2.7 质量测量● 物理尺寸● 平整度● 微粗糙度● 氧含量● 晶体缺陷● 颗粒● 体电阻率硅片形变2.8 外延层在某些情况下， 需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶体结构（单晶）的硅表面，还要保持对杂质类型和浓度的控制。 这要通过在硅表面淀积一个外延层来达到。 在硅外延中， 硅基片作为籽晶在硅片上面生长一薄层硅。 新的外延层会复制硅片的晶体结构。 由于衬底硅片是单晶，外延层也是单晶。 而且， 外延层可以是 n 型也可以是 p 型， 这并不依赖于原始硅片的掺杂类型。外延层通常是没有沾污的。2.9 可选择的半导体材料锗（ Ge） ：锗是用于晶体管制造的第一种半导体材料，由于工艺和性能的原因，在 20 世纪50 年代被淘汰。化合物半导体材料： 主要是由周期表中的 IIIA 族和 VA 族元素形成。 代表： 砷化镓 （ GaAs） 。无线和高速数字通信的产品及高速光电子器件要用 GaAs 和其他化合物半导体制造。GaAs 的性能特点优点：具有比硅更高的电子迁移率， 减小寄生电容和信号损耗， 从而具有更快的电路速度。 增加的信号速度允许它们在通信系统中响应高频率微波信号并精确地把他们转换成电信号；材料电阻率更大，器件容易实现隔离。缺点：缺乏天然氧化物，妨碍了标准 MOS 器件工艺的发展；材料脆性较大，圆片加工难度大；镓含量相对匮乏，提纯工艺成本高；砷具有剧毒，需要特别控制的设备和工艺。GaAs 晶圆的制备从熔料中生长 GaAs 比起 Si 来要困难得多，原因之一是两种材料的蒸气压相差很大，这样，在晶锭中维持理想化学配比就极具挑战性。常用的方案：液封直拉法生长（ LEC ， Liquid encapsulated Czochralski growth ）Bridgman 法生长LEC 生长中， 为了避免来自石英的硅掺入 GaAs 晶锭， 不用石英坩埚而使用热解氮化硼 （ pBN ）坩埚。GaAs 的热传导率只有硅的三分之一，这样， GaAs 晶锭就不像硅晶锭那样，能较快的散去结晶浅热。并且， GaAs 在熔融点使一个位错成核所需要的剪切应力大约是硅的四分之一，这样不仅热量难以散失，而且一点小的热塑应力也会导致缺陷的产生。因而，直拉法生长的 GaAs 圆片比硅圆片小得多，缺陷密度也比同类的硅片要大几个量级。Bridgeman 圆片位错密度是最低的（在 103cm-2 量级） ，通常用于制作光电子器件，比如激光二极管；LEC 圆片可以获得较大直径，容易制成半绝缘材料，薄层电阻率很高；其缺点是缺陷密度通常较大。由于电阻率高，几乎所有的 GaAs 电子器件都使用 LEC 材料制造。习题5. 用于直拉法的籽晶 , 通常先拉成一个细小的窄颈 (直径 5.5cm), 目的是开始进行无位错生长 , 如果硅的临界屈服强度为 2× 106g/cm2, 试计算该籽晶能拉起的直径为 200mm 的晶锭的最大长度 . 习题9. 我们使用区熔法对一掺入镓且浓度为 5× 1016cm-3 的单晶锭进行提纯处理 ,假设熔融带的长度为 2cm, 则当第一次熔融带通过晶锭 , 在距离开始多远的地方晶锭的掺杂浓度会低于 5× 1015cm-3? 习题14. 某晶体平衡时空位浓度 ns=Nexp[-Es/(kT)], Es 为形成能量 .试计算硅在 27.C,900.C 和1200.C 时的 ns(假设 Es=2.3eV).