硅和硅片制備

集成電路工藝第四章硅和硅片制備1/24/20241內(nèi)容提要4.1晶體結(jié)構(gòu)4.2半導(dǎo)體級硅4.3單晶硅生長4.4硅中的晶體缺陷4.5硅片制備4.6質(zhì)量測量4.7外延1/24/202424.1晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)的形態(tài)：無定型〔非晶〕Amorphous——沒有重復(fù)結(jié)構(gòu)多晶Polycrystalline——晶胞不是有規(guī)律地排列單晶Singlecrystal(monocrystal)——在長程范圍內(nèi)原子都在三維空間中保持有序且重復(fù)的結(jié)構(gòu)；晶胞在三維方向上整齊地重復(fù)排列1/24/20243AmorphousStructure1/24/20244PolycrystallineStructure1/24/20245SingleCrystalStructure1/24/20246硅晶格的元胞1/24/20247晶面的密勒指數(shù)1/24/202484.2半導(dǎo)體級硅1/24/20249西門子工藝用來做芯片的高純硅稱為半導(dǎo)體級硅(semiconductor-gradesilicon,SGS)或電子級硅。西門子工藝：1.用碳加熱硅石來制備冶金級硅SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SIO(g)+CO(g)2.將冶金級硅提純以生成三氯硅烷Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)＋加熱3.通過三氯硅烷和氫氣反響來生成SGSSiHCl3(g)+H2(g)Si(s)+3HCl(g)1/24/2024104.3單晶硅生長把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，并給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。直拉法(Czochralski)區(qū)熔法液體掩蓋直拉法1/24/202411直拉法〔CZ法〕特點：工藝成熟，能較好地拉制低位錯、大直徑的硅單晶。缺點：難以防止來自石英坩堝和加熱裝置的雜質(zhì)污染。1/24/2024121/24/2024131/24/202414區(qū)熔法主要用來生長低氧含量的晶體，但不能生長大直徑的單晶，并且晶體有較高的位錯密度。這種工藝生長的單晶主要使用在高功率的晶閘管和整流器上1/24/202415兩種方法的比較直拉法更普遍，更廉價，可加工大晶圓尺寸〔如300mm〕，材料可重復(fù)使用區(qū)熔法可制備更純的單晶硅〔因為沒坩鍋〕，但本錢高，可制備的晶圓尺寸小〔約150mm)。主要用于功率器件。1/24/202416液體掩蓋直拉法此方法主要用來生長砷化鎵晶體，和標(biāo)準(zhǔn)的直拉法一樣，只是做了一些改進。由于熔融物里砷的揮發(fā)性通常采用一層氧化硼漂浮在熔融物上來抑制砷的揮發(fā)。1/24/2024174.4硅中的晶體缺陷晶體缺陷－crystaldefect缺陷密度－在每平方厘米硅片上產(chǎn)生的缺陷數(shù)目點缺陷：原子層面的局部缺陷位錯：錯位的晶胞層錯：晶體結(jié)構(gòu)的缺陷1/24/202418點缺陷1/24/202419位錯(DislocationDefects)在單晶中，晶胞形成重復(fù)性結(jié)構(gòu)。如果晶胞錯位，稱為位錯。1/24/202420層錯層錯與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)常發(fā)生在晶體生長過程中?；疲貉刂粋€或更多的平面發(fā)生滑移孿生平面：在一個平面上，晶體沿著兩個不同的方向生長1/24/2024214.5硅片制備整型處理切片磨片和倒角刻蝕拋光清洗硅片評估包裝1/24/202422整型處理去掉兩端徑向研磨硅片定位或定位槽1/24/202423切片切片是用帶有金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機來完成的對300mm的硅片，目前都采用線鋸來切片的。1/24/202424磨片和倒角雙面的機械磨片以去除切片時留下的損傷，到達硅片兩面高度的平行及平坦。硅片邊緣拋光修正——倒角。1/24/202425刻蝕為了消除硅片外表的損傷，進行硅片刻蝕。硅片刻蝕是利用化學(xué)刻蝕選擇性去除外表物質(zhì)的過程。腐蝕掉硅片外表約20微米的硅。1/24/202426化學(xué)機械拋光〔ChemicalMechanicalPolishing〕1/24/202427后續(xù)步驟清洗硅片評估包裝1/24/2024284.6質(zhì)量測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1/24/2024294.7外延外延(epitaxial)：與襯底有相同的晶體結(jié)構(gòu)用作雙級晶體管中阻擋層，可減少集電極電阻同時保持高的擊穿電壓；用在CMOS和DRAM中可改進器件性能，因為外延層具有低的氧、碳含量。1/24/202430雙級晶體管中外延層1/24/202431CMOS