《半導(dǎo)體器件與工藝》PPT課件

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1、第六章硅片的制備與清洗哈爾濱工程大學(xué)微電子學(xué)半導(dǎo)體器件與工藝硅是用來制造芯片的主要半導(dǎo)體材料，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最重要的材料。對于可用于制造半導(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)量與開始制作時所采用的硅片的質(zhì)量有直接關(guān)系。如果原始硅片上有缺陷，那么最終芯片上也肯定會存在缺陷。半導(dǎo)體級硅用來做芯片的高純硅被稱為半導(dǎo)體級硅（semiconductor-gradesilicon），或者SGS，有時也被稱做電子級硅。半導(dǎo)體級硅不僅半導(dǎo)體級硅的超高純度對制造半導(dǎo)體器件非常關(guān)鍵，而且它也要有近乎

2、完美的晶體結(jié)構(gòu)。只有這樣才能避免對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，在許多的原子長程范圍內(nèi)原子都在三維空間中保持有序且重復(fù)的結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)非晶材料是指非晶固體材料，它們沒有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，并且在原子級結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的是雜亂的結(jié)構(gòu)。非晶硅對生產(chǎn)半導(dǎo)體器件所需的硅片來講是沒有任何用處的，這是因為器件的許多電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)都與它的原子級結(jié)構(gòu)有關(guān)。這就要求重復(fù)性的結(jié)構(gòu)使得芯片與芯片之間的性能有重復(fù)性。非晶材料在晶體材料中，對于長程有序的原子模式最基本的實體就是晶胞。晶胞在三維結(jié)構(gòu)中是最簡單的由原子組成的重復(fù)單元，它給出了晶體的結(jié)構(gòu)。

3、在一個晶體結(jié)構(gòu)中，晶胞緊密地排列，因此存在共有原子。共有原子非常重要，因為晶胞是通過它們來組成一個緊密連接在一起的晶格結(jié)構(gòu)的。在金剛石面心立方晶胞中每個角上的原子被8個晶胞所共有，每個面上的原子被2個晶胞所共有。因此每個面心立方晶胞包含4個完整原子。晶胞對于硅晶體來說，晶胞和金剛石晶體結(jié)構(gòu)的面心立方結(jié)構(gòu)晶胞不同，除了面心立方所具有的那些共有原子之外，還包括完全位于立方結(jié)構(gòu)中的4個原子。對于硅晶胞來說，總共有8個完整原子，其中4個共有原子和4個非共有原子。晶胞如果晶胞不是有規(guī)律地排列，那么這種材料就叫多晶材料。如果從提純工藝中得到的半導(dǎo)

4、體級硅是多晶結(jié)構(gòu)，就叫做多晶硅（polycrystal）。如果晶胞在三維方向上整齊地重復(fù)排列，那這樣的結(jié)構(gòu)就叫單晶（monocrystal）、英文的另一種表達(dá)方式是singlecrystal。多晶和單晶結(jié)構(gòu)晶向非常重要，因為它決定了在硅片中晶體結(jié)構(gòu)的物理排列是怎樣的。不同晶向的硅片的化學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)都不一樣，這會影響工藝條件和最終的器件性能。如果晶體是單晶結(jié)構(gòu)，那么所有的晶胞就都會沿著這個坐標(biāo)軸重復(fù)地排列。晶向硅晶體平面上的方向由一套稱做密勒指數(shù)的參數(shù)所描。在密勒系統(tǒng)的符號里，小括號（）用來表示特殊的平面，而尖括號＜＞表示對應(yīng)的方

5、向。多晶和單晶結(jié)構(gòu)晶體生長是把半導(dǎo)體級硅的多晶硅轉(zhuǎn)換成一塊大的單晶硅。生長后的單晶硅被稱為硅單晶錠?，F(xiàn)在生產(chǎn)用于硅片制備的單晶硅錠最普遍的技術(shù)是Czochralski（CZ）法，是按照發(fā)明者的名字來命名的。CZ法生長單晶硅是把熔化了的半導(dǎo)體級硅液體變?yōu)橛姓_晶向并且被摻雜成n型或p型的固體硅。一塊具有所需要晶向的單晶硅作為籽晶來生長硅錠，生長的單晶硅錠就像籽晶的復(fù)制品。為了用CZ法得到單晶硅，在熔化了的硅和單晶硅籽晶的接觸面的條件要精確控制。這些條件保證薄層硅能夠精確復(fù)制籽晶結(jié)構(gòu)，并最后生長成一個大的硅錠。這些是通過CZ拉單晶爐的設(shè)備

6、得到的。單晶硅生長—CZ法單晶硅生長—CZ法坩堝里的硅被拉單晶爐加熱，使用電阻加熱或射頻（RF）加熱線圈。電阻加熱用于制備大直徑的硅錠。當(dāng)硅被加熱時，它變成液體，叫做熔體。籽晶放在熔體表面并在旋轉(zhuǎn)過程中緩慢地拉起，它的旋轉(zhuǎn)方向與坩堝的旋轉(zhuǎn)方向相反。隨著籽晶在直拉過程中離開熔體，熔體上的液體會因表面張力而提高。籽晶上的界面散發(fā)熱量并向下朝著熔體的方向凝固。隨著籽晶旋轉(zhuǎn)著從熔體里拉出，與籽晶有同樣晶向的單晶就生長出來了。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。純硅的電阻率大約在。晶體生長中最常用的摻雜雜質(zhì)是產(chǎn)生P型

7、硅的三價硼或者產(chǎn)生n型硅的五價磷。通常摻雜雜質(zhì)不直接加入到熔體中，這是由于摻雜雜質(zhì)數(shù)量非常少。典型的工藝是采用將摻雜雜質(zhì)加入到被粉碎的硅粉中的形式進(jìn)行摻雜。單晶硅生長—CZ法區(qū)熔法生長單晶硅錠是把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個模型里。一個籽晶固定到一端然后放進(jìn)生長爐中。用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域。加熱多晶硅棒是區(qū)熔法最主要的部分，因為在熔融晶棒的單晶界面再次凝固之前只有30分鐘的時間。晶體生長中的加熱過程沿著晶棒的軸向移動。典型的區(qū)熔法硅片直徑要比直拉法小。由于不用坩堝，區(qū)熔法生長的硅純度高且含氧量低。單晶硅生長—區(qū)熔法更大直徑的硅

8、錠對正確的晶體生長和保持良好的工藝控制提出了挑戰(zhàn)。300mm的硅錠大約有1米長，并且需要在坩堝中熔化150kg到300kg的半導(dǎo)體級硅。大直徑硅錠更大直徑硅片意味著每個硅片上有更多的芯片，每塊芯片的加工和處理時間都減少了