半導(dǎo)體襯底完整版本

集成電路制造技術(shù)半導(dǎo)體襯底1本節(jié)課的目的2材料科學(xué)的幾個重要概念相

是指材料中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分(如石油、水、合金等)二元相圖

可以看做是標(biāo)示出兩種材料混合物穩(wěn)定相區(qū)域的一種圖固溶度

在平衡狀態(tài)下，一種雜質(zhì)可以溶于另一種材料的最高的濃度3二元相圖(P10)4典型的合金相圖5基元單個的原子、離子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。晶體

基元在三維空間呈規(guī)律性排列(長程有序)非晶體原子排列短程有序或無序

6晶體與非晶體晶體的主要特點是①結(jié)構(gòu)有序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；③有固定的熔點；④在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。非晶體的主要特點是①結(jié)構(gòu)無序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；③沒有固定的熔點；④熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性小。7剛球模型:用剛球代表空間排列的原子晶格:將剛球抽象為質(zhì)點，構(gòu)成空間格架晶胞:保持點陣幾何特征的基本單元(共14種)，即對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元8晶體結(jié)構(gòu):構(gòu)成晶體的基元在三維空間的具體的排列方式(P14)三種典型晶體結(jié)構(gòu)簡立方體心立方面心立方9晶向指數(shù)晶向指數(shù)的確定方法①建立以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系。②定出該晶向上任兩點的坐標(biāo)。③用末點坐標(biāo)減去始點坐標(biāo)。④將相減后所得結(jié)果約成互質(zhì)整數(shù)，加一方括號。10晶面及晶面指數(shù)(密勒指數(shù))晶面指數(shù)的確定方法①在以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系中取該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距。②取截距的倒數(shù)。③將倒數(shù)約成互質(zhì)整數(shù)，加一圓括號。

11立方晶系的晶向12Si晶體的晶向1314四種晶體缺陷點缺陷特點是在空間三維方向上的尺寸都很小，約為幾個原子間距，又稱零維缺陷種類⑴空位⑵填隙原子⑶置換原子15線缺陷線缺陷就是各種類型的位錯。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。其特點是原子發(fā)生錯排的范圍只在一維方向上很大，是一個直徑為3～5個原子間距，長為數(shù)百個原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。1617面缺陷面缺陷是由于表面上的原子與晶體內(nèi)部的原子相比其配位數(shù)較少，使得表面原子偏離正常位置，在表面層產(chǎn)生了晶格畸變。體缺陷在3個方向上都失去了排列的規(guī)則性。(淀積)18硅的物理性能硅是目前半導(dǎo)體中用的最多的一種襯底材料每年生產(chǎn)約1.5億片，總面積約3~4km2硅的性能屈服強度7x109N/m2彈性模量

1.9x1011N/m2密度

2.3g/cm2熱導(dǎo)率

1.57Wcm-1°C-1熱膨脹系數(shù)

2.33x10-6°C-1電阻率(P)n-型1-50?.cm電阻率(Sb)n-型0.005-10?.cm電阻率(B)p-Si0.005-50?.cm少子壽命30-300μs氧5-25ppm(百萬分之一)碳1-5ppm缺陷

<500cm-2直徑

Upto200mm重金屬雜質(zhì)

<1ppb(十億分之一)19硅的特性及優(yōu)點當(dāng)今，絕大多數(shù)集成電路都是用半導(dǎo)體硅作為起始材料，主要是由于這種半導(dǎo)體材料具有下列特性及優(yōu)點：（1）它的原子重量輕，而且資源充足；（2）高純單晶硅容易生長；（3）具有比較大能帶間隙；（4）通過摻雜能容易地形成p-n結(jié)；（5）優(yōu)良的熱導(dǎo)體；（6）容易形成性能優(yōu)異的本征、電絕緣和穩(wěn)定的氧化物；（7）電子遷移率高。

20硅的原子結(jié)構(gòu)2122硅的晶體生長硅的純化SiO2+2CSi(冶金級.純度可達(dá)98﹪）(粉末狀)+2COSi+3HClSiHCl3+H22SiHCl3(蒸餾后的)+2H22Si(電子級)+6HCl電子級多晶硅(棒狀或粒狀)的純度可達(dá)99.999999999﹪23冶金級硅的純化24半導(dǎo)體級硅的生產(chǎn)方法⑴直拉法單晶生長(Czochralski法)

最常見的生長方法⑵區(qū)熔法單晶生長(FloatingZone法)⑶Bridgman法生長GaAs

主要用于光電子器件25直拉法單晶生長(Czochralski法)26多晶硅放在坩堝中，加熱到1420oC將硅熔化，將已知晶向的籽晶插入熔化硅中然后拔出。硅錠旋轉(zhuǎn)速度20r/min坩堝旋轉(zhuǎn)速度10r/min提升速度：1.4mm/min(

100mm)摻雜P、B、Sb、As2728

300mm硅片和Pizza比較芯片加工廠一角芯片直徑增大,均勻性問題越來越突出29一般晶圓制造廠，將多晶硅融解后，再利用硅晶種慢慢拉出單晶硅棒。一支85公分長，重76.6公斤的8英寸硅晶棒，約需2天半時間長成。經(jīng)研磨、拋光、切片、后即成半導(dǎo)體之原料-晶圓片。30區(qū)熔法單晶生長(FloatingZone法)31區(qū)熔法單晶生長的特點主要用于制備高純度硅或無氧硅生長方法多晶硅錠放置在一個單晶籽晶上，多晶硅錠由一個外部的射頻線圈加熱，使得硅錠局部熔化，隨著線圈和熔融區(qū)的上移，單晶籽晶上就會往上生長單晶。電阻率高無雜質(zhì)沾污機械強度小，尺寸小32兩種生產(chǎn)方法的對比CZ法(Czochralski)

①應(yīng)用更普遍(占85﹪以上)②成本低

③可生產(chǎn)大直徑(300mm)的硅錠

FZ法(FloatingZone)

①

可生產(chǎn)高純度且含氧量低的硅錠(不用坩鍋)

②成本高昂

③生產(chǎn)出的硅錠直徑較小(150mm)

④主要用于功率器件33冶金級硅---多晶硅(電子級)---單晶硅(半導(dǎo)體級)硅在生產(chǎn)過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化34確定定位邊定位邊作用是用來標(biāo)示該硅錠的晶向和摻雜類型3536后續(xù)工藝①切片

②激光標(biāo)識③倒角④腐蝕⑤拋光⑥清洗37切片在硅片加工過程中，從單晶硅棒開始的第一個步驟就是切片。這一步驟的關(guān)鍵是如何在將單晶硅棒加工成硅片時盡可能地降低損耗，也就是要求將單晶棒盡可能多地加工成有用的硅片。為了盡量得到最好的硅片，硅片要求有最小量的翹曲和最少量的刀縫損耗。切片過程定義了平整度可以基本上適合器件的制備。這一過程會產(chǎn)生大量的顆粒和大量的很淺表面損傷。很重要的一點就是保持硅片的順序，因為這時它們還沒有被標(biāo)識區(qū)分。切片過程中有兩種主要方式——內(nèi)圓切割和線切割。這兩種形式的切割方式被應(yīng)用的原因是它們能將材料損失減少到最小，對硅片的損傷也最小，并且允許硅片的翹曲也是最小。38內(nèi)圓切割39激光標(biāo)識

在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片會被用激光刻上標(biāo)識。一臺高功率的激光打印機用來在硅片表面刻上標(biāo)識。硅片按從晶棒切割下的順序進(jìn)行編碼，因而能知道硅片的正確位置。這一編碼是統(tǒng)一的，用來識別硅片并知道它的來源。編碼能表明該硅片從哪一單晶棒的什么位置切割下來的。保持這樣的追溯是很重要的，因為單晶的整體特性會隨著晶棒的一頭到另一頭而變化。編號需刻的足夠深，從而到最終硅片拋光完畢后仍能保持。在硅片上刻下編碼后，即使硅片有遺漏，也能追溯到原來位置，而且如果趨向明了，那么就可以采取正確的措施。激光標(biāo)識可以在硅片的正面也可在背面，盡管正面通常會被用到。40倒角當(dāng)切片完成后，硅片有比較尖利的邊緣，就需要進(jìn)行倒角從而形成子彈式的光滑的邊緣。倒角后的硅片邊緣有低的中心應(yīng)力，因而使之更牢固。這個硅片邊緣的強化過程，能使之在以后的硅片加工過程中，降低硅片的碎裂程度。4142腐蝕

磨片之后，硅片表面還有一定量的均衡損傷，要將這些損傷去除，但要盡可能低的引起附加的損傷。比較有特色的就是用化學(xué)方法。有兩種基本腐蝕方法：堿腐蝕和酸腐蝕。兩種方法都被應(yīng)用于溶解硅片表面的損傷部分。通常用的都是基于HF-HNO3

系統(tǒng)

3Si+4HNO3+6HF→3H2SiF6+4NO+8H2O43拋光

硅片拋光的目的是得到一非常光滑、平整、無任何損傷的硅表面。拋光的過程類似于磨片的過程，只是過程的基礎(chǔ)不同。磨片時，硅片進(jìn)行的是機械的研磨；而在拋光時，是一個化學(xué)/機械的過程。這個在操作原理上的不同是造成拋光能比磨片得到更光滑表面的原因。拋光時，用特制的拋光襯墊和特殊的拋光砂對硅片進(jìn)行化學(xué)/機械拋光。硅片拋光面是旋轉(zhuǎn)的，在一定壓力下，并經(jīng)覆蓋在襯墊上的研磨砂。拋光砂由硅膠和一特殊的高pH值的化學(xué)試劑(NaOH)組成。這種高pH的化學(xué)試劑能氧化硅片表面，又以機械方式用含有硅膠的拋光砂將氧化層從表面磨去。硅片通常要經(jīng)多步拋光。第一步是粗拋，用較硬襯墊，拋光砂更易與之反應(yīng)，而且比后面的拋光中用到的砂中有更多粗糙的硅膠顆粒。第一步是為了清除腐蝕斑和一些機械損傷。在接下來的拋光中，用軟襯、含較少化學(xué)試劑和細(xì)的硅膠顆粒的拋光砂。清除剩余損傷和薄霧的最終的拋光稱為精拋。44清洗

硅片拋光后，表面有大量的沾污物，絕大部分是來自于拋光過程的顆粒。拋光過程是一個化