半導體器件與工藝6課件

第六章硅片的制備與清洗半導體器件與工藝硅是用來制造芯片的主要半導體材料，也是半導體產業(yè)中最重要的材料。對于可用于制造半導體器件的硅而言，使用一種特殊純度級以滿足嚴格的材料和物理要求。在硅片上制作的芯片的最終質量與開始制作時所采用的硅片的質量有直接關系。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。半導體級硅

用來做芯片的高純硅被稱為半導體級硅（semiconductor-gradesilicon），或者SGS，有時也被稱做電子級硅。

半導體級硅

非晶材料是指非晶固體材料，它們沒有重復的結構，并且在原子級結構上體現(xiàn)的是雜亂的結構。非晶硅對生產半導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和機械性質都與它的原子級結構有關。這就要求重復性的結構使得芯片與芯片之間的性能有重復性。

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。晶胞在三維結構中是最簡單的由原子組成的重復單元，它給出了晶體的結構。在一個晶體結構中，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構的。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構的面心立方結構晶胞不同，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構中的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

晶向非常重要，因為它決定了在硅片中晶體結構的物理排列是怎樣的。不同晶向的硅片的化學、電學和機械性質都不一樣，這會影響工藝條件和最終的器件性能。如果晶體是單晶結構，那么所有的晶胞就都會沿著這個坐標軸重復地排列。

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＜＞表示對應的方向。多晶和單晶結構

晶體生長是把半導體級硅的多晶硅轉換成一塊大的單晶硅。生長后的單晶硅被稱為硅單晶錠。現(xiàn)在生產用于硅片制備的單晶硅錠最普遍的技術是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制籽晶結構，并最后生長成一個大的硅錠。這些是通過CZ拉單晶爐的設備得到的。

單晶硅生長—CZ法

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是產生P型硅的三價硼或者產生n型硅的五價磷。通常摻雜雜質不直接加入到熔體中，這是由于摻雜雜質數(shù)量非常少。典型的工藝是采用將摻雜雜質加入到被粉碎的硅粉中的形式進行摻雜。

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的半導體級硅。

大直徑硅錠

晶體缺陷(crystaldefect)就是在重復排列的晶胞結構中出現(xiàn)的任何中斷。硅晶體缺陷對半導體的電學特性有破壞作用。隨著器件尺寸的縮小以及有源柵區(qū)面積的增加，更多的晶體管集成在一塊芯片上，缺陷出現(xiàn)在芯片敏感區(qū)域的可能性就會增加。這樣的缺陷會對先進的IC器件的成品率有負面影響。

硅中主要存在三種普遍的缺陷形式：1.點缺陷：原子層面的局部缺陷2.位錯：錯位的晶胞3.層錯：晶體結構的缺陷硅中的晶體缺陷

點缺陷點缺陷存在于晶格的特定位置。最基本的一種缺陷是空位。這種缺陷是當一個原子從其格點位置移開時出現(xiàn)。另一種點缺陷是間隙原子，它存在于晶體結構的空隙中，當一個原子離開其格點位置并且產生了一個空位時，就會產生間隙原子-空位對，或叫Frenkel缺陷。

硅中的晶體缺陷

位錯在單晶中，晶胞形成重復性結構。如果晶胞錯位，這種情況就叫做位錯。位錯可以在晶體生長和硅片制備過程中的任意階段產生。然而，發(fā)生在晶體生長之后的位錯通常由作用在硅片上的機械應力所造成，例如不均勻的受冷或受熱以及超過硅片承受范圍的應力。硅中的晶體缺陷

硅是硬而脆的材料，晶體生長后的硅錠對半導體制造來說用處很小。圓柱形的單晶硅錠（又叫單晶錠）要經過一系列的處理過程，最后形成硅片，才能達到半導體制造的嚴格要求。這些硅片制備步驟包括機械加工、化學處理、表面拋光和質量測量。硅片制備的基本流程如圖所示。硅片制備整型處理硅單晶錠在拉單晶爐中生長完成后，整型處理是接下來的第一步工藝。整型處理包括在切片之前對單晶硅錠做的所有準備步驟。

■去掉兩端第一步是把硅單晶錠的兩端去掉。當兩端被去掉后，可用四探針來檢查電阻以確定整個硅單晶錠達到合適的雜質均勻度。

■徑向研磨徑向研磨來產生精確的材料直徑。由于在晶體生長中直徑和圓度的控制不可能很精確，所以硅單晶錠都要長得稍大一點以進行徑向研磨。對半導體制造中流水線的硅片自動傳送來講，精確的直徑控制是非常關鍵的。硅片制備整型處理

■硅片定位邊或定位槽半導體業(yè)界傳統(tǒng)上在硅單晶錠上做一個定位邊來標明晶體結構和硅片的晶向。主定位邊標明了晶體結構的晶向。還有一個次定位邊標明硅片的晶向和導電類型。硅片制備切片一旦整型處理完成后，硅錠就準備進行切片。對200mm以下硅片來講，切片是用帶有金剛石切割邊緣的內圓切割機來完成的。使用內圓切割機是因為邊緣切割時能更穩(wěn)定，使之產生平整的切面。硅片制備切片對300mm的硅片來講，由于大直徑的原因，內圓切割機不再符合要求。300mm的硅錠目前都是用線鋸來切片的。線鋸在切片過程中減少了對硅片表面的機械損傷。硅片的厚度在切片過程中得到了精確的控制。300mm硅片目前的厚度是775±25微米。更厚的硅片能夠承受在導體制造高溫工藝中的熱能以及機械震動。硅片制備磨片和倒角切片完成后，要進行雙面的機械磨片以去除切片時留下的損傷，達到硅片兩面高度的平行及平坦。磨片是用墊片和帶有磨料的漿料利用壓力旋轉來完成。硅片邊緣拋光修整（又叫倒角）可使硅片邊緣獲得平滑的半徑周線。在硅片邊緣的裂痕和小裂縫會在硅片上產生機械應力并會產生位錯。平滑的邊緣半徑對于將這些影響降到最小。硅片制備拋光制備硅片的最后一步是化學機械平坦化（CMP），它的目標是高平整度的光滑表面。硅片在拋光盤之間行星式的運動軌跡使硅片表面平坦且兩面平行。最后硅片的兩面都會像鏡子一樣。

硅片制備清洗半導體硅片必須被清洗使得在發(fā)送給芯片制造廠之前達到超凈的潔凈狀態(tài)。清洗規(guī)范在過去幾年中經歷了相當大的發(fā)展，使硅片達到幾乎沒有顆粒和沾污的程度。硅片制備硅片評估在包裝硅片之前，會按照客戶要求的規(guī)范來檢查是否達到質量標準。包裝硅片供應商必須仔細地包裝要發(fā)貨給芯片制造廠的硅片。硅片疊放在有窄槽的塑料片架或“舟”里以支撐硅片。碳氟化合物樹脂材料（如特氟綸）常被用于盒子材料使顆粒產生減到最少。另外，特氟綸被作成導體使其不會產生靜電釋放。裝滿硅片后，片架就會放在充滿氮氣的密封小盒里以免在運輸過程中氧化和其他沾污。當硅片到達硅片制造廠時，它們被轉移到其他標準化片架里使其在被這些制造設備的加工過程中傳送和處理。一種傳送容器是能容納25個硅片的容器，叫做前開口傳送盒，它與硅片制造廠里的自動傳送系統(tǒng)有連接。硅片制備質量測量

對硅片測量來說，硅片的均勻性是關鍵的。重要的硅片質量要求如下：●物理尺寸●平整度●微粗糙度●氧含量●晶體缺陷●顆?！耋w電阻率

硅片制備外延片在硅外延片中，硅基片作為籽晶在硅片上面生長一薄層硅。新的外延層會復制硅片的晶體結構。由于襯底硅片是單晶，外延層也是單晶。而且，外延層可以是n型也可以是p型，這并不依賴于原始硅片的摻雜類型。外延層的厚度可以不同，用于高速數(shù)字電路的典型厚度是0.5到5微米，用于硅功率器件的典型厚度是50到100微米。

硅片的清洗集成電路制造過程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、擴散和引線蒸發(fā)等工序前，采用物理或化學的方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物，以得到符合清潔度要求的硅片表面的過程。硅片表面的污染物通常以原子、離子、分子、粒子或膜的形式，以物理吸附或化學吸附的方式存在于硅片表面或硅片自身氧化膜中。硅片清洗要求既能去除各類雜質，又不損壞硅片。目前，晶片清洗成為集成電路生產中重復率最高的步驟（對于ULSI有80多道清洗工序）。清洗可分為物理清洗和化學清洗，化學清洗又包括液相清洗和氣相清洗等。

顆粒問題

電路的特征尺寸已由微米級降到深亞微米（0.25微米-65納米）和納米（<50納米）級的水平，這使得導致電路缺陷的顆粒尺寸下限值也相應苛刻。由于半導體元件制程日益精密復雜，對晶片表面潔凈度的要求也日益提高。硅片清洗是半導體器件中最重要、最頻繁的步驟，其效率將直接影響到器件的成品率、性能和可靠性。然而在ULSI制程中，氧化層的厚度已低于10nm，所以清洗后的晶片表面微粗糙度是必須考慮的問題。

顆粒問題

顆粒的危害集成電路工藝的重要特性之一是對雜質十分敏感，極微量的雜質都會對器件性能產生影響。但是，器件制作過程中的化學試劑、清洗用的水等都可能成為有害雜質的來源。微電子器件襯底表面的吸附物在p-n結擴散制作或離子注入時形成釘子模型，處于顆粒下面的硅片不能得到摻雜，導致低擊穿、管道擊穿。

顆粒問題

微粒源及微粒附著

在清洗過程中，微粒隨時都會產生，而微粒源來自于清洗用的超純水、化學品、環(huán)境及氣體等。由于單晶硅片極易吸附外來雜質，即使是存放在100級潔凈室(1m3空氣中不小于0.5塵粒數(shù)不多于3500個）內，只要經過一段時間之后，晶片上仍會附著塵埃。

有機物問題

硅片上的油脂等有機雜質（分子型雜質）可用有機溶劑溶除。有機物污染用溶解性很強的三氯乙烯、丙酮和乙醇等有機溶劑浸漬。同時采用加溫或者超聲波清洗，除塵效果更佳。此外，采用或等氧化劑和硫酸的混合液，在100℃左右的溫度下加熱處理5～10min也很有效。有機污染量不大時，用堿性溶液處理對硅片影響很小，可獲得良好的清洗效果。如3:1～4:1的硫酸和雙氧水混合液加熱清洗多用于光刻抗蝕劑的剝離。除上述濕法處理外，紫外線和臭氧處理或100～150Pa的氧壓等離子中灰化后處理方法，也同樣用于去除光刻膠等有機物的清洗。離子問題

在化學清洗中，經常采用生成絡合物的方法來清涂硅片表面的雜質，特別是對于那些用“三酸”也難以清除的重金屬雜質（金、銀、銅、鉑等）是很有效的。由原子可以形成簡單的分子。許多簡單分子之間還可以進一步結合，形成復雜的化合物。絡合物就是分子間化合物。銅、金、鐵等重金屬元素形成深能級而降低少數(shù)載流子的壽命，并產生晶格缺陷，導致硅氧化膜耐壓不良或漏電流增大。鈉、鉀等堿性金屬也在氧化膜中變成活性離子，使MOS性能不穩(wěn)定。因此，清除這些金屬雜質是十分必要的。

在硅片加工及器件制造過程中，所有與硅片接觸的外部媒介都是硅片沾污雜質的可能來源。這主要包括以下幾方面：硅片加工成型過程中的污染、環(huán)境污染、水造成的污染、試劑帶來的污染、工業(yè)氣體帶來的污染、工藝本身帶來的污染、人體造成的污染等。

硅片表面沾污雜質的來源和分類晶片清洗的原理及方法

物理去除法對附著在晶片表面的微塵施加一些物理力，使之從晶片表面離去的方法有刷洗法及超聲波清洗等。刷洗法是最普及的方法，其優(yōu)點是：去除能力強、可以在短時間內完成清洗工作，但是易對硅片造成損傷，而且它的效率比較低。超聲波清洗則是以純水或堿性藥水的藥液注入超聲波內，使之在清洗中產生“氣穴現(xiàn)象”，利用此現(xiàn)象產生的力將微塵從晶片表面分離。晶片清洗的原理及方法

溶解污染物該方法就是利用藥液溶解除去晶片表面的污染物（有機物及無機物）。在半導體清洗的制程中，使用鹽酸和過氧化氫的混合溶液（HPM），對去除金屬離子很有效。還有一種叫做SPM的混合溶液，可有效地去除有機物及金屬污染。清洗中利用HF來進行氧化膜表面的清洗，是利用HF可以溶解表面氧化層及氧化層中的金屬離子，而達到清洗的目的。晶片清洗的原理及方法

防止污染物的再附著吸附在硅片表面上的雜質可分為分子型、離子型和原子型3種情況。其中，分子型雜質與硅片表面之間的吸附力較弱，清除這種雜質粒子比較容易。它們多屬于油脂類雜質，具有疏水性的特點，對于清除離子型和原子型雜質具有掩蔽作用。因此，在對硅片清洗時，首先應被清除。離子型雜質和原子型雜質屬于化學吸附雜質，其吸附力較強。在一般情況下，原子型吸附雜質的量較小，因此在化學清洗時，先清除掉離子型吸附雜質，然后去除殘存的離子型雜質及原子型雜質。最后用高純去離子水沖洗硅片，再加溫烘干或甩干就可得到潔凈表面的硅片。清洗硅片的一般工藝程序為：去分子一去離子一去原子一去離子水沖洗。

硅片清洗的常用方法與技術

濕法化學清洗利用各種化學試劑和有機溶劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質及油污發(fā)生化學反應或溶解作用，或伴以超聲、加熱措施，使雜質從被清除物體的表面脫附（解吸），然后用大量高純去離子水沖洗，從而獲得潔凈表面的過程。硅片清洗的常用方法與技術

溶液浸泡法溶液浸泡法就是通過將要清除的硅片放入溶液中浸泡來達到清除表面污染目的的一種方法，它是濕法化學清洗中最常用的一種方法。它主要是通過溶液與硅片表面的污染雜質在浸泡過程中發(fā)生化學反應及溶解作用，來達到清除硅片表面雜質的目的。硅片清洗的常用方法與技術

超聲波清洗技術超聲波清洗是半導體工業(yè)中廣泛應用的一種清洗方法，該方法的優(yōu)點是：清洗效果好，操作簡單。清洗原理：在強烈的超聲波作用下（常用的超聲波頻率為20-40kHz左右），液體內部會產生疏部和密部，疏部產生近乎真空的空腔泡，當空腔泡消失的瞬間，其附近便產生強大的局部壓力，使分子內的化學鍵斷裂，因此使硅片表面的雜質解吸。當超聲波的頻率和空腔泡的振動頻率共振時，機械作用力達到最大，泡內聚集的大量熱能，使溫度升高，促進化學反應的發(fā)生。硅片清洗的常用方法與技術

兆聲波清洗技術兆聲清洗的機理是由高能(850kHz)頻振效應并結合化學清洗劑的化學反應對硅片進行清洗的。清洗時不形成超聲波清洗那樣的氣泡，只以高速的流體波連續(xù)沖擊晶片表面，使硅片表面附著的污染物和微粒被強制除去并進入到清洗液中。這種方法能同時起到機械擦片和化學清洗兩種方法的作用。目前，兆聲波清洗方法已成為拋光片清洗的一種有效方法。

兆聲波清洗示意圖硅片清洗的常用方法與技術

激光清洗法

激光清洗是利用激光把表面沾污物浮起，然后利用流動的惰性氣體將雜質帶走。這種方法可除去表面小于0.1nm的顆粒，也可去除CMP拋光液殘余物、光刻殘留物、有害化學物和金屬離子等。這種方法可以不消耗水和化學試劑，不受親水性限制，也不會產生有害的廢料。硅片清洗的常用方法與技術

旋轉噴淋法旋轉噴淋法是指利用機械方法將硅片以較高的速度旋轉起來，在旋轉過程中通過不斷向硅片表面噴液體（高純去離子水或其他清洗液）而達到清除硅片目的的一種方法。該方法利用所噴液體的溶解（或化學反應）作用來溶解硅片表面的沾污，同時利用高速旋轉的離心作用，使溶有雜質的液體及時脫離硅片表面。同時由于所噴淋液體與硅片有較高的相對速度，所以會產生較大的沖擊力達到清除吸附雜質的目的。因此，可以說旋轉噴淋法既有化學清洗、又有高壓擦洗的優(yōu)點。同時該法還可以與硅片的甩干工序結合在一起進行。也就是采用去離子水噴淋清洗一段時間后，停止噴水，而采用噴惰性氣體，同時還可以通過旋轉速度，增大離心力，使硅片表面很快脫水。

濕法清洗的化學品

（1）RCA標準清洗1（SC-1）—NH4OH／H2O2／H2O主要應用在微粒子的清除。利用NH4OH的弱酸性來活化硅晶圓表層，將附著于表面的微粒去除。此外，NH4OH具有很強絡合作用，也可同時去除部分金屬離子。一般是以NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5的體積比例混合液在70℃溫度下進行5-10min的浸泡清洗，由于清洗液呈堿性，又可分解和去除有機物。（2）RCA標準清洗2（SC-2）—HCl／H2O2／H2O主要應用在金屬離子的去除，利用HCl所形成的活性離子易與金屬離子化合的原理。一般是以HCl:H2O2:H2O=1:1:6之體積比例混合液在70℃溫度下進行5-10min的浸泡清洗。濕法清洗的化學品

（3）SPM清洗—H2SO4／H2O2主要應用是有機物的去除，利用H2SO4的強氧化性來破壞有機物中的碳氫鍵。一般是以H2SO4:H2O=4:1的體積比例混合液在120℃溫度下進行10一15min的浸泡清洗。（4）稀釋HF清洗（DHF）—HF／H2O主要應用在清除晶片表面自然生成的氧化層。由于氧化物層厚有限，一般均可使用稀釋處理的氫氟酸（以HF1％最為普遍）在室溫下與二氧化硅形成H2SiF6的方式去除。清洗時間為15-30s。目前，最流行的新的清洗法是使用HF/O3對硅片進行清洗，該清洗法使用較RCA清洗法少的化學試劑與清洗步驟，同時可以達到更優(yōu)的清