半導(dǎo)體制造技術(shù)：基材處理

Chapter3

SubstrateProcessing

基材處理MostImportantSemiconductorMaterial:Silicon(最重要的半導(dǎo)體材料：Si)Abundance豐富ThermalStability熱穩(wěn)定性EasytoformSiO2

容易形成二氧化硅SiO2isverygooddielectricmaterial&diffusionmask二氧化硅是非常良好的介電材料與擴(kuò)散掩膜金剛石結(jié)構(gòu)(F)Screwdislocation簡單的0維與1維半導(dǎo)體缺陷：（A）空位；（B）自間隙缺陷；（C）替代式雜質(zhì)；（D）刃位錯(cuò)；（E）位錯(cuò)環(huán)；（F）螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)的運(yùn)動（中間的圖），通過（A）攀移和（B）滑移本征層錯(cuò)是去除{111}原子方向的平面的一部分。非本征層錯(cuò)是增加原子在（111）方向的部分平面。標(biāo)簽A,B,C對應(yīng)于三個(gè)金剛石晶格的不同的平面。氧在硅中的溶解度。虛線對應(yīng)于最高和最低的變化FabricationofPolycrystallineSi

（多晶硅的制造）GrowthofSingleCrystallineSilicon

（單晶硅的生長）CzochralskiMethod（提拉法，這人叫做柴可拉絲機(jī)）FloatingZoneMeltingMethod（懸浮區(qū)熔法）Thebasicprincipleofbothofthetwomethodsisameltingandrecrystallizationprocess.（兩種方法的基本原理是一個(gè)熔化和再結(jié)晶過程）CzochralskiMethod

熔煉多晶硅，摻雜引入晶種晶體生長開始晶體提拉從熔融硅中生成晶體CzochralskiMethod

(直拉法)DopingintheSiliconGrowthProcess

（在生長過程中摻雜硅）P-typedopant:BoronP型雜質(zhì)硼N-typedopant:PhosphorN型摻雜劑：磷Inthedopingprocess,thedopantconcentrationisdifferentinthecrystalandinthemeltedSi，expressedwiththeSegregationCoefficient(分凝系數(shù)):k0=Cs/Cl

（在該摻雜工藝中，摻雜劑濃度在晶體與熔融Si中是不同的，用偏析系數(shù)表達(dá)（分凝系數(shù)）：

k0=Cs/Cl）AlAsBOPSb0.0020.30.80.250.350.023Thevalueofthesegregationcoefficientofsomecommondopants（一些常見的摻雜劑的分凝系數(shù)的值）Theimpurityconcentrationinthesolidcrystalthatresultsfromfreezinganincrementalamountofvolumecanbeobtainedfromconsiderationofthesegregationcoefficient.（凝固形成的固體晶體的雜質(zhì)濃度可以通過偏析系數(shù)來獲得）EffectiveSegregationCoefficient

（有效分離系數(shù)）Inrealcrystalgrowth,thedopantconcentrationisnotuniforminthemeltedpart.Thereisagradientofconcentration.EffectiveSegregationCoefficientkeisusedtoreplacek0.（實(shí)際的晶體生長，摻雜劑濃度在熔化的部分是不均勻的。有濃度梯度。有效分離系數(shù)Ke用來取代K0）Visthegrowthspeed.Disthediffusioncoefficientofthedopant.δisthethicknessofthesolid–liquidboundarylayer.（V是生長速度。D是摻雜劑的擴(kuò)散系數(shù)。δ是固-液邊界層的厚度。）ControllingtheUniformityoftheDoping

(控制摻雜劑的均勻性)Choosedopantofwhichthek0iscloseto1.選擇K0接近1的摻雜劑。IncreasetheboulegrowthrateV.Sothatkeisincreased.（提高剛玉增長率V，這樣增加Ke。）Decreasetherotationspeedtoincreasetheboundarythicknessδ.（減小旋轉(zhuǎn)速度增加邊界厚度δ）Floatingzoneprocess

（浮動區(qū)域熔煉過程）AlsocalltheZoneMeltingorZoneRefining.（也區(qū)域熔化或區(qū)熔精煉）NotonlyforgrowthofSi,butalsoforotherimpurityremovalapplications.（不僅適用于硅的生長，同時(shí)也也用于其它雜質(zhì)去除的過程。）懸浮區(qū)熔法生長硅單晶示意圖Nocrucible,lowcontaminationLowproductionrateDifficulttogetuniformdoping無坩堝，低污染較低的生產(chǎn)速度難以得到均勻摻雜GrowthofGaAssinglecrystals

（GaAs單晶的生長）LiquidEncapsulatedCzochralski-B2O3isusedtopreventthevaporizingofGaandAs.（液體封裝提拉法-B2O3用于防止Ga和As汽化）BNcrucibleswereusedinsteadofSiO2cruciblestopreventcontaminationofSi.（氮化硼坩堝代替SiO2坩堝，防止坩堝中的Si的污染）Bridgman

GrowthofGaAs

（砷化鎵的布里奇曼增長）隨著爐體向右運(yùn)動，籽晶附近的GaAs熔體慢慢被冷卻成單晶，固液界面向右推進(jìn)。固體砷的加入是因?yàn)樯楸孺壍恼魵鈮捍蟆iliconWaferFabricationProcess（硅晶圓的制造過程）晶錠整形trimming－除去不規(guī)則的部位，比如去掉籽晶和錠尾；打磨外圓確定直徑等；在晶錠上磨出平邊或淺槽orientation－指示晶向和摻雜類型（P型或N型）；200mm及以上的晶棒用淺槽，以下用平邊。切割硅片slicing－一般是<111>，<100>方向；邊緣倒角edging－除去棱角，避免后續(xù)工藝中的損傷和缺陷；初步研磨lapping－初步使硅片表面平整化；化學(xué)刻蝕chemicaletching－除去殘留污漬和損傷；化學(xué)機(jī)械拋光CMP－增加平整度，減少損傷；吸雜處理gettering－減少硅片內(nèi)部缺陷，比如通過背部引入損傷（非本征吸雜），或氧淀積（本征吸雜）進(jìn)行吸雜。SchemeofSiliconEdgeGrindingChemicalMechanicalPlanarization

-CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）約1990年前，CMP被看作為太“臟”在高精度的制造工藝中，因?yàn)槟p會創(chuàng)造顆粒并且磨料本身也不是沒有雜質(zhì)。自那時(shí)以來，集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從鋁向銅傾斜。這需要圖案化工藝的發(fā)展，這依賴于CMP的獨(dú)特能力，即以平面和均勻的方式去掉材料，以及停止重復(fù)地在銅和絕緣氧化物層之間的界面（參見銅基芯片的詳細(xì)信息）。采用這種工藝使CMP處理更為普遍。除了鋁和銅，CMP工藝已經(jīng)用于拋光鎢，二氧化硅，和（最近）碳納米管。Theroughnessofthewafersurface

（晶片表面的粗糙度）DicingEdgingLappingEtchingCMPCrystalFaceIdentification（晶面識別）Themostcommonwafersurface:（111）&（100）。（最常用的晶圓面）Orientation:Useprimaryflatandsecondaryflattorecognizethecrystalorientation.Itisnecessaryfordicingandidentifythetypeofdoping.（定位：使用主平面和第二平面來識別晶體取向。這對于切割，并確定摻雜的類型是必要的。）OrientationFlatsareusedforidentifytheorientationofwaferssmallerthan200mm.LargerwafersarewithOrientationNotches.取向平面用于識別小于200mm晶圓的取向。更大的晶圓用缺口方向識別Usuallychoose｛110｝astheprimaryflat

（通常選擇{110}面作為主平面）OpticalOrienting（光學(xué)定向）CleavingFacets（切開刻面）AcutRuby（經(jīng)切割的紅寶石）Theredcoloriscausedmainlybythepresenceoftheelement

chromium.Itsnamecomesfrom

ruber,

Latin

forred.Othervarietiesofgem-qualitycorundumarecalled

sapphires.紅顏