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(gè)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(kāi)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(gè)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(zhǎng)程有序)非晶體原子排列短程有序或無(wú)序

6晶體與非晶體晶體的主要特點(diǎn)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(diǎn)；④在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。非晶體的主要特點(diǎn)是①結(jié)構(gòu)無(wú)序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；③沒(méi)有固定的熔點(diǎn)；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(diǎn)，構(gòu)成空間格架晶胞:保持點(diǎn)陣幾何特征的基本單元(共14種)，即對(duì)于任何給定的晶體，可以用來(lái)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(jiǎn)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(zhǎng)作為單位長(zhǎng)度的右旋坐標(biāo)系。②定出該晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)。③用末點(diǎn)坐標(biāo)減去始點(diǎn)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(hào)。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(zhǎng)作為單位長(zhǎng)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(hào)。

11立方晶系的晶向12Si晶體的晶向1314四種晶體缺陷點(diǎn)缺陷特點(diǎn)是在空間三維方向上的尺寸都很小，約為幾個(gè)原子間距，又稱(chēng)零維缺陷種類(lèi)⑴空位⑵填隙原子⑶置換原子15線(xiàn)缺陷線(xiàn)缺陷就是各種類(lèi)型的位錯(cuò)。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍只在一維方向上很大，是一個(gè)直徑為3～5個(gè)原子間距，長(zhǎng)為數(shù)百個(gè)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(gè)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(qiáng)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(wàn)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(diǎn)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(diǎn)：（1）它的原子重量輕，而且資源充足；（2）高純單晶硅容易生長(zhǎng)；（3）具有比較大能帶間隙；（4）通過(guò)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(zhǎng)硅的純化SiO2+2CSi(冶金級(jí).純度可達(dá)98﹪）(粉末狀)+2COSi+3HClSiHCl3+H22SiHCl3(蒸餾后的)+2H22Si(電子級(jí))+6HCl電子級(jí)多晶硅(棒狀或粒狀)的純度可達(dá)99.999999999﹪23冶金級(jí)硅的純化24半導(dǎo)體級(jí)硅的生產(chǎn)方法⑴直拉法單晶生長(zhǎng)(Czochralski法)

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

主要用于光電子器件25直拉法單晶生長(zhǎng)(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(wèn)題越來(lái)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(zhǎng)，重76.6公斤的8英寸硅晶棒，約需2天半時(shí)間長(zhǎng)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(zhǎng)(FloatingZone法)31區(qū)熔法單晶生長(zhǎng)的特點(diǎn)主要用于制備高純度硅或無(wú)氧硅生長(zhǎng)方法多晶硅錠放置在一個(gè)單晶籽晶上，多晶硅錠由一個(gè)外部的射頻線(xiàn)圈加熱，使得硅錠局部熔化，隨著線(xiàn)圈和熔融區(qū)的上移，單晶籽晶上就會(huì)往上生長(zhǎng)單晶。電阻率高無(wú)雜質(zhì)沾污機(jī)械強(qiáng)度小，尺寸小32兩種生產(chǎn)方法的對(duì)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(jí)硅---多晶硅(電子級(jí))---單晶硅(半導(dǎo)體級(jí))硅在生產(chǎn)過(guò)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(lái)標(biāo)示該硅錠的晶向和摻雜類(lèi)型3536后續(xù)工藝①切片

②激光標(biāo)識(shí)③倒角④腐蝕⑤拋光⑥清洗37切片在硅片加工過(guò)程中，從單晶硅棒開(kāi)始的第一個(gè)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(shí)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(guò)程定義了平整度可以基本上適合器件的制備。這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒和大量的很淺表面損傷。很重要的一點(diǎn)就是保持硅片的順序，因?yàn)檫@時(shí)它們還沒(méi)有被標(biāo)識(shí)區(qū)分。切片過(guò)程中有兩種主要方式——內(nèi)圓切割和線(xiàn)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(duì)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(shí)

在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片會(huì)被用激光刻上標(biāo)識(shí)。一臺(tái)高功率的激光打印機(jī)用來(lái)在硅片表面刻上標(biāo)識(shí)。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(lái)識(shí)別硅片并知道它的來(lái)源。編碼能表明該硅片從哪一單晶棒的什么位置切割下來(lái)的。保持這樣的追溯是很重要的，因?yàn)閱尉У恼w特性會(huì)隨著晶棒的一頭到另一頭而變化。編號(hào)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(lái)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(shí)可以在硅片的正面也可在背面，盡管正面通常會(huì)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(gè)硅片邊緣的強(qiáng)化過(guò)程，能使之在以后的硅片加工過(guò)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(wú)任何損傷的硅表面。拋光的過(guò)程類(lèi)似于磨片的過(guò)程，只是過(guò)程的基礎(chǔ)不同。磨片時(shí)，硅片進(jìn)行的是機(jī)械的研磨；而在拋光時(shí)，是一個(gè)化學(xué)/機(jī)械的過(guò)程。這個(gè)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(shí)，用特制的拋光襯墊和特殊的拋光砂對(duì)硅片進(jìn)行化學(xué)/機(jī)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(jī)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(jī)械損傷。在接下來(lái)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(chēng)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(lái)自于拋光過(guò)程的顆粒。拋光過(guò)程是一個(gè)化