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晶體生長及晶圓制備
來源:與非網 | 作者:chnchip | 發布時間: 2021-01-19 | 603 次瀏覽 | 分享到:

01、晶體材料
半導體材料硅的制備

半導體器件或者電路實在半導體材料晶圓表層形成的,用量最廣的還是半導體硅,這些晶圓的雜質含量必須很低,必須是指定的晶體結構,必須是光學表面,并達到指定的電氣性能和對應的相應規格要求。

 

我們都知道 Si 在自然界中大量的存在,半導體制造的第一階段便是從沙石中選取和提純半導體材料的原料。將沙石轉化為硅化物,如四氯化硅或者三氯硅烷,再與氫反應形成半導體級的硅原料,這一便達到純度高達 99.9999999%的硅,它是一種我們稱為多晶或者多晶硅(polysilicon)的晶體結構。

 

氫氣還原三氯硅烷反應方程式

 

晶體和非晶體

材料中原子的組織結構是導致材料不同的一種方式,有些材料,例如硅和鍺,原子在整個材料里重復排列或者非常固定的結構,我們將此類材料稱為晶體(crystal)。原子沒有固定周期性排列的材料稱之為非晶體或者無定形(amorphous),塑料局勢無定型材料。

對于晶體材料實際上可能有兩個級別的原子組織結構,第一個是單個原子的組織結構,晶體里的原子排列為晶胞(unit cell)結構,晶胞結構在晶體里到處重復。另一個涉及晶胞結構的術語是晶格(lattice),晶體材料具有特定的晶格結構,并且原子位于晶格結構的特定點。在晶胞里原子數量、相對位置和原子間的結合能可以帶來材料的許多特性,每個晶體材料具有獨一無二的晶胞。

 

硅晶胞具有 16 個原子排列成金剛石結構:

 

砷化鎵晶體具有 18 個原子的閃鋅礦結構:


 

多晶和單晶

在本征半導體中,晶胞間不是規則排列的,好似方塊雜亂無章地堆起來一樣,每個方塊代表一個晶胞,我們稱之為多晶結構;當晶胞整潔而有規則地排列時,我們稱其具有單晶結構。

 

 

單晶結構的材料相對于多晶結構來說具有更一致和更可預測的性質,單晶結構允許在半導體里一致和可預測性的電子流動,所以單晶結構是半導體器件所需的。

 

晶體定向

對于一個晶圓,除了要單晶結構,還需要有特定的晶向(crystal orientation)。在垂直平面或者角對角切割可以得到不同的平面,不同的原子數以及不同的原子間結合能,每個平面具有不同的化學、電學和物理特性。晶面一般通過一系列稱為密勒指數的三個數字組合來表示,在硅晶圓中常使用的晶向<100>和<111>:

 

 

一般<100>晶向的晶圓被用來制造 MOS 器件,而<111>晶向的晶圓被用來制造雙極型器件。


02、晶體生長
半導體晶圓是從晶棒上切割得來,而晶棒是從大塊具有多晶結構和未摻雜的本征半導體生長得來。設定正確的定向和適量的 N 型或者 P 型摻雜,將多晶塊轉變成一個大單晶的過程我們稱之為晶體生長。晶體生長的方法大致有:直拉法和區熔法。

 

直拉法(CZ)

設備主體為一個石英坩堝,由帶射頻波的線圈環繞來加熱,或者由電流加熱器加熱。首先將多晶和摻雜物加熱到液態,接著將籽晶安置到剛接觸到液面,籽晶是具有和所需晶體相同晶向的小晶體,可由化學氣相的技術制造,實際應用中可拿之前生長的單晶重復使用。

 

 

當籽晶從熔融物中慢慢上升時,晶體生長開始了,籽晶和熔融物間的表面張力致使一層熔融物的薄膜附著到籽晶上然后冷卻。在冷卻過程中,在熔化的半導體材料的原子定向到籽晶一樣的晶體結構,籽晶的定向在生長的晶體中傳播。在熔融物中的摻雜原子進入生長的晶體中,生成 N 型或者 P 型晶體。

 

為了實現均勻摻雜、完美晶體和直徑控制,籽晶和坩堝在整個晶體生長過程中以相反的方向旋轉,工藝控制需要一套復雜的反饋系統,綜合轉速、拉速及熔融物溫度參數。

 

拉晶分為三個階段,開始形成一薄層頭部、接著等徑生長、最后收尾,直拉法能夠生長出幾英尺長和直徑達到 12 英寸或者更大的晶棒。

 

液體掩蓋直拉法(LEC):其和上述的直拉法一樣,只不過其是用來生長砷化鎵晶體。由于熔融物中的砷具有揮發性,在晶體生長過程中揮發出的砷會造成不均勻的晶體。有兩種解決辦法,一個是給單晶爐加壓來抑制砷的揮發,另一個就是在熔融物表面加上一層氧化硼(B2O3)來抑制砷的揮發。

 

區熔法

區熔法晶體生長是早期發展起來的幾種工藝之一,仍在一些特殊需求中使用。直拉法的一個缺點是坩堝中的氧進入到晶體中,對于有些器件高濃度的氧是不能接受的,此時可以用區熔法來獲得低的氧含量。

 

 

區熔法晶體生長需要一根多晶棒和澆鑄在模具中的摻雜物。籽晶融合到棒的一端,夾持器裝在單晶爐中,當高頻線圈加熱多晶棒和籽晶的界面時,多晶到單晶的轉變開始了。線圈沿著多晶棒的軸移動,將多晶棒加熱到液相,在每一個熔融區,原子排列成末端籽晶的方向,這樣整個棒以開始籽晶的定向轉變成一個單晶。


03、晶體缺陷
晶體是不完美的,我們一般稱之為晶體缺陷,在半導體器件中,晶體缺陷會引起有害的漏電流,可能會阻止器件的正常工作。晶體缺陷大致分為點缺陷、位錯和原生缺陷。

 

點缺陷

來源有兩類,一類來源是由晶體中雜質原子擠壓晶體結構引起應力所致;一類來源于空位,在這種情況下,有某個原子在晶體結構的位置上缺失了。

 

位錯

位錯是在單晶中一組晶胞排錯位置;位錯在晶圓中發生是由于晶體生長條件和晶體內的晶格應力,也可能是由于制造過程中的物理損壞。碎片或崩邊成為晶格應力的交點會產生一條位錯線,隨著后面的高溫工藝擴展到晶圓內部。位錯可以通過一種特殊腐蝕手段顯示出來,典型的晶圓具有 200~1000 的位錯密度。

 

原生缺陷

在晶體生長中,一定的條件會導致結構缺陷,有一種缺陷叫滑移,即沿著晶體平面產生的晶體滑移;另一種叫孿晶,即同一界面生長出兩種不同方向晶體的情形。這兩種缺陷都是造成晶體報廢的主要原因。


04、晶圓處理
截斷

晶體從單晶爐里出來之后,第一步就是截掉頭尾。

 

直徑滾磨

在晶體生長過程中,整個晶體長度中是有偏差的,晶圓制造過程中有各種各樣的晶圓固定器和自動設備,需要嚴格的直徑控制以減少晶圓翹曲和破碎。直徑滾磨是在一個無中心的滾磨機上進行的機械操作。

 

晶體定向、電導率和電阻率檢查

要確保晶體是否達到定向和電阻率的規格要求。晶體定向是由 X 射線衍射或者平行光衍射來確定的,晶體的一端被腐蝕或拋光來去除損傷層,再將晶體安放到衍射儀上,X 涉嫌或平行光反射晶體表面到成像板上,從而可以看到晶體的晶向。晶棒黏放在一個切割塊上來保證晶圓從晶體正確的晶向切割。

 

由于晶體是經過摻雜的,一個重要的電學性能檢查是導電類型(N 型或者 P 型),以保證使用了正確的摻雜物。而進入晶體的摻雜物數量由電阻率測量來確定。

 

滾磨定向

一旦晶體在切割塊上定好晶向,就沿著軸滾磨出一個參考面,這個參考面將會在每個晶圓上出現,稱之為主參考面。對于更大直徑的晶圓,在晶體上磨出一個槽用來標識晶圓的晶向,有些情況下在晶體上磨出一個簡單的凹槽來作為生產晶向的定位。

 

切片

用有金剛石涂層的內圓刀片把晶圓從晶棒上切下來,這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片。對于大直徑的晶圓使用線切割可以保證小錐度的平整表面和最少量的刀口損失。

 

磨片

半導體晶圓的表面要規則沒有切割損傷,并且要平整,平整度是小尺寸圖片絕對必須的條件,先進的光刻工藝把所需的圖案投影到晶圓表面,如果表面不平整,將會發生扭曲。

 

為了保證晶圓的平整度,一般分為磨片和化學機械拋光,磨片的主要目的是為了去除切片工藝殘留的表面損傷。化學機械拋光是以堿性拋光液在晶圓表面形成一層薄的二氧化硅,拋光墊以持續的機械摩擦來去除氧化物,這樣晶圓表面的高點被除掉,直到獲得特別平整的表面。

 

背面處理

在許多情況下,晶圓的正面經過充分的化學機械拋光,而背面留下粗糙或者腐蝕到光亮的外觀。對于某些器件的使用,背面可能會收到特殊的處理而導致缺陷,我們稱之為背損傷,背損傷產生位錯的生長輻射進入晶圓,這些位錯現象屬于陷阱,會俘獲制造工藝中引入的可移動金屬離子污染,我們將俘獲的過程叫吸雜。一般背面處理技術有背面噴沙,背面多晶層或氮化硅的沉淀等。

 

邊緣倒角和拋光

邊緣倒角是使晶圓邊緣圓滑的機械工藝,應用化學拋光進一步加工邊緣,盡可能減少制造中的邊緣崩邊和損傷,邊緣崩邊和損傷會導致碎片或成為位錯線的核心。

 

晶圓在包裝之前,還需要進行最終的評估,然后進行表層氧化防止運輸過程中的損傷和污染,最后進行包裝。



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