晶圆制备

• 在室温下其他地方都完美的晶体中，1044个 晶格位置中将有一个是空位。 • 然而，当温度为1000℃时，Si中的空位缺 陷上升到没1010个晶格位置中就有一个。
• 影响因素 1.生长速率（晶体以多快的速度拉制） 2.晶体熔体界面间的温度梯度（熔体和固 体晶体 之间的温度差） 3.半导体制造中的热处理也会导致点缺陷 的产生 • 如果晶体冷却速率得到控制，就会减少缺 陷的产生
•几种工艺的比较
3.6 晶体和晶圆质量 •晶体缺陷：就是在重复排列的晶胞结构中出 现的任何中断。 •缺陷密度：在工艺过程中，由于各种原因在 每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。减少缺 陷密度是提高硅片成品率的重要方面。
• 晶体缺陷会产生于晶体生长和后面的硅锭 (生长后的单晶硅）和硅片的各项工艺中。 • 在硅中主要普遍存在的缺陷形式有： 1.点缺陷 2. 位错 3.原生缺陷（层错）
• 另一种点缺陷是由于化学元素杂质引入到 格点里所产生的。 • 被无意引入到硅中的杂质主要是氧和碳， 还有其它金属杂质，如Na、K、Ca、Al、 Li、Mg、Ba，以及非金属杂质。其中Na是 半导体制造中最忌讳的一种有害杂质。
3.6.2位错(线缺陷） 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制。在 这种缺陷中，一列额外的原子被插入到另外两 列原子之间。
• 在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本 的实体就是晶胞。 • 晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复 单元，它给出了晶体结构。 • 晶胞有一个框架结构，像一个立方体。与硅技术 相关的晶体结构是立方结构，这里是考虑面心立 方结构。 • 在一个晶体结构中，晶胞紧密地排列，因此存在 共有原子。
• 砷化镓晶体的晶胞结构称为闪锌矿结构
• 晶Hale Waihona Puke Baidu：在晶体中原子的周期重复性的排列， 晶体材料具有特定的晶格结构，并且原子 位于晶格结构的特定点。晶格总是包含一 个能代表整个晶格结构的单元—晶胞。
3.4.2 多晶和单晶 • 多晶：晶胞间不是规则排列的
• 单晶：晶胞间整洁而规则地排列
3.4.3晶体定向 • 晶向决定了在硅片中晶体结构的物理排列 是怎样的，不同晶向的硅片的化学、电学 和机械性质都不一样。
3.3 半导体硅制备
• 制造IC级的硅晶圆分4个阶段进行： a.矿石到高纯气体的转变 b.气体到多晶的转变 c.多晶到单晶，掺杂晶棒的转变 d.晶棒到晶圆的制备
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半导体级硅：用来制作芯片的高纯硅 （SGS），纯度达到99.9999999%，是 地球上最纯的物质之一。有一种称为多晶 或多晶硅的晶体结构。 • 制造SGS过程： 1. 用碳加热硅石来制备冶金级硅
• 与位错相比，高浓度的点缺陷占据的总表 面积更大，所以能量更高。这些在晶体中 随机运动着的点缺陷将倾向于聚集在一起， 直至形成一个位错或其他更高维的缺陷， 以释放多余的能量。
分为原生为错和诱生为错。 a.原生位错是晶体中固有的位错 b.诱生位错是指在芯片加工过程中引入的位
错，其数量远远大于原生位错。产生的原
3.6.3原生缺陷（层错）（面缺陷或体缺陷） 层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生 长的过程中。滑移就是一种层错，沿着晶 体平面产生的晶体滑移。层错要么终止于 晶体的边缘，要么终止于位错线。
• 另一种层错是孪生平面，就是在一个平面
上，晶体沿着两个不同的方向生长。 • 这种孪生平面是因为在生长过程中的热影 响或机械震动而产生的。
• 吸杂是晶体中的杂质和缺陷扩散并被俘获 在吸杂位置的过程，有益的吸杂可以通过 在远离有源器件的地方（例如晶片的背面） 引入较大的应变或损伤区的方法进行，这 种处理称为非本征吸杂。
• 在硅器件工艺中，另一种常见的吸杂方法 是利用晶片体内的氧沉积。点缺陷和残余 杂质（如重金属）会被俘获和限制在沉积 处，从而降低它们在有源器件附近区域的 浓度，这种处理利用了晶体内固有的氧， 称为本征吸杂。
第三章 晶圆制备
3.1 概述
在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以 及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 园，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的 晶园已经投入生产线了。因为晶园直径越大，单 个芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶 体结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这 正是对晶园生产的一个挑战。
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所以在单晶材料中，认为存在少量的均匀 分布的位错，对器件制作工艺质量不会带 来有害影响，反而起到清洁工的作用，可 以改善非位错区pn结的性能。 位错可以通过表面的一种特殊腐蚀显示出 来，腐蚀出的位错出现在晶圆表面上，形 状代表了它们的晶向。<111>晶圆腐蚀出 三角形的位错， <100>晶圆出现方形的腐 蚀坑。
SiC (s) SiO2 Si(l ) SiO( g ) CO( g )
2.通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯 硅烷
Si(s) 3HCl ( g ) SiHCl 3 ( g ) H 2 ( g )
3.利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反 应来生产SGS
2SiHCl 3 ( g ) 2H 2 ( g ) 2Si(s) 6HCl ( g )
• 密勒指数：晶面通过一系列密勒指数的三 个数字组合来表示。 • 在密勒系统符号里，小括号（）用来表示 特殊平面，尖括号<>表示对应的方向，符 号是由平面与坐标轴交点而定的。 • 如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞都 会沿着这个坐标轴重复排列。
3.5 晶体生长
• • • • 半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。 这种半导体材料叫做晶棒，是从大块的具有多 晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。 把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定 向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。 有三种不同的生长方法：直拉法 、区熔法 和 液体掩盖直拉法.
籽晶
晶体 氧化硼层 砷化 镓 熔化 物
• 特点 直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时 精确地复制籽晶结构，得到合适的硅锭直 径并且限制杂质引入到硅中。 优点：工艺成熟，便于控制晶体外形和电 学参数，能成功地地拉制低位错、大直径 的硅单晶，尤其制备10-4Ω•cm特殊低阻单 晶。
缺点：难以避免来自石英坩埚和加热装置 的杂质污染，因而只能生产低阻单晶。另 外，由于存在杂质分凝效应和蒸发效应， 以及搅拌不均匀所形成的界面杂质积累层 等，还会使拉制的硅单晶沿轴向的电阻率 不一致，杂质缺陷较多。
另外，由于应用了石英坩埚（SiO2），从 而在硅单晶中引入了氧。氧含量的典型值 为0.2~2*1018cm-3以上。当单晶生长过程中 经300—600 ℃温度范围的退火时，氧将获 得电活性，其作用如同施主，从而使电阻 率改变。 如果硅的纯度高，在高真空或大流量高纯 氩气氛下拉晶，通过合理的热场设计，以 及控制好温度和拉晶时的工艺参数等因素， 可控制氧含量。
• 在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间 的结合能会引起材料的许多特性。 • 如果晶胞移动了整数倍的矢量，可以找到 一个与原来完全一样的新的晶胞。 • 每个晶体材料具有独一无二的晶胞。 • 晶胞的重要性在于晶体作为一个整体可以 通过分析一个具有代表性的单元来研究。
• 硅晶胞原子排列具有金刚石结构
因大致可分为三个方面
高温工艺过程引入的位错：一个相当大的
温度差作用到晶片上，晶片会发生非均匀膨 胀，因而在晶片内形成热塑性应力，当晶片 受到刚性挤压并加热，或者晶片在加热时上 面已经生长若干不同热膨胀系数的薄膜层， 都会产生类似的应力。凡是能引起高温滑移 的原因，都可能导致位错的产生
• 掺杂过程中引入的位错：晶体中存在高浓 度的替位型杂质，这些替位原子与周围本 体原子的大小不同，形成内部应力，应力 将降低打破化学键所需的能量，导致位错 • 薄膜制备过程中引入的位错：薄膜与衬底 的界面 处存在较大的应力可能导致位错
通入惰性气体
3.5.3区熔法
另一种晶体生长的方 法是区熔法，是20世 纪50年代发展起来的， 在特殊需要中使用， 所生产的单晶硅锭的 氧含量很低，并且能 生产到目前为止最纯 的硅单晶。生长系统 如图所示。
惰性气体 （氩气） 上卡盘
多晶硅棒
滑动射 频线圈
熔融区
籽晶 下卡盘
行进 方向
• 主要用来生长高纯、高阻、长寿命、低氧、 低碳含量的晶体，但不能生长大直径的单 晶，并且晶体有较高的位错密度。这种工 艺生长的低氧单晶主要使用在高功率的晶 闸管和整流器上。 • 同样，由于存在分凝和蒸发效应，固—液 界面不平坦，工艺卫生、气氛等影响，仍 然存在纵向、横向电阻率的不均匀。
3.6.4重金属杂质 对半导体影响最大的一类杂质，包括Au、 Cu、Fe、Ni等金属元素。共同特点是在半 导体中的行为比较复杂。 1.在Si和Ge中具有处于禁带中的多重深能级， 可以提供载流子而影响电导率，也可以起 复合中心作用而影响少数载流子的寿命。
3.2衬底材料的要求
a.导电类型：P或N b.电阻率：0.001—100000Ω· cm c.寿命：一般要求几到几千微秒 d.晶格完整性 e.纯度高：一般常说的9个9，微量杂质对半导体材 料的性能影响很大。微量杂质主要有受主、施主、 重金属、碱金属及非金属等。
f.晶向: ＜111＞、＜110＞及<100>等，对于 双极硅器件，一般要求＜111＞晶 向，MOS硅器件为<100>晶向，砷化 镓为<100>晶向。 g.要求一定的直径和均匀性，并给出主次 定位面 此外，禁带宽度要适中，迁移率要高，杂 质补偿度低，等等。
• 西门子反应器 三氯硅烷和氢气被注入到西门子
反应器中，然后在加热的超纯硅棒上进行化学反 应（硅棒温度为1100℃），几天后工艺结束，将 淀积的SGS棒切成用于晶体生长的小片。
3.4晶体材料
晶体：原子在整个材料里重复排列成非常固定的结 构
非晶体或无定形结构：原子没有固定的周期性排列 的材料
3.4.1晶胞
3.6.1点缺陷 • 点缺陷存在于晶格的特定位置 • 点缺陷对于理解半导体制造工艺的掺杂和 扩散过程很重要。对于任何热处理工艺， 特别是快速热处理，应尽量避免缺陷的产 生，这对于产品的合格率有重要的影响。
• 主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结 构引起的应力所产生的缺陷， 最常见的点 缺陷是在晶格位置缺失一个原子，这是一 种空位缺陷。如图所示
3.5.1 直拉法
旋转卡盘
大部分的单晶都是 通过直拉法生长的。生 产过程如图所示。
籽晶 生长晶体
射频加热线圈
熔融 硅
3.5.2 液体掩盖直拉法
此方法主要用来生长 砷化镓晶体，和标准的直 拉法一样，只是做了一些 改进。由于熔融物里砷的 挥发性通常采用一层氧化 硼漂浮在熔融物上来抑制 砷的挥发。故得其名，如 图所示。
• 与之紧密联系的一种点缺陷是一个原子不 在晶格位置上，而是处在晶格位置之间， 称为填隙原子，如果填隙原子与晶格原子 是同一种材料，就是自填隙原子。
• 有时填隙原子是原子脱离附近晶格的位置 形成的，并在原晶格位置处留下一个空位， 这种空位和填隙的组合称为弗仑克尔缺陷。
• 填隙原子和空位并不总停留在它们产生时 的位置，这两种缺陷都可以在晶体中运动， 也可能迁移到晶体的表面，并在表面消失。 • 空位和自填隙原子都是本征缺陷。 • 如同人们谈到的半导体中本征载流子的情 形，完整的晶体在超过热力学温度0K的温 度下都会出现本征缺陷。热激发能使少量 的原子离开它们正常的晶格位置，并在该 位置留下空位。
• 晶体的物理损伤:在某些工艺过程中，晶片 表面会受到其他原子的轰击，这些原子将 足够的能量传递给晶格，使得化学键断裂， 产生空位和填隙原子，一旦产生高浓度的 点缺陷，它们总是倾向于结团，形成位错 或其他高维缺陷。
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位错的作用 吸收杂质：位错线附近产生了晶格畸变， 那里的原子就不太稳定，容易被杂质原子 所代替。杂质原子很容易聚集在位错线附 近，沿位错线沉积，并且杂质一旦聚集到 位错线周围，就和位错一起形成一个能量 较低比较稳定的体系。所以，位错有吸收 杂质的作用。
点缺陷在各个方向上都没有延伸 线缺陷在晶体中会在一维方向延伸 体缺陷在三个方向上都失去了晶体排列的 规则性 不同的缺陷影响到制造工艺的不同
• 缺陷的存在对微电子工业的利弊各半。在 有源区内不希望有二维和三维的缺陷。在 非有源区域的缺陷能够吸引杂质聚集，使 邻近的有源区内的杂质减少，因而是有好 处的