第二章_硅晶片的制备_58501914

Wafer Slurry Lower polishing pad
19
Quality Measures
Physical dimensions Flatness Microroughness Oxygen content Crystal defects Particles Bulk resistivity
36
吸杂方法2 对重金属离 子
晶片背面： 非本征吸杂
在硅中快速扩 散
晶片体内： 本征吸杂
金属在吸杂中 心分凝；
37
小结
. 原材料(SiO2)经过提纯成为电子级硅，它是世界上最纯的材料。 在单晶生长过程中掺杂是容易理解的，除了造成掺杂浓度空间变化的偏析效 应。 在单晶硅中尤其是经过高温处理之后存在点、线和体缺陷。 直拉法生长出结构完美的单晶硅，然后被切割抛光变成制造集成电路的硅晶 园片。 硅晶园片中只能检测到掺杂剂、氧和碳。 掺杂剂一般在ppm量级范围内，氧浓度控制在1017～1018cm-3，碳浓度控制在 1016cm-3范围，其他不需要的杂质含量在ppb量级或更低。这些圆片成为IC制造 商的原始材料。
对于150mm及以下的圆片，沿晶锭整个长度上都要磨出平 边，以指示晶向和掺杂类型，也用于在后续光刻步骤中进 行圆片的粗对准。
14
最长的平边，称为主平边，是与<110>晶向垂直的，此外还 会磨出一到多条短平边。
不同半导体圆片的标准定位平边
15
Wafer Notch and Laser Scribe
从微粒控制、晶片清洗和吸杂三个层次将晶片加工中的污染程度降到最低。 一层控制：采用过滤空气、高纯化学试剂、去离子水和工艺气体的超净间。 二层控制：采用基础的化学方法清洗晶片去除晶片表面不希望的元素。 三层控制：采用吸杂的方法收集金属原子使其远离有源区。
38
5 μm
7.00 7.00 x 10 7.00 x 102
超净间的 净化等级
10,000 100,000
不同净化级别洁净室中的颗粒尺寸分布曲线 纵坐标反映的是大于给定尺寸的总颗粒数
26
左侧纵坐标为室内空气中尘埃颗粒大小分布的经验关系， 右侧纵坐标为尘埃颗粒引起芯片缺陷的概率
尺寸为0.1~0.3μm的颗粒最为棘手 更大的颗粒容易沉积 更小的颗粒易凝结到更大颗粒中。
3
在平衡态下，一种杂质可以溶于另一种材料的最高的浓度 固溶度：
固溶度与温 度密切相关. N型杂质， 如砷、磷、 锑。 P型杂质， 如硼 掺杂浓度可 以超过固溶 度。
杂质在硅中的固溶度
4
硅原பைடு நூலகம்的提纯 第一步把石英砂转化为冶金级的硅MGS 2C(固体)+Si02(固体)→Si(液体)+2CO
第二步把MGS转化为电子级硅（EGS） 磨粉 催化反应: Si+HCl→SiHCl的混合物
22
芯片面积与特征尺寸的发展以及实现这种 发展所要求的缺陷尺寸、密度及污染水平
23
IC制造中的污染
引起的问题 器件工艺良品率 器件性能 器件可靠性： 小剂量的污染物可能会在工 艺过程中进入晶片，而未被通 常的器件测试检验出来，但是 会在器件内部移动，最终停留 在电性敏感区域，导致器件失 效。
烟尘 人类毛发 尘埃 指纹印
超净间 晶片清洗 吸杂
25
Particles/ft3 Class 1 10 100 1,000 0.1 μm
3.50 x 10 3.50 x 10
2
0.2 μm
7.70 7.50 x 10 7.50 x 102
0.3 μm
3.00 3.00 x 10 3.00 x 102
0.5 μm
1.00 1.00 x 101 1.00 x 102 1.00 x 103 1.00 x 104 1.00 x 105
氧在硅中的溶解度 10
在正常的器件工艺条件下氧易于沉积在硅片内部形成SiO2 区。体积膨胀在SiO2区域周围产生大的压应力，因此会导 致层错发生，其能够吸引杂质聚集。 本征吸杂——圆片体内的氧沉积可 以被用来作为一种吸收有害杂质的 方法。点缺陷和残余杂质，例如重 金属，会被俘获和限制在沉积。 非本征吸杂 通过在远离有源器件的地方， 引入较大的应变或损伤区来俘 获制造中引入的可移动金属离 子的污染。
种类 微粒 金属离子，可移动离子污染物存在于绝大部分的化学品中，钠最常见， 移动性最强。要MOS级化学品。 化学物质，如氯, 使晶片表面受到不需要的刻蚀，在器件上产生无法 去除的化合物。在化学品中的含量严格控制。 细菌，在水的系统中或不定期清洗的表面生成的有机物。 24
污染源
空气 厂物设备 洁净室工作人员 工艺使用水 工艺化学溶液 工艺化学气体 静电 污染控制的三个层次
12
单晶硅的生长方法2—区熔（FZ）法
样品的熔化部分完全由固体部分支撑的，不使 用坩锅，显著减少了氧原子的含量。
Gas inlet (inert)
掺杂剂和其它杂质趋于 Chuck 留在液体中. 经过多次 循环,很容易生长高阻 Polycrystalline 材料。 rod (silicon) 很难引入浓度均匀的掺 杂, FZ圆片相对于CZ圆 片经常会有较大的微观 电阻率变化.
9
CZ法生长过程中不可避免的会在硅中引入氧和碳。通 常，CO ≈ 1018 cm-3 and CC ≈ 1016 cm-3
氧的作用 提高了硅的抗屈强度 在硅晶格中结合的氧主要是作为 分散单个的原子占据填隙位置，并且 与两个硅原子形成共价键， 使得硅 片在制造过程中强度变得更硬。
构成氧施主。少量的氧在单晶中形 成了被认为是SiO4的络合物，它们 起着施主作用。这种效应可以形成 达1016cm-3的施主。
20
21
集成电路生产线(IC production Line)
实现IC制造的整体环境，由净化厂房、工艺流水 线和保证系统(供电、纯水、气体纯化和试剂）组 成。 IC生产线把相关的工艺设备视为一个整体，在群 体内实现高度的自动控制，并保证相应的净化条件。 硅片在群体间由机器人或机械手传递，整个生产过 程实现了无纸化、在线质量检测、统计分析以及信 息的实时管理。
RF
Molten zone Traveling RF coil
应用只占硅市场的一小部 Seed crystal 分。
Inert gas out
Chuck
13
Ingot Diameter Grind
Preparing crystal ingot for grinding
Diameter grind
Flat grind
6
单晶棒的直径主要是由拉晶速度决定的；
Photograph courtesy of Kayex Corp., 300 mm Si crystal puller
7
8
掺杂
在熔化的硅中加入掺杂剂以控制晶片中N或P型掺杂浓度。但 是，掺杂过程被掺杂剂的分凝现象（在固态和液体中的浓度 和溶解度不同）复杂化。 分凝系数： 大部分ko值<1，表明杂质更 趋于留在液体中，在生长期 间CL与CS都是时间的函数， 且二者都是增大的。 后果: 随着提拉晶体，在其生 长末端的掺杂浓度比其始 端要重 。 解决办法： 旋转晶体和坩锅。
1234567890
Notch
Scribed identification number
16
Polished Wafer Edge
17
Chemical Etch of Wafer Surface to Remove Damage
18
Double-Sided Wafer Polish
Upper polishing pad
33
现代IC制造厂中的一个典型的清洗工作台，湿法化学 清洗是在清洗槽中进行的，图中机器人正在将一盒晶 园片装入到高速旋转甩干机中 。
34
吸杂用于使金属离子和碱离子远离器件的有源区
35
吸杂方法1
对于碱离子 顶部淀积：
磷硅玻璃(PSG) PSG能束缚 碱离子形成稳定 的化合物
氮化硅 碱金属离子很难 渗透氮化硅。
2
IC制造对硅晶片的要求
结晶学参数,如：晶向、晶格缺陷如位错密度、平边位置等； 机械性能，如圆片直径、厚度、平整度、边缘倒角等； 电参数（N或P型、掺杂剂、电阻率等等）； 杂质含量（特别是含氧量和含碳量）。 因为（100）Si/SiO2界面的电特性很好，（100）硅片在制造 中处于主导地位。所有基于MOS的技术都使用具有这个晶向 的硅片。 双极技术主要使用（111）晶向，（100）硅片的使用也在 增加。
第二章 硅晶片的制备和IC制造环境
岳瑞峰
微纳器件与系统研究室 清华大学微电子学研究所 yuerf@mail.tsinghua.edu.cn
1
单晶硅结构和缺陷
由两套面心立方晶格互相嵌套 而成的金刚石结构. 根据维数分为四类： 点缺陷，线缺陷，面缺陷和体缺陷 各种类型的缺陷会存在于单晶中，或能 在加工过程中产生。 杂质在晶体中形成填隙原子和替位原子。对电导率有贡献 的主要是 替位型杂质原子 填隙型杂质对器件性能也有显著的影响。如具有靠近 禁带中心的电子能级，会成为电子和空穴的复合中 心，导致PN结漏电。
（ SiH4;SiH3Cl;SiH2Cl2;SiHCl3⎯三氯硅烷;SiCl4）
精馏纯化→SiHCl3 化学气相淀积（CVD）反应制备多晶硅 2SiHCl3(gas)+2H2(gas)→2Si(solid)+6HCl(gas)
5
单晶硅的生长方法1--直拉（CZ）法
容易生产大直径单晶，几乎用于所有制造IC的硅晶片。 将多晶硅融化，保持在约1417 oC,采用单晶籽晶作为起始成长材 料,籽晶的晶向决定着所拉出单晶的晶向和圆片的定位方向。 坩锅在承载液态硅的同时，坩锅 自身的O、C杂质也混入生长中的 单晶。
27
超净间的净化方法
高效微粒空气过滤器 （Hepa filter) 效率>99.99% 循环风 空气压力
28
更衣区、 超净服、 黏着地板垫 空气淋浴器
29
30
31
水、化学品和工艺气体 的过滤. 城市用水包含大量污染物： 溶解的矿物质 颗粒 细菌 有机物 溶解氧 二氧化碳
32
晶片清洗
RCA（美国无线电公司） 清洗程序是去除有机物、 重金属和碱离子的标准 工艺。 基于强氧化剂H2O2 的氧 化和络合处理 溶液 SC-1: 氧化有机物 形成金属络合物 溶解＋生长氧化层 SC-2: 形成可溶解的金属络合 物 ，进一步去除金等污 染。
上表 面
双极晶 体管
脱 氧 区
表面脱氧晶片的剖面图
11
CZ生长的正常氧原子浓度约为15～20ppm 氧原子浓度>>20ppm，二氧化硅沉积过多， 晶园片翘曲、 过量缺陷； 氧原子的浓度低于10ppm时，二氧化硅沉积不易发生。 在CZ单晶中的低浓度碳大多数以代位形式存在于硅晶格 中，会影响氧的沉积动力学。 考虑O和C的相对尺寸，当氧沉积时体积倾向于膨胀，而 碳沉积时体积趋于压缩。这样单晶中的沉积就趋向于在单 晶中形成最小应力的C和O的化合物。 应用本征吸杂技术时，还应当对圆片内碳的浓度进行控制， 圆片中碳的浓度是决定氧沉积大小和形状的一个要素。