半导体工艺原理--硅衬底材料制备工艺(贵州大学)概要PPT课件

.1，硅衬底材料制备工艺，CZ(直)生长单晶硅制造(切-磨-磨)晶体缺陷抛光片主要技术指标，2，硅是芯片制造中使用的主要半导体材料和半导体产业中最重要的材料。对于可用于制造半导体器件的硅，使用特殊纯度等级以满足严格的材料和物理要求。硅片制造的芯片的最终质量与开始制造时使用的晶片的质量有直接关系。如果原始硅片有缺陷，最终芯片肯定也有缺陷。用于制造芯片的高纯硅被称为半导体级硅或SGS，有时也被称为电子级硅。半导体级硅，3，半导体级硅的超纯度不仅对制造半导体器件非常重要，而且必须具有几乎完美的晶体结构。只有这样，才能避免对装置特性非常有害的电气和机械缺陷。单晶是在许多原子的远距离范围内，维持原子在三维空间中有序和重复结构的固体物质。决策结构，4，非晶材料是指没有重复结构的非晶固体材料，反映了原子级结构中杂乱的结构。非晶硅对生产半导体器件所需的硅片没有用处。因为设备的许多电气和机械特性与它的原子级结构相关联。这需要重复性结构来重复芯片和芯片之间的性能。晶体结构非晶材料，5，6，晶体结构多晶材料，如果晶体细胞没有规则排列，则称为多晶材料。如果来自精炼过程的半导体级硅是多晶结构，则称为多晶硅。7，如果细胞在三维方向整齐地重复，那么这种结构被称为单晶，英语的另一种表达是singlecrystal。晶体结构单晶材料，8，晶体材料中长而有序的原子图案最基本的实体是单位细胞。细胞核是三维结构中最简单的原子组成的重复单元，给出了晶体的结构。在一个晶体结构中，立方细胞排列紧密，因此存在着共同的原子。细胞系产生紧密连接的晶格结构，因此共同原子非常重要。金刚石面心立方体每个角上的原子为八个晶体单位所共有，每个面上的原子为两个晶体单位所共有。因此，每个面心立方细胞包含四个完整的原子。单元，面心立方单元，9，在硅晶体中，晶体细胞和金刚石晶体结构中的面心立方体晶体细胞是不同的，除了存在于面心立方体中的共同原子外，还包括完全位于立方体中的4个原子。硅细胞中总共有8个完整的原子，其中4个是总原子，4个是非共享原子。硅单元：面心立方钻石结构，10，晶体方向非常重要，因为它决定了硅片中晶体结构的物理排列。根据结晶方向的不同，硅片的化学、电气和机械特性不同，会影响工艺条件和最终装置性能。如果晶体是单晶结构，所有细胞细胞都沿着这个轴重复排列。确定方向，单位单元轴方向，11，硅晶体平面上的方向由称为米勒指数的一系列参数绘制。在米勒系统的符号中，大括号()用于指示特殊平面，大括号用于指示相应的方向。，12、orientation plane、13、waferetchpits、14、15、orientation plane、16、waferetchpits、17，18，砂子中的圆片(抛光片)，原料SiO2，多晶硅，单晶体，抛光片，蒸馏和还原，晶体生长，切割/研磨/抛光，19，起始材料，SiC SiO2Si(固体)SiO(气体)CO(气体)形成冶金级硅MGS(98%)si 3 hclsihscl 3(气体)H2形成SiHCl3(气体)，20，siliconpurificationii，21、siliconpurificationii、22、electronicgrailicon、23，晶体生长是将半导体级硅的多晶体硅转化为大型单晶硅。单晶硅生长后被称为硅单晶锭。目前在硅制造单晶硅锭生产中最普遍的技术是以Czochralski(CZ)法命名的发明者。以CZ方式生长单晶硅是将熔化的半导体级硅液体以正确的结晶方向掺杂到n型或p型固体硅中。具有所需方向的单晶硅用作硅锭生长的种子晶体，结果产生的单晶硅就像该晶体的复制品。要用CZ方法获得单晶硅，必须精确控制熔融硅和单晶硅种子接触面的条件。这些条件确保薄层硅准确复制种子晶体结构，最终长成大硅珠母贝。这些是通过CZ拉单晶体设备获得的。拉伸晶体：CZ(直拉伸)生长单晶，24，石墨基，晶体，RF线圈，25，坩埚中的硅使用电阻加热或RF (RF)加热线圈加热到单晶炉中。电阻加热用于大直径硅钢锭的制造。硅加热后变成液体，称为熔体。种子晶体放置在熔体表面，旋转时慢慢拉，与坩埚的旋转方向相反。在直线拉伸过程中，当种子决定离开熔体时，熔体中的液体会随着表面张力而增加。种子晶体的界面散发热量，在熔体方向向下凝固。如果种子旋转并从熔体中取出，则与种子方向相同的单晶就会生长。26、CZCrystalPulling、27 .27，区域熔化对单晶硅的生长是将掺杂的多晶硅条铸造在一个模型中。种子晶体固定在一端，进入生长炉。种子晶体和硅线棒的接触区域用射频线圈加热。加热多晶硅杆是区域熔化法最重要的部分，因为熔化结晶棒的单晶界面再凝固只需30分钟。晶体生长的加热过程沿晶体棒的轴移动。典型区域熔融硅片的直径比直拉法小。因为没有坩埚，区域熔化会生长高纯度低含氧量的硅。FZ(区域熔化)方法生长单晶，28、FloatingZoneMethod、29，CZ。29，cz方法与FZ方法比较，CZ方法：低成本，大尺寸晶体锭，材料可重复使用更受欢迎的FZ方法：纯度高，高成本，小尺寸晶体锭主要用于电力设备，30，硅是坚硬易碎的材料，晶体生长后的硅锭很少用于半导体制造。为了满足半导体制造的严格要求，经过一系列处理过程的圆柱单晶硅锭(单晶锭)终于形成了硅片。这种硅片制造阶段包括机械加工、化学加工、表面抛光和质量测量。晶片制造的基本过程如图所示。晶片准备，31、硅片制造的基本工艺步骤，32，整数处理：硅单晶锭的生长后，整数处理是下一步的第一步过程。整数处理包括切片前单晶硅铸锭的所有准备步骤。去除两端：第一步是去除硅单晶锭的两端。两端移除后，可以使用四个探针检查电阻，确保整个硅单晶锭达到适当的杂质均匀性。径向磨削：产生精确材料直径的径向磨削。在晶体生长中，不能精确地控制直径和圆度，因此硅单晶锭的长度必须稍大一些，以便进行半径磨削。精确的直径控制对半导体制造管线内硅片的自动传输至关重要。，33、净水处理硅位置边缘或定位槽半导体行业传统上制作硅单晶锭的位置边缘，显示了晶体结构和硅片的晶体方向。主位置边表示晶体结构的晶体方向。二次位置边还表示硅片的晶体方向和传导类型。34，硅片识别定位边缘，35，硅片定位边大于200mm的晶片已被定位槽取代。带有定位槽的硅片有激光雕刻在晶片小区域的硅片的信息。对于300毫米硅片，激光压印在晶片背面边缘附近的未使用区域。对于300mm硅片，未使用区域位于固定质量区域之外，固定质量区域(FQA)表示硅片中包含芯片的区域。当前未使用的区域通常为3mm。36，切片定型处理完成后，硅锭的切片准备就绪。对于200mm以下的硅片，切片使用带钻石切割边的内部圆形切割机进行。使用内部圆形切割机是因为切割边时更稳定，会产生平面切面。内部圆形切割机，37，对于38，300mm硅晶片，由于大直径，内部圆形切割机不再符合要求。300mm的硅锭现在用钢丝锯切片。线锯在切片过程中减少晶片表面的机械损伤。硅片的厚度在切片过程中被精确控制。300mm硅片的当前厚度为77525微米。在导体的高温制造过程中，能承受热和机械振动的更厚的硅片。39、切片和倒角(防止缺陷发生)切片完成后，执行双面机器翻转，消除切片上残留的损伤，从而达到硅片两侧的高平行和平坦。磨料用带垫片和磨料的浆料使用压力旋转完成。圆片边精加工(也称为切角)使圆片边获得平滑的半径圆周。硅片边缘的裂纹和小裂纹对晶片产生机械应力，产生电位。平滑边半径可将这些影响降至最低。40，蚀刻(去除污染和损伤层)晶片成型，制造晶片表面和边缘损伤和污点。硅片损伤的深度通常为几微米。为了消除硅表面的损伤，使用硅片蚀刻或化学蚀刻的技术。硅片通过湿化学蚀刻工艺消除晶片的表面损伤和污染。蚀刻过程通常腐蚀硅表面约20微米的硅，防止一切损伤。腐蚀液：HNO3 HF乙酸，41，制造抛光(消除表面缺陷)硅片的最后一步是以高平面度平滑表面为目标的机械加工(CMP)。晶片之间的行星式轨迹使晶片表面平坦，两侧平行。最终硅片的两面将与镜子相同。NaOH SiO2，42、在将半导体硅片清洗(去除残留污染)送到芯片制造厂之前，必须实现清洁状态。清洗规格在过去几年中有了相当大的发展，硅晶片几乎达到了没有颗粒或污染的程度。硅片在包装前，根据客户要求的规格评估是否符合质量标准。NH3OH+H2O2，HCl H2O2，h2so 4 H2O2，43，封装硅片企业必须仔细包装将发运到芯片制造厂的硅片。硅片被包裹在有窄凹槽的塑料架子或“船”上，以支撑晶片。氟化合物树脂材料(如聚四氟乙烯)经常用于盒材料，以最小化颗粒的生成。另外，为了防止静电，特氟龙被制成导体。硅片装满后，架子会放在一个装满氮的密封小盒子里，在运输过程中完全没有氧化和其他污染。硅片到达硅制造厂后，会转移到其他标准化帧，由这些制造设备在加工过程中传递和处理。一种传递容器是容纳25个硅片的容器，称为前端开放传递盒，与硅制造厂的自动传递系统相连接。44，晶体缺陷，晶体缺陷(crystaldefect)是在重复的晶胞结构中发生的所有中断。硅晶体缺陷对半导体的电气特性有破坏作用。随着设备尺寸的减小和活动栅极区域的增加，更多的晶体管集成到一个芯片上，缺陷出现在芯片敏感区域的可能性增加。这些缺陷会对高级IC设备的产量产生负面影响。硅主要有三种一般形式的缺陷。1.点缺陷：原子级局部缺陷2。电位：电位I-sel 3。层错误：晶体结构的缺陷，45，点缺陷，点缺陷存在于晶格的特定位置。最基本的缺陷之一是空缺。这种缺陷在一个原子远离其晶格点时出现。另一个点缺陷是存在于晶体结构缝隙中的间隙原子，一个原子脱离其晶格位置，产生空位时称为间隙原子-空位对或Frenkel缺陷。46、在单晶中，晶体细胞形成重复结构。如果细胞系脱臼，这种情况就称为电位。电位可以在晶体生长和硅片制造过程的任何阶段产生。但是，晶体生长后产生的电位通常是由作用在硅上的不均匀冷却或热、超出硅晶片范围的应力等机械应力引起的。前缀，47，刀片前缀，48，螺旋电位，49，将层错误与晶体结构相关联，在晶体生长过程中经常发生。滑动是沿一个或多个平面滑动的层错误。另一个图层错误是补间平面。也就是说，晶体在一个平面上向两个不同的方向生长。50，滑移线，51、滑移线腐蚀坑，52，缺陷的双重性，缺陷往往是复合中心、PN结漏电和低破坏的原因，特别是缺陷和重金属的相互作用