搜索
1第二章第二章衬底材料衬底材料硅材料性能硅晶体结构硅单晶拉制硅晶圆片制备硅片质量参数检测为什么使用硅？为什么使用硅？硅的储量丰富硅在地壳中含量约占27％，仅次于氧。形成普通沙粒的二氧化硅，就是最常见的硅化合物。很好的物理化学特性更高的熔化温度允许更宽的工艺容限，硅1412℃的熔点远高于锗937℃的熔点，可以承受高温工艺。机械强度较高，无毒，利于加工生产。更宽的工作温度范围锗的Eg=0.67eV，操作温度仅能到达90℃，漏电流较大。硅Eg=1.12eV，可以用于比锗更宽的温度范围（可高于200℃），更小的漏电流，更高的可靠性。硅可以自然形成的氧化物不论是砷化嫁（GaAs）还是锗（Ge）都不能形成稳定且不溶于水的氧化物，例如：二氧化锗是水溶性，且会在800℃左右的温度自然分解。当前的硅片尺寸与特征尺寸当前的硅片尺寸与特征尺寸100mm=6inch1μm-.5μm200mm=8inch1μm-.25μm300mm=12inch1μm-.09μm硅材料的性能硅材料的性能硅及硅单晶的化学性质单晶硅和酸在通常条件下不起反应，只与HF＋HNO3混合酸反应，生成溶于水的六氟硅酸络合物，放出棕色的NO2气体：在有氧化剂的情况下，Si与HF酸也起反应，如CrO3、KMnO4、K2Cr2O7、(NH4)2Cr2O7水溶液加氢氟酸。用化学方法显示硅单晶的晶体缺陷就采用这个化学原理。326234183480SiHNOHFHSiFNOH++⇒+↑+326224644SiHNOHFHSiFNOHO++=+↑+（浓）强碱能与硅反应，生成硅酸盐并放出氢：弱碱也同样能有这种反应：223222SiKOHHOKSiOH++=+↑442322()2SiNHOHNHSiOH+→+↑1号清洗液SC-1（氨水:双氧水:水＝1:1:5）二氧化硅SiO2不溶于水，除HF外不和其它酸起反应：24242SiOHFSiFHO+=↑+22322SiONaOHNaSiOHO+=+4262SiFHFHSiF+=强碱溶液能逐渐地和SiO2反应，形成相应的硅酸盐：四氟化硅能进一步与HF反应，生成溶于水的六氟硅酸络合物：综合以上两式，可以得到总的反应为：硅的重要化合物及其性质2266SiOHFHSiF+=2氮化硅氮化硅是IC制备中抗辐射很强的介质与绝缘材料和钝化介质，在半导体器件中常用硅烷与氨反应，化学气相淀积(CVD)法的反应原理为：433423412SiHNHSiNH+=+硅的氢化物和卤化物硅烷(SiH4)室温下是无色气体，具有特殊的臭味，并且具有剧毒，易燃易爆,在空气中自燃，即使是固态硅烷与液氧混合，在-190℃低温下也易爆炸。硅烷是硅外延中氮化硅钝化膜制备的重要原料之一。硅与卤素或卤化氢作用可生成相应得卤化物，如SiCl4和SiHCl3，这些卤化物在集成电路生产中都有重要作用。玻璃普通玻璃的成分可以用Na2CaSi6O14或Na2O·CaO·6SiO2来表示，调配钠、钙和硅及其他元素的比例，可根据种种实际应用所需要的特殊性能，制成各种类型的玻璃。玻璃可以与HF发生作用：2614242282614NaCaSiOHFNaFCaFSiFHO+=+↓+↑+石英玻璃的成分几乎是纯粹的二氧化硅，膨胀系数非常小，是普通玻璃的1/15，而且几乎不因为温度而改变。可以直接用火加热。由于这个原因，石英玻璃能忍受温度的剧烈变化而不致破裂。水与酸（除了HF和H3PO4外）与石英玻璃都不进行反应，只有强碱能侵蚀它。硅晶体结构硅晶体结构单晶与多晶晶面和晶向硅原子的面密度是不同的，（100）（110）（111）密勒指数定义了晶体的各个晶面。一个晶面的密勒指数就是它与坐标轴的相交值的倒数再乘以分母的最小公倍数，以“（hkl）”表示。大括号{}表示相互等价的一组晶面。晶向的密勒指数是以矢量分量分析法为基础而建立的，方括号[]所标明的是晶体内特定的晶向；尖括号所标明的是一组等价晶向。密勒指数3常规工艺采用的晶面常规工艺采用的晶面（100）表面陷阱密度和Si/SiO2界面电荷数量较少，MOS器件采用。（111）单晶生长容易，扩散结平坦，双极工艺多采用。硅片制备示意图硅单晶拉制硅单晶拉制硅的纯化单晶硅生长硅的纯化第一步：将硅从硅石中还原出来，得到纯度为98％的冶金级硅（MetallurgicalGradeSilicon，MGS），主要杂质为铝和铁：21500~20002()()()2()CCSiOSiCO°+⎯⎯⎯⎯⎯⎯→+固固液气第二步：通过化学反应将冶金级硅提纯生成高纯三氯硅烷。该步分两个过程：280~30032()3()()()CSiHClSiHClH°+⎯⎯⎯⎯→+催化剂固气气气a.盐酸化：b.精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同（挥发性差异）来达到分离各组分的目的，其中高沸点的FeCl3和PCl3/PCl5，以及低沸点的BCl3同时被去除，使SiHCl3的纯度由98％提纯到9个“9”到10个“9”。第三步：通过三氯硅烷与氢气反应来生产半导体级硅（SemiconductorGradeSilicon，SGS）。323CSiHCLHSiHCl°+⎯⎯⎯⎯→+1100(气)(气)(固)(气)西门子工艺直拉法（Czochralski，CZ法）单晶生长•晶体主流生长技术•单晶硅生长的材料：电子级多晶硅，纯度99.999999999％单晶硅生长4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。影响直拉法的两个主要参数是拉伸速率和晶体旋转速率。拉晶过程可分为熔硅、引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾等步骤悬浮区熔(Float-zone，FZ)法中子嬗变掺杂（Neutrontransmutationdoping，NTD）282929-nSiSiPe+→→+•直拉（CZ）法，应用较普遍－价格便宜－电阻率低（100Ω•cm)－可得到较大直径晶圆（300mm）－原料可多次重复使用－会经由坩锅污染材料•区熔（FZ）法－可得高纯度的硅，不需坩锅－成本较高，且做出晶圆较小（150mm）－主要制造需要高阻（可以20kΩ•cm）原材料的分立式功率器件－容易生长高电阻率及低氧材料－需使用多晶硅作为籽晶材料两种方法的比较硅晶圆片制备硅晶圆片制备1095×1010101110111012金属污染（原子/cm2）5~10@0.2μm10~20@0.16μm20~30@0.2μm100@0.2μm50~100@0.12μm10~100@0.16μm5~10@0.3μm10@0.3μm10@0.3μm颗粒度（每片）无无10100100~200OISF（个/cm2）1214151720氧（×10－6原子）0.5~0.80.5~1123平坦度（μm）10~2010~3020~3018~3520~30翘曲度（μm）11.5233TTV（μm）775±25725±20675±25625±20525±20厚度（μm）300mm200mm150mm125mm100mm规格CMOS工艺的硅片规格5最简300mm硅晶圆片制程整形处理(shaping)去头、去尾、定向（x射线衍射法）、测试（四探针测电阻率）、滚磨、磨定位面定位面和定位槽作用：a.自动化生产设备中的定位操作；b.标明硅片的晶向和导电类型等，便于生产管理；c.主定位边或定位槽垂直于110方向，划片时自然解理，防止碎片。≥200mm200mm切片(Slicing)内圆切割InnerDiameter（IDSaw）200mm时采用线切割（WireSaw）200mm时采用倒角（Edge-rounded）目的：•防止硅片边缘碎裂；•防止热应力的集中；•增加外延层和光刻胶层在硅晶圆片边缘的平坦度。6研磨(Lapping)目的：a.去除硅片表面的切片刀痕和凹凸不平；b.使表面加工损伤深度一致，这样在后续的化学腐蚀过程中表面腐蚀速度才能达到均匀一致；c.调节硅片厚度，使片与片间厚度差缩小，满足公差要求；d.提高平行度，使硅片各处厚度均匀；e.改善表面平整度。刻蚀（Ething）目的：除去先前各步机械加工所造成的损伤和沾污，获得干净且光亮的表面，通过腐蚀还可暴露磨片过程中产生的不易观察的划痕等缺陷。酸性刻蚀：HNO3-HF系统32623418348SiHNOHFHSiFNOHO++⎯⎯→+↑+通常HF/HNO3的比例在0.05~0.25之间，而腐蚀温度控制在18～24℃。加入乙酸缓冲腐蚀速率改善腐蚀均匀性。碱性刻蚀：卤素金属氢氧化物及稳定剂23222SiKOHKSiOH+⎯⎯→+↑成本低，无毒，各向异性，表面粗糙剖光（Polishing）目的：改善前工艺所留下的微缺陷，获得高平整度的光滑表面。双面抛光化学机械抛光(CMP)：化学及机械作用的结合，由抛光液中的NaOH、KOH、NH4OH腐蚀硅晶圆片最表面层，抛光布、硅酸胶与硅晶圆片间的机械摩擦作用则是提供腐蚀的动力来源。不断的腐蚀氧化所形成的微抛光屑，经抛光液的化学去聚合作用与冲除，而达到移除的目的。最佳的抛光反应是当机械力与化学力两者处于平衡时的状态。清洗（Washing）湿法RCA标准清洗3＃液1＃液2＃液兆声清洗声压波：¾高频率（850－900KHz)¾高功率：300W原理：平行于硅片表面的声压波使粒子浸润，然后溶液扩散入界面，最后粒子完全浸润，并成为悬浮的自由粒子。7湿法工艺中的一些问题:颗粒的产生较难干燥价格化学废物的处理和先进集成工艺的不相容干法清洗工艺 是一种气相化学,通常需激活能在低温下加强化学反应。所需加入的能量，可以是等离子体，粒子束，短波长辐射和加热，这些能量用以清洁表面，但必须避免对硅片的损伤ClusterTools,可以在一个机器的各个真空腔内完成各种工艺集群ClusterTools多种干法清洗工艺•HF／H2O气相清洗•紫外一臭氧清洗法(UVOC)•H2／Ar等离子清洗•热清洗硅片质量参数检测硅片质量参数检测z物理尺寸z平整度z微粗糙度z氧含量z晶体缺陷z氧含量z体电阻率8a.物理尺寸包括直径、厚度、晶向位置和尺寸、定位边（或定位槽）及硅片形变。对于300mm硅片，一般要求厚度775±10μm，直径误差±0.2mm。b.平整度平整度是硅片最主要的参数之一，主要因为光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。局部平整度c.微粗糙度对硅片上非常薄的介质层的击穿有着负面影响。硅片磨片后的刻蚀对表面微粗糙度影响较大，要严格控制。d.氧含量大量氧：产生大的位错环使得晶片在热处理过程中，出现翘曲等变形；影响区域性的导电性及造成pn结漏电流等不良效应；降低少数载流子的寿命。少量氧：作为吸附中心能吸附金属杂质和产生微缺陷的间隙原子，使硅片表面完整性提高，大大提高成品率，这种技术称为本征内吸杂技术；硅中溶解氧还能提高硅片的抗翘曲力，使强度增大。随着器件制作工艺改善减少了沾污源，对作为俘获中心的氧的数量要求也越来越少。e.晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷f.颗粒对于300mm硅片90nm工艺，大于等于90nm直径的颗粒数要小于0.17个/cm2，总数小于116个/片。g.体电阻率在实际晶体生长过程中，沿半径方向存在浓度梯度，使硅锭中心位置达到最大值并由内到外逐渐减小，这是由于径向的温度梯度引起的。电阻率用四探针方法来测量SOISOI材料材料芯片生产厂所用的硅基材料一般分以下三种：原始抛光片，未经过任何其它加工的原始硅片，主要用于DRAM生产。外延片，在原始硅片上淀积一层单晶硅，价格大约是原始抛光硅片的1.4～2.5倍。其中在硅上外延锗硅的应变硅技术是非常有前途的一项技术，已经有些芯片生产厂用于高频功率集成电路的生产。SOI硅片，SiliconOnInsulator的缩写。SOI技术是指在绝缘层上形成一层具有一定厚度的单晶半导体硅薄膜的材料制备技术，主要用于低功耗和高效应用，价格大约是抛光片的4～15倍。SOI材料的技术优越性•工艺简化–无闩锁效应。–减少工艺流程。–较小芯片面积，提高集成度，可实现三维集成。•性能更好–在