半导体器件与工艺(6).ppt

第六章硅片的制备与清洗硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是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而言，使用一种特殊纯度级以满足严格的材料和物理要求。
用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-gradesilicon），或者SGS，有时也被称做电子级硅。
不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有近乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。
单晶是一种固体材料，在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构。
非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。非晶硅对生产半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关。这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。
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，它给出了晶体的结构。在一个晶体结构中，晶胞紧密地排列，因此存在共有原子。共有原子非常重要，因为晶胞是通过它们来组成一个紧密连接在一起的晶格结构的。在金刚石面心立方晶胞中每个角上的原子被8个晶胞所共有，每个面上的原子被2个晶胞所共有。因此每个面心立方晶胞包含4个完整原子。
对于硅晶体来说，晶胞和金刚石晶体结构的面心立方结构晶胞不同，除了面心立方所具有的那些共有原子之外，还包括完全位于立方结构中的4个原子。对于硅晶胞来说，总共有8个完整原子，其中4个共有原子和4个非共有原子。
如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫多晶材料。如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构，就叫做多晶硅（polycrystal）。如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列，那这样的结构就叫单晶（monocrystal）、英文的另一种表达方式是singlecrystal。
晶向非常重要，因为它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，这会影响工艺条件和最终的器件性能。如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞就都会沿着这个坐标轴重复地排列。
硅晶体平面上的方向由一套称做密勒指数的参数所描。在密勒系统的符号里，小括号（）用来表示特殊的平面，而尖括号＜＞表示对应的方向。
晶体生长是把半导体级硅的多晶硅转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅被称为硅单晶锭。现在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski（CZ）法，是按照发明者的名字来命名的。
CZ法生长单晶硅是把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅。一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅锭就像籽晶的复制品。为了用CZ法得到单晶硅，在熔化了的硅和单晶硅籽晶的接触面的条件要精确控制。这些条件保证薄层硅能够精确复制籽晶结构，并最后生长成一个大的硅锭。这些是通过CZ拉单晶炉的设备得到的。

为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料被加到拉单晶炉的熔体中。纯硅的电阻率大约在。晶体生长中最常用的掺杂杂质是产生P型硅的三价硼或者产生n型硅的五价磷。通常掺杂杂质不直接加入到熔体中，这是由于掺杂杂质数量非常少。典型的工艺是采用将掺杂杂质加入到被粉碎的硅粉中的形式进行掺杂。
区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中。用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分，因为在熔融晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间。晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。
典型的区熔法硅片直径要比直拉法小。由于不用坩埚，区熔法生长的硅纯度高且含氧量低。
更大直径的硅锭对正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战。300mm的硅锭大约有1米长，并且需要在坩埚中熔化150kg到300kg的半导体级硅。
更大直径硅片意味着每个硅片上有更多的芯片，每块芯片的加工和处理时间都减少了，导致设备生产效率提高。更大直径的另一个好处就是在硅片边缘的芯片少了，转化为更高的生产成品率。还有一个好处是由于在同一工艺过程中有更多的芯片，所以在芯片处理过程中，设备的重复利用率提高了。

晶体缺陷(crystaldefect)就是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断。硅晶体缺陷对半导体的电学特性有破坏作用。随着器件尺寸的缩小以及有源栅区面积的增加，更多的晶体管集成在一块芯片上，缺陷出现在芯片敏感区域的可能性就会增加。这样的缺陷会对先进的IC器件的成品率有负面影响。
硅中主要存在三种普遍的缺陷形式：
1.点缺陷：原子层面的局部缺陷
2.位错：错位的晶胞
3.层错：晶体结构的缺陷
点缺陷
点缺陷存在于晶格的特定位置。最基本的一种缺陷是空位。这种缺陷是当一