芯片制造-半导体工艺教程(6)

芯片制造-半导体工艺教程

完成本章后您将能够：

1，解释晶体和非晶体的区别。 2，解释多晶和单晶的区别。

3，画出两种在半导体工序重要的晶圆晶向示意图。 4，解释晶体生长直拉法，区溶法，液晶压缩直拉法。 5，画出晶圆制备工艺的流程示意图。

6，解释晶圆上参考面或缺口的使用和意义。 7，描述圆边晶圆在芯片制造工艺中的好处。

8，描述平整和无损伤晶圆在芯片制造工艺中的好处。

介绍

高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆。在上世纪60年代开始使用的是1²直径的晶圆，而现在业界根据90年代的工艺要求生产200毫米直径的晶圆。300 毫米直径的晶圆也已经投入生产线了，而根据SIA的技术路线图，到2007年，300毫米将成为标准尺寸。以后预期会是400毫米或450毫米直径的晶圆。大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。然而，这对晶圆制备的挑战是巨大的。大直径意味着高重量，这就需要更多坚固的工艺设备。在晶体生长中，晶体结构上和电学性能一致性及污染的问题是一个挑战，这些挑战和几乎每一个参数更紧的工艺规格要求共存。与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。

半导体硅制备

半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：

晶圆制备阶段

**矿石到高纯气体的转变 **气体到多晶的转变

**多晶到单晶，掺杂晶棒的转变 **晶棒到晶圆的制备

半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。提纯从化学反应开始。对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。硅化物再和氢反应（图3.1）生成半导体级的硅。这样的硅的纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。1它有一种称为多晶或多晶硅（polysilicon）的晶体结构。

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晶体材料

材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式。有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体（crystals）。 原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶或无定形（amorphous）。塑料是无定形材料的例子。

晶胞

对于晶体材料实际上可能有两个级别的原子组织结构。第一个是单个原子的组织结构。晶体里的原子排列在称为晶胞（unit cell）的结构的特定点。晶胞是晶体结构的第一个级别。晶胞结构在晶体里到处重复。

另一个涉及晶胞结构的术语是晶格（lattice）。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。 在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间的结合能会引发材料的许多特性。每个晶体材料具有独一无二的晶胞。硅晶胞具有16个原子排列成金刚石结构（图3.2）。砷化镓晶体具有18个原子的晶胞结构称为闪锌矿结构（图3.3）。

多晶和单晶

晶体结构的第二个级别和晶胞的构成有关。在本征半导体中，晶胞间不是规则的排列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似，每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具有多晶结构。

当晶胞间整洁而有规则的排列时第二个级别的结构发生了（图3.4）。那样排列的材料具有单晶结构。

单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾，晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的晶元是至关重要的（见18章）。

晶体定向

对于一个晶圆，除了要有单晶结构之外，还需要有特定的晶向（crystal

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orientation）。通过切割如图3.4的单晶块可以想象这个概念。在垂直平面上切割将会暴露一组平面，而角对角切割将会暴露一个不同的平面。每个平面是独一无二的，不同在于原子数和原子间的结合能。每个平面具有不同的化学、电学和物理特性，这些特性将赋予晶圆。晶圆要求特定的晶体定向。

晶面通过一系列称为密勒指数的三个数字组合来表示。如图3.5有两个简单的立方晶胞嵌套在XYZ坐标中。两个在硅晶圆中最通常使用的晶向是<100>和<111>晶面。晶向描述成1-0-0面 和1-1-1面，括弧表示这三个数是密勒指数。 <100>晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路，而<111>晶向的晶圆用来制造双极型器件和电路。砷化镓晶体只能沿<100>晶面切割。

注意在图3.6<100>晶面有一个正方形，而<111>晶面有一个三角形。当晶圆破碎时这些定向会如图3.6展现出来。<100>晶向的晶圆碎成四方形或正好90度角破裂。<111>晶向的晶圆碎成三角形。

晶体生长

半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。那些半导体材料，或叫做晶棒，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。

使用三种不同的方法来生长单晶：直拉法、液体掩盖直拉法、区溶法。

直拉法（CZ）

大部分的单晶是通过直拉法生长的（图3.7）。设备有一个石英坩埚，由负载高频波的环绕线圈来加热，或由电流加热器来加热。坩埚装载半导体材料多晶块和少量掺杂物。选择掺杂材料来产生N型或P型材料。开始在1415°C把多晶和搀杂物加热到液体状态，接下来籽晶安置到刚接触到液面（叫做熔融物）。籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，籽晶可由化学气相的技术制造。在实际应用中，它们是一片片以前生长的单晶并重复使用。 当籽晶从熔融物中慢慢上升时，晶体生长开始了。籽晶和熔融物间的表面张力致

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使一层熔融物的薄膜附着到籽晶上然后冷却。在冷却过程中，在熔化的半导体材料的原子定向到籽晶一样的晶体结构。实际结果是籽晶的定向在生长的晶体中传播。在熔融物中的搀杂原子进入生长的晶体中，生成N型或P型晶体。

为了实现均匀掺杂、完美晶体和直径控制，籽晶和坩埚（伴随着拉速）在整个晶体生长过程中是以相反的方向旋转的。工艺控制需要一套复杂的反馈系统，综合转速、拉速及熔融物温度参数。

拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需要花费三天时间生长。

液体掩盖直拉法（LEC）

液体掩盖直拉法2用来生长砷化镓晶体。实质上它和标准的直拉法（CZ）一样，但为砷化镓做了重要改进。由于熔融物里砷的挥发性，改进是必须的。在晶体生长的温度条件下，镓和砷起反应，砷会挥发出来造成不均匀的晶体。 对这个问题有两个解决办法。一个是给单晶炉加压来抑制砷的挥发，另一个是液体掩盖直拉法工艺（图3.9）。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。在这个方法中，单晶炉里需要大约一个大气压。

区熔法

区熔法晶体生长2是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。直拉法的一个缺点 …… 此处隐藏：2327字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……