西安交通大学：《芯片制造－半导体工艺实用教程》 第三章 晶园制造

第三章晶园制备 31概述 在这一章里,主要介绍沙子转变成晶体, 以及晶园和用于芯片制造级的抛光片的生产步 骤 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的 晶园,最早使用的是1英寸,而现在300mm直 径的晶园已经投入生产线了。因为晶园直径越 大,单个芯片的生产成本就越低。然而,直径 越大,晶体结构上和电学性能的一致性就越难 以保证,这正是对晶园生产的一个挑战

第三章 晶园制备 3.1 概述 在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体， 以及晶园和用于芯片制造级的抛光片的生产步 骤。 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的 晶园，最早使用的是1英寸，而现在300mm直 径的晶园已经投入生产线了。因为晶园直径越 大，单个芯片的生产成本就越低。然而，直径 越大，晶体结构上和电学性能的一致性就越难 以保证，这正是对晶园生产的一个挑战

32晶体生长 半导体材料都是由构成其成分的原子规律 排列而成,通常把这种原子规律排列而成的材 料称为单晶。而它是由大块的具有多晶结构和 未掺杂的本征材料生长得来的。把多晶块转变 成一个大单晶,并给予正确的定向和适量的N 型或P型掺杂,叫做晶体生长。有三种不同的 生长方法:直拉法区熔法液体掩盖直拉法

3.2 晶体生长 半导体材料都是由构成其成分的原子规律 排列而成，通常把这种原子规律排列而成的材 料称为单晶。而它是由大块的具有多晶结构和 未掺杂的本征材料生长得来的。把多晶块转变 成一个大单晶，并给予正确的定向和适量的N 型或P型掺杂，叫做晶体生长。有三种不同的 生长方法：直拉法 区熔法 液体掩盖直拉法

321直拉法 大部分的单晶 都是通过直拉法 旋转卡盘 生长的。生产过 程如图所示。 籽晶 特点:工艺成熟, 生长晶体 射频加热线圈 能较好地拉制低 位错、大直径的 硅单晶。缺点是 难以避免来自石o 英坩埚和加热装。 置的杂质污染。 oooooo

3.2.1 直拉法 大部分的单晶 都是通过直拉法 生长的。生产过 程如图所示。 特点：工艺成熟， 能较好地拉制低 位错、大直径的 硅单晶。缺点是 难以避免来自石 英坩埚和加热装 置的杂质污染。 旋转卡盘 籽晶 生长晶体 射频加热线圈 熔融硅

322液体掩盖直拉法 此方法主要用来 生长砷化镓晶体, 籽晶 和标准的直拉法 样,只是做了一些 改进。由于熔融物 里砷的挥发性通常 晶体 采用一层氧化硼漂 浮在熔融物上来抑F≌ 氧化硼层 制砷的挥发。故得 砷化镓 其名,如图所示。 熔化物

3.2.2 液体掩盖直拉法 此方法主要用来 生长砷化镓晶体， 和标准的直拉法一 样，只是做了一些 改进。由于熔融物 里砷的挥发性通常 采用一层氧化硼漂 浮在熔融物上来抑 制砷的挥发。故得 其名，如图所示。 籽晶 晶体 砷化镓 熔化物 氧化硼层

323区熔法 通入惰性气体 主要用来生长 低氧含量的晶体, 惰性气体 (氩气) 但不能生长大直 上卡盘 径的单晶,并且 晶体有较高的位 多晶硅棒 错密度。这种工 滑动射 艺生长的单晶主 频线圈 熔融区 要使用在高功率 的晶闸管和整流 器上,生长系统 籽晶 E 下卡盘 如图所示 行进 方向

3.2.3 区熔法 主要用来生长 低氧含量的晶体， 但不能生长大直 径的单晶，并且 晶体有较高的位 错密度。这种工 艺生长的单晶主 要使用在高功率 的晶闸管和整流 器上，生长系统 如图所示。 通入惰性气体 惰性气体 （氩气） 上卡盘 多晶硅棒 下卡盘 熔融区 籽晶 滑动射 频线圈 行进 方向

几种工艺的比较 PARAMETER CZ FLOAT ZONE Large Crystal Yes Difficult Cost Lower Dislocations 0-10/cm2 103-105/cm Resistivity Up to 100 ohm. 2000 ohm-cm c Max Radial Resistivity 5-10% 5-10% Oxygen Content 1018-1018 0-Very Low atoms/cm3

• 几种工艺的比较

33晶体缺陷及对器件质量的影响 缺陷主要有:点缺陷位错(原生的和诱生的) 点缺陷 主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构 引起的应力所产生的缺陷,还有就是空位(晶 格点阵缺少原子所制)。如图所示 位错 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制(如 图所示 原生位错是晶体中固有的位错,而诱生位错是指 在芯片加工过程中引入的位错,其数量远远大 于原生位错。产生的原因大致可分为三个方面

3.3 晶体缺陷及对器件质量的影响 缺陷主要有： 点缺陷 位错(原生的和诱生的) 点缺陷 主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构 引起的应力所产生的缺陷， 还有就是空位(晶 格点阵缺少原子所制)。如图所示 位错 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制(如 图所示).. 原生位错是晶体中固有的位错，而诱生位错是指 在芯片加工过程中引入的位错，其数量远远大 于原生位错。产生的原因大致可分为三个方面

高温工艺过程引入的位错 ·掺杂过程中引入的位错 薄膜制备过程中引入的位错 无论是天生的还是诱生的缺陷对器件特性都 是不利的,因此在芯片制造过程中都应该尽量 避免。 穴位 ■E口

• 高温工艺过程引入的位错 • 掺杂过程中引入的位错 • 薄膜制备过程中引入的位错 无论是天生的还是诱生的缺陷对器件特性都 是不利的，因此在芯片制造过程中都应该尽量 避免。 穴位

34晶片加工 晶片加工是指将单晶棒经过切片、磨片、抛 光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。 切片在切片前还要滚磨整形、晶体定向、确定 定位面、等一系列的加工处理。 切片就是用有金刚石涂层的内园刀片把晶片 从晶体上切下来

3.4 晶片加工 晶片加工是指将单晶棒经过切片、磨片、抛 光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。 切片 在切片前还要滚磨整形、晶体定向、确定 定位面、等一系列的加工处理。 切片就是用有金刚石涂层的内园刀片把晶片 从晶体上切下来

磨片因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造的, 如图所示,它不可能直接使用,所以必须去处 切片工艺残留的表面损伤 磨片-—-是一个传统的磨料研磨工艺 民N线 之前 之后 磨片 抛光 化学机 械抛光

磨片 因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造的， 如图所示，它不可能直接使用，所以必须去处 切片工艺残留的表面损伤。 磨片----是一个传统的磨料研磨工艺 之前 之后 磨片 抛光 化学机 械抛光