第二章硅和硅片制

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第二章硅和硅片制备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。锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因1）硅的丰裕度硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的 25 ，经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。2）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，使得硅可以承受高温工艺。3）更宽的工作温度范围用硅制造的半导体元件可以用于比锗更宽的温度范围。4）氧化硅的自然生成硅表面有自然生长氧化硅 SiO2的能力。 SiO2 是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污。现在，全世界芯片的 85 以上都是由硅来制造的。2.1 半导体级硅用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（ semiconductor-grade silicon） , 或者 SGS，有时也被称做电子级硅。从天然硅中获得生产半导体器件所需纯度的SGS 要分几步。现介绍一种得到 SGS 的主要方法第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（ SiO2），一种纯沙，来生产冶金级硅。SiC（固体） SiO2（固体）→ Si（液体） SiO（气体） CO（气体）在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有 98 。由于冶金级硅的沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。Si（固体） 3HCl（气体）→ SiHCl 3（气体） H2（气体）加热第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为 99. 9999999 的半导体级硅。2SiHCl3（气体） 2H2（气体）→ 2Si（固体） 6HCl（气体）这种生产纯 SGS 的工艺称为西门子工艺。（图 2.1）半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ ppm）二的碳元素和少于十亿分之（ ppb）一的 Ⅲ、Ⅴ 族元素（主要的掺杂元素）。然而用西门子工艺生产的硅没有按照希望的晶体顺序排列原子，所以也不能用在半导体制造中。2.2 晶体结构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。单晶就是一种固体材料，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，它给出了晶体结构。图 2.2 表示了由晶胞组成的三维结构。因为晶体结构在三维方向上是等同的，晶胞有一个框架结构，像一个立方体。在自然界有 7 种可能存在的晶体结构。对于硅晶体来说，它的晶胞是面心立方结构，如图 2.3。如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫做多晶材料。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。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。半导体芯片加工需要纯净的单晶硅结构，这是因为晶胞重复的单晶结构能够提供制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性质。晶胞在晶体中的方向称为晶向。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。半导体制造中硅片常用的晶向是、、。2.3 单晶硅生长晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅称为硅锭。在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是 Czochralski 法，也称 CZ 法。另外还有区熔法。2.3.1 CZ 法CZ 法生长单晶硅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 型的固体硅锭。 85 以上的单晶硅是采用 CZ 法生长出来的。 CZ 拉单晶炉见图 2.4。坩锅里的硅被拉单晶炉加热，使用电阻加热或射频（ RF）加热线圈。电阻加热用于制备大直径的硅锭。当硅被加热时，它变成液体，叫做熔体。一个完美的具有所需要晶向的籽晶硅接触到直拉装置并开始生长新的晶体结构。籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起，它的旋转方向与坩锅的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随着籽晶旋转着从熔体里拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来了。不同的硅锭生长结果依赖于籽晶和坩锅各自的旋转方向及速度。2.3.2 区熔法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，因为在熔融的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。区熔法示意如图 2.5 。区熔法硅片直径要比直拉法小，由于不用坩锅，区熔法生长的硅纯度高且含氧量低。2.3.3 追求更大直径硅锭的原因硅锭直径从 20世纪 50 年代初期的不到 25mm 增加到现在的 300mm, 硅片直径的历史发展趋势如图解 2.6 所示。更大直径的硅锭对硅锭生长中正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战。随着制备硅锭复杂度的增加 , 为什么还要继续增加硅片的直径呢是因为增加硅片直径给硅片制备带来的成本利润。更大直径硅片有着更大的表面积来做芯片 , 这样就会在一个硅片上生产更多的芯片。这带来三大好处 1 每块芯片的加工和处理时间减少了 , 导致设备生产效率提高； 2 硅片边缘的芯片少了 , 转化为更高的生产成品率； 3 由于在同一工艺过程中有更多的芯片 , 设备的重复利用率提高了。2.4 硅中的晶体缺陷为了很好地实现先进 IC 功能，半导体要求有近乎完美的晶体结构。晶体缺陷就是在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断。缺陷密度在工艺过程中，由于各种原因在每平方厘米硅片上产生的缺陷数目。研究硅晶体缺陷是非常重要的，因为它对半导体的电学特性有破坏作用。这些问题包括二氧化硅介质击穿和漏电流等。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。这样的缺陷对器件的成品率有负面影响。晶体缺陷会产生于晶体生长和后面硅锭和硅片的各项工艺中。一些缺陷是因为表面损伤而造成的，例如由于机械操作造成的裂痕的表面缺陷。在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。点缺陷存在于晶格的特定位置。图 2.7显示了三种点缺陷。最基本的一种缺陷是空位。这种缺陷当一个原子从其格点位置移动到晶体表面时出现。另一种点缺陷是间隙原子，它存在于晶体结构的空隙中。当一原子离开其格点位置并且产生了一个空位时，就会产生间隙原子 - 空位对，或叫 Frenkel 缺陷。随着器件技术变得越来越复杂，半导体硅中的点缺陷也越来越重要。在晶体生长中影响点缺陷产生的因素是生长速率和晶体熔体界面间的温度梯度。如果晶体冷却速率得到控制，就会有效减少缺陷的产生。半导体制造中的热处理也能导致点缺陷的产生。另一种点缺陷是由于化学元素杂质引入到格点里所产生的（只要是氧和碳）。在制备过程中杂质的引入可能是有目的的，也可能是无意的。他们能占用原有原子的位置，成为替位杂质，或者在间隙中成为间隙杂质。2. 位错错位的晶胞。见图 2.8 。打个比方，就象整齐排列的一推砖有一层沿一个方向发生了错位。位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意阶段产生。然而发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅片上的机械应力所造成，例如不均匀的受冷或受热以及超过硅片承受范围的应力。一些情况下，位错是由器件制作过程中硅片表面的热氧化所引入的。3. 层错晶体结构的缺陷。层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。滑移就是一种层错，它沿着一个或更多的平面发生滑移（见图 2.9 ）。另一种层错是孪生平面，就是在一个平面上，晶体沿着两个不同的方向生长（见图 2.10 ）。这种孪生平面是因为在生长过程中的热影响或机械振动而产生的。在每一边生长的晶体都可能很完美。无论是滑移还是孪生平面都是半导体制造中不能接受的。2.5硅片制备硅是硬而脆的材料，晶体生长后的圆柱形的单晶硅锭要经过一系列的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量测量。硅片制备的基本流程如图 2.11 所示。由于芯片设计和制造要求的不断提高，硅片的制备工艺必须能提供符合更严格规范要求的硅片。这些要求包括硅片的几何尺寸（直径、平整度和翘曲度）、表面完美性（粗糙度和光的散射性）和洁净度（颗粒的源）。这些规范会带来诸如自动材料传送中的尺寸控制或者达到 IC 生产中关键工艺步骤所要求的表面状况等问题。一．整型处理整型处理包括在切片之前对单晶硅锭做的所有准备步骤。1）去掉两端两端通常叫籽晶端和非籽晶端。当两端被切掉后，可用四探针来检查电阻以确定整个硅锭达到合适的杂质均匀度。2）径向研磨由于在晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确，所以硅锭都要长得稍大一点以进行径向研磨。对半导体制造中流水线的硅片自动传送来讲，精确的直径控制是非常关键的。3）硅片定位边或定位槽在硅锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。主定位边标明了晶体结构的晶向，如图 2.12 所示。还有一个次定位边标明硅片的晶向和导电类型。六吋以下的硅片都是如此定位的。八吋及以上的硅片已采用定位槽，具有定位槽的硅片在硅片背面靠近边缘的区域有激光刻上的关于硅片的信息。如图 2.13 所示。二．切片将整型处理后的硅锭切成一片片的硅片。对 200mm 及以下硅片来讲，切片是用带有金刚石切割边缘的内圆切割机来完成的。对 300mm 的硅片要由线切割机来进行。线切割比内圆切割产生更多的硅片，但内圆切割能产生平整的切面。三．磨片和倒角切片完成后，进行双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤，达到硅片两面高度的平行及平坦。在硅片制备过程的许多步骤中，平整度是关键的参数。硅片边缘倒角可使硅片边缘获得平滑的半径周线。在硅片边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错，尤其是在硅片制备的高温过程中。平滑的边缘半径能将这些影响降到最小。四．刻蚀硅片整型使硅片表面和边缘损伤及沾污，损伤的深度一般有几微米深，硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性去除表面物质的过程。硅片经过湿法化学刻蚀工艺消除硅片表面损伤和沾污。五．抛光制备硅片的最后一步是化学机械平坦化（ CMP ），也叫抛光。它的目标是高平整度的光滑表面，以满足半导体器件制备的需要。2.6外延层在某些情况下，需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶体结构（单晶）的硅表面，还要保持对杂质类型和浓度的控制。这要通过在硅表面淀积一个外延层来达到。在硅外延中，硅基片作为籽晶在硅片上面生长一薄层硅。新的外延层会复制硅片的晶体结构。由于衬底硅片是单晶，外延层也是单晶。而且，外延层可以是 n 型也可以是 p 型，这并不依赖于原始硅片的掺杂类型。外延层通常是没有沾污的。硅外延发展的起因是为了提高双极器件和集成电路的性能。外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外延层。这在优化 pn 结的击穿电压的同时降低了集电极电阻，在适中的电流强度下提高了器件速度。2.7 硅中杂质在实际集成电路制造中所需要的绝大多数半导体材料，都人为地掺入一定数量的某种原子杂质，以便控制导电类型和导电能力 .这种人为掺入杂质的半导体，就是通常所说的杂质半导体 ,掺入的杂质主要是 Ⅲ A 族元素受主元素和 Ⅴ A 族元素施主元素。这些杂质在硅晶体中一般是替代硅原子而占椐晶格位置，并能在适当的温度下施放电子或空穴，控制和改变晶体的导电能力和导电类型（ n 型或 p型）。如果在硅中同时存在浅施主和浅受主两种杂质，这时它的导电类型要由杂质浓度高的那种杂质决定，它首先要补偿掉不同类型的杂质，剩余部分才对导电能力有贡献。杂质在硅中并不能无限制的掺入，在一定的温度和平衡态下，它有一个溶解到硅中的最大浓度，这就是杂质在硅晶体中的溶解度，也称固溶度。固溶度是随着温度而变化的。2.8 质量测量一．物理尺寸为了达到芯片生产中器件制造的要求以及适合硅片制造厂自动传送设备的要求，硅片必须规定物理尺寸。在硅片的制备中，尺寸控制和检查包括许多测量，例如直径、厚度、晶向位置和尺寸、定位边（或定位槽）和硅片形变。二．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。硅片平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是通过硅片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平整度，也可以规定为整体平整度。三．微粗糙度微粗糙度是实际表面同规定平面的小数值范围的偏差。它测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别，它的单位是纳米。对芯片制造来讲，表面微粗糙度的控制非常重要，这是因为在器件制造中，它对硅片上非常薄的介质层的击穿有着负面影响。四．氧含量控制硅锭中的氧含量水平和均匀性是非常重要的，而且随着更大的直径尺寸，难度也越来越大。少量的氧能起到俘获中心的作用，它能束缚硅中的沾污物（主要是金属离子）。然而，硅锭中过量的氧会影响硅的机械和电学特性。目前硅片中的氧含量被控制在 24 到 33ppm。五．晶体缺陷为了使前面讨论的各种晶体缺陷减到最少，必须对硅加以控制。目前要求每平方厘米的晶体缺陷少于 1000 个。六．颗粒硅片表面颗粒的数量应该加以控制，使在芯片制造中的成品率损失降到最低。典型的硅片洁净度规范是在 200mm 的硅片表面每平方厘米少于 0.13 个颗粒。测量到的颗粒尺寸要大于或等于 0.08 微米。七．体电阻率硅锭的体电阻率依赖于在晶体生长前掺杂到硅熔体中的杂质浓度。理想的要求是在整个体硅中得到均匀的电阻率。实际上由于晶体生长过程中半径方向存在温度梯度，使硅锭沿半径方向的掺杂浓度不同。