晶片制造.DOC

第三章 晶圆制备 概述 在这一章里，讲述了沙子转变成晶体及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。 目的 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1(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。 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 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3.6100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