半导体-硅片生产工艺流程及工艺注意要点 - 图文

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硅单晶棒,作为一个结果,硅片从晶棒上切割下来,还有一重要参数—氧含量。CZ法生长的单晶氧含量接近1018cm-3等级。氧主要来自于硅融化时石英坩埚缓慢而稳定的分解。一部分的氧从熔融的SiO中分解逸出,但有一定量的氧与生长的晶体结合。由于熔融物和晶棒的旋转以及随着时间的推移,熔融物量的减少,氧含量沿着晶棒的长度方向会显示出一特性。在一般的生长条件下,晶体在籽晶末端有较高的氧含量,并沿着长度向下含量减少。 氧施主

可以观测到,单晶棒会经过一定的热条件,一些氧原子会作为施主或者说n型掺杂剂。这种掺杂剂的增加会扰乱既定的电阻率。在某些情况下,甚至掺杂剂的性质会发生改变,从而使p型晶棒转变为n型晶棒。

如果晶棒或硅片在300℃-500℃温度范围内,硅中的氧原子会扮演施主的角色,450℃是最起作用的温度。整根晶棒的剖面浓度分析,从顶部至底部,施主的浓度或氧含量呈下降趋势。但这其中的原因有所不同。当晶体生长时,籽晶末端从热场中提升,所以,它要在较低的温度下呆更长时间,在某点上很可能温度范围在300℃-500℃内。因此,比起末端有更多的氧施主参与。

图3.6磷掺杂的硅中氧施主

磷是n型掺杂剂,并且氧施主提高了掺杂浓度。应注意的是,籽晶末端的晶体包含了最高的氧含量,因此,在这端的n型掺杂剂浓度也更高。图3.6也显示了热处理后的施主浓度,即在大部分氧施主不再活动后,磷的浓度。

在CZ法的早期,晶体或熔融物的不旋转的晶体生长中,可以观测到热氧浓度较少。但这种方法现在不被承认,因为现在几乎所有的硅单晶生长都要旋转晶体或熔融物。

施主氧的存在

从1954年开始,氧施主的存在就被承认了。曾作了很多尝试去了解从惰性氧形成施主的机制,以及这种氧与其它原子是怎样结合的。甚至到今天,整个过程也不是非常清楚地理解。施主

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结构的大部分明显的点中,一些氧原子在替代位置而且每个这样的氧原子都有三个间隙氧原子,即每个施主组合包含四个氧原子组成的基团。图3.7显示了硅中施主氧的一种可能结构。

图3.7硅中施主氧的一种可能结构

在本章陈述中,替代位氧原子已被双重电离。因为氧有6个外层电子,它的四个电子能与硅原子形成四根键,而另两个电子施与了晶体导带。所以,四个氧原子中,只有替代位的氧原子起施主作用。 碳的影响

碳在单晶硅中存在抑制了热氧施主的形成。硅中的一些碳原子会占据替代位而替代氧,结构如下(图3.8)。

图3.8碳替代氧施主

因为碳有四个电子,所以与四个硅原子结合后,不会有额外的电子。当碳含量在5×1016atoms?cm-3或更高时,这个效应就会发生。

热施主的消灭或抵抗稳定

当含有氧的热施主的硅单晶加热到500℃以上时,更多的氧会扩散进入成为施主,氧的基团生长的更大。最后会生长的足够大到形成沉淀物。这个效应大约在650℃左右时发生。沉淀物就不再显示出施主的特性。所以,如果晶棒加热到650℃,施主浓度会戏剧性地降低。习惯上,在加热到650℃以后,晶棒急冷至室温。急冷能将沉淀物冻结在晶格内,防止它们再度活跃成为施主。

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问题是当在器件制造时,单晶硅总会被再加热到300℃-500℃范围,仍存在氧沉淀物重回施主状态的问题。经发现,施主消灭的过程是不可撤回的,这就意味着一旦氧施主沉积,施主浓度就不会再显著上升,甚至在其被再度加热时。

在热处理之前清洁硅片的表面去除金属沾污物的颗粒很重要,因为热处理时的炉温会使金属扩散进入硅的内部。金属会降低少数载流子的寿命,影响器件性能。

热处理前清洗

热处理前清洗可以以几种不同方式进行。一种典型的方法是使用SC-2洗液来去除金属沾污,然后将硅片浸入已非常稀释的高纯HF溶液中去掉氧化层。另一清洗方法是先用硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)的混合溶液清洗。这种溶液以剧烈溶剂著称,能去除硅片表面大部分的有机污物和某些金属离子。同时,该溶剂能氧化硅片表面,一些金属离子(如铁和锌)会在氧化层生长时被氧化。然后硅片浸入到已稀释的高纯酸液中,去除氧化层。金属沾污也就随着氧化层的清除而被去除掉了。硅片进行纯水漂洗和甩干时,表面本质上已无金属离子存在并能放入炉子进行热处理了。 热处理

抵抗稳定过程只要用到炉子。这样做是为了避免其它过程的交叉污染,如扩散或化学气相沉积(CVD)。

抵抗稳定的关键参数是温度和时间。晶棒或硅片必须加热到650℃左右,然后进行急冷。更长的冷却时间会使沉积的氧原子再度活跃,至少是部分氧原子会重新成为施主。急冷的标准是在炉子外面用气流吹。硅片尺寸到100mm的,整根晶棒可以进行退火,但随着硅片尺寸增加,对用气流来进行急冷来说,晶棒的热能可能太高。硅片尺寸150mm时,整根晶棒进行退火是不实际的,因此,将分立的硅片进行热处理。

硅片放置在清洁的石英舟中,然后放入石英炉内预热至650℃。加热过程约20-30分钟,通氮气。氮气为热处理提供了一个经济又惰性的气氛。这个过程结束后,将硅片从热的炉子中拉出,暴露在外面的空气中,温度会快速经过450℃的临界温度范围,足以将氧保持是冻结状态。如果整根晶棒热处理,将它放置在一石英载体上后,放入炉子。

理论上,热处理可以在器件制作前的任何阶段进行。但通常在早期进行,在晶棒阶段或切磨片之后马上进行,如此,可以确保硅片最终能满足顾客的电阻率要求。

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氧施主

经观测,硅进行任何的热处理,温度在500℃-900℃范围内,新的氧施主开始出现。氧施主的这个效应在450℃左右时,不会发生。根据一些资料,进行抵抗稳定时,要防止这类施主的产生,可以通过快速热处理过程,硅在650℃维持几秒钟而达到。

外延沉积的硅片是重掺杂的。这是因为外延沉积的目的就是要以重掺硅为基础,再在其上部生长一层轻掺杂单晶硅。例如,在n型重掺的顶部生长p型轻掺杂单晶硅制作一个n型的MOS电路。在外延生长过程的温度上,一些掺杂剂会从重掺基层外扩散与流动的反应物混合。当外延层在硅片正表面生长时,这个效应会减弱,但硅片背面的外扩散仍在继续。

自动掺杂的诸多问题,以及怎样防止或弱化它们将在外延沉积一章中重点讨论。所以,这里只作简单介绍。

有几个途径避免或弱化自动掺杂。扩散是一个依赖温度过程,随着温度的下降,扩散率指数下降。因此如果在较低温度下进行外延沉积,自动掺杂的效应会减弱。

另一个方法是低压外延生长。因为不能轻易地通过边界逃逸,混合有外扩散出来的掺杂剂的气流一般滞留在接近于硅片的表面处。在低压下,就能很快从硅片表面处逃逸。

阻止自动掺杂的最好方法是至少在硅片背面用某种薄膜进行背封。一些不同的处理方法被采用。硅氧化层(Silox)、多晶和氮化硅薄膜常用作背封材料。当多晶硅作为背封材料时,它也还可成为外吸杂。 Silox

通过化学气相沉积在硅片背面淀积一层5000?-9000 ?厚度的硅氧化层。有几个不同的反应来完成。一是称为?或TEOS的Si(OC2H5)4的热分解。如果这种化合物在缺氧氛围中加热,会发生以下分解。

Si(OC2H5)4 → SiO2 + 4C2H4 + 2H2O

氢化硅(SiH4)是用来进行CVD的最普通的材料之一,它与氧气一起在炉内的反应如下: SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O

在背封时,硅片面向下放在基座上,将沉积材料覆盖在背面与硅片边缘一样大小。在正面进行外延沉积时,边缘的覆盖会引起一些问题,如图3.9所示。

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