发布时间 : 星期三 文章半导体-硅片生产工艺流程及工艺注意要点 - 图文更新完毕开始阅读
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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