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    新聞資訊

    硅片生產過程詳解

    簡介

    硅片的準備過程從硅單晶棒開始,到清潔的拋光片結束,以能夠在絕好的環境中使用。期間,從一單晶硅棒到加工成數片能滿足特殊要求的硅片要經過很多流程和清洗步驟。除了有許多工藝步驟之外,整個過程幾乎都要在無塵的環境中進行。硅片的加工從一相對較臟的環境開始,終在10級凈空房內完成。

    工藝過程綜述

    硅片加工過程包括許多步驟。所有的步驟概括為三個主要種類:能修正物理性能如尺寸、形狀、平整度、或一些體材料的性能;能減少不期望的表面損傷的數量;或能消除表面沾污和顆粒。硅片加工的主要的步驟如表1.1的典型流程所示。工藝步驟的順序是很重要的,因為這些步驟的決定能使硅片受到盡可能少的損傷并且可以減少硅片的沾污。在以下的章節中,每一步驟都會得到詳細介紹。

    表1.1  硅片加工過程步驟

    1.     切片

    2.     激光標識

    3.     倒角

    4.     磨片

    5.     腐蝕

    6.     背損傷

    7.     邊緣鏡面拋光

    8.     預熱清洗

    9.     抵抗穩定——退火

    10.   背封

    11.   粘片

    12.   拋光

    13.   檢查前清洗

    14.   外觀檢查

    15.   金屬清洗

    16.   擦片

    17.   激光檢查

    18.   包裝/貨運

    切片(class 500k)

    硅片加工的介紹中,從單晶硅棒開始的第一個步驟就是切片。這一步驟的關鍵是如何在將單晶硅棒加工成硅片時盡可能地降低損耗,也就是要求將單晶棒盡可能多地加工成有用的硅片。為了盡量得到好的硅片,硅片要求有小量的翹曲和少量的刀縫損耗。切片過程定義了平整度可以基本上適合器件的制備。

    切片過程中有兩種主要方式——內圓切割和線切割。這兩種形式的切割方式被應用的原因是它們能將材料損失減少到小,對硅片的損傷也小,并且允許硅片的翹曲也是小。

    切片是一個相對較臟的過程,可以描述為一個研磨的過程,這一過程會產生大量的顆粒和大量的很淺表面損傷。

    硅片切割完成后,所粘的碳板和用來粘碳板的粘結劑必須從硅片上清除。在這清除和清洗過程中,很重要的一點就是保持硅片的順序,因為這時它們還沒有被標識區分。

    激光標識(Class 500k)

    在晶棒被切割成一片片硅片之后,硅片會被用激光刻上標識。一臺高功率的激光打印機用來在硅片表面刻上標識。硅片按從晶棒切割下的相同順序進行編碼,因而能知道硅片的正確位置。這一編碼應是統一的,用來識別硅片并知道它的來源。編碼能表明該硅片從哪一單晶棒的什么位置切割下來的。保持這樣的追溯是很重要的,因為單晶的整體特性會隨著晶棒的一頭到另一頭而變化。編號需刻的足夠深,從而到終硅片拋光完畢后仍能保持。在硅片上刻下編碼后,即使硅片有遺漏,也能追溯到原來位置,而且如果趨向明了,那么就可以采取正確的措施。激光標識可以在硅片的正面也可在背面,盡管正面通常會被用到。

    倒角

    當切片完成后,硅片有比較尖利的邊緣,就需要進行倒角從而形成子彈式的光滑的邊緣。倒角后的硅片邊緣有低的中心應力,因而使之更牢固。這個硅片邊緣的強化,能使之在以后的硅片加工過程中,降低硅片的碎裂程度。圖1.1舉例說明了切片、激光標識和倒角的過程。

    圖1.1

    磨片(Class 500k)

    接下來的步驟是為了清除切片過程及激光標識時產生的不同損傷,這是磨片過程中要完成的。在磨片時,硅片被放置在載體上,并圍繞放置在一些磨盤上。硅片的兩側都能與磨盤接觸,從而使硅片的兩側能同時研磨到。磨盤是鑄鐵制的,邊緣鋸齒狀。上磨盤上有一系列的洞,可讓研磨砂分布在硅片上,并隨磨片機運動。磨片可將切片造成的嚴重損傷清除,只留下一些均衡的淺顯的傷痕;磨片的第二個好處是經磨片之后,硅片非常平整,因為磨盤是極其平整的。

    磨片過程主要是一個機械過程,磨盤壓迫硅片表面的研磨砂。研磨砂是由將氧化鋁溶液延緩煅燒后形成的細小顆粒組成的,它能將硅的外層研磨去。被研磨去的外層深度要比切片造成的損傷深度更深。

    腐蝕(Class 100k)

    磨片之后,硅片表面還有一定量的均衡損傷,要將這些損傷去除,但盡可能低的引起附加的損傷。比較有特色的就是用化學方法。有兩種基本腐蝕方法:堿腐蝕和酸腐蝕。兩種方法都被應用于溶解硅片表面的損傷部分。

    背損傷(Class 100k)

    在硅片的背面進行機械損傷是為了形成金屬吸雜中心。當硅片達到一定溫度時?,如Fe, Ni, Cr, Zn等會降低載流子壽命的金屬原子就會在硅體內運動。當這些原子在硅片背面遇到損傷點,它們就會被誘陷并本能地從內部移動到損傷點。背損傷的引入典型的是通過沖擊或磨損。舉例來說,沖擊方法用噴砂法,磨損則用刷子在硅片表面磨擦。其他一些損傷方法還有:淀積一層多晶硅和產生一化學生長層。

    邊緣拋光

    硅片邊緣拋光的目的是為了去除在硅片邊緣殘留的腐蝕坑。當硅片邊緣變得光滑,硅片邊緣的應力也會變得均勻。應力的均勻分布,使硅片更堅固。拋光后的邊緣能將顆?;覊m的吸附降到低。硅片邊緣的拋光方法類似于硅片表面的拋光。硅片由一真空吸頭吸住,以一定角度在一旋轉桶內旋轉且不妨礙桶的垂直旋轉。該桶有一拋光襯墊并有砂漿流過,用一化學/機械拋光法將硅片邊緣的腐蝕坑清除。另一種方法是只對硅片邊緣進行酸腐蝕。

    圖1.2舉例說明了上述四個步驟:

    圖1.2

    預熱清洗(Class 1k)

    在硅片進入抵抗穩定前,需要清潔,將有機物及金屬沾污清除,如果有金屬殘留在硅片表面,當進入抵抗穩定過程,溫度升高時,會進入硅體內。這里的清洗過程是將硅片浸沒在能清除有機物和氧化物的清洗液(H2SO4+H2O2)中,許多金屬會以氧化物形式溶解入化學清洗液中;然后,用氫氟酸(HF)將硅片表面的氧化層溶解以清除污物。

    抵抗穩定——退火(Class 1k)

    硅片在CZ爐內高濃度的氧氛圍里生長。因為絕大部分的氧是惰性的,然而仍有少數的氧會形成小基團。這些基團會扮演n-施主的角色,就會使硅片的電阻率測試不正確。要防止這一問題的發生,硅片必須首先加熱到650℃左右。這一高的溫度會使氧形成大的基團而不會影響電阻率。然后對硅片進行急冷,以阻礙小的氧基團的形成。這一過程可以有效的消除氧作為n-施主的特性,并使真正的電阻率穩定下來。

    背封(Class 10k)

    對于重摻的硅片來說,會經過一個高溫階段,在硅片背面淀積一層薄膜,能阻止摻雜劑的向外擴散。這一層就如同密封劑一樣防止摻雜劑的逃逸。通常有三種薄膜被用來作為背封材料:二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、多晶硅。如果氧化物或氮化物用來背封,可以嚴格地認為是一密封劑,而如果采用多晶硅,除了主要作為密封劑外,還起到了外部吸雜作用。

    圖1.3舉例說明了預熱清洗、抵抗穩定和背封的步驟。

    圖1.3  預熱清洗、阻抗穩定和背封示意圖

    粘片(Class 10k)在硅片進入拋光之前,先要進行粘片。粘片必須保證硅片能拋光平整。有兩種主要的粘片方式,即蠟粘片或模板粘片。

    顧名思義,蠟粘片用一固體松香蠟與硅片粘合,并提供一個極其平的參考表面?。這一表面為拋光提供了一個固體參考平面。粘的蠟能防止當硅片在一側面的載體下拋光時硅片的移動。蠟粘片只對單面拋光的硅片有用。

    另一方法就是模板粘片,有兩種不同變異。一種只適用于單面拋光,用這種方法,硅片被固定在一圓的模板上,再放置在軟的襯墊上。這一襯墊能提供足夠的摩擦力因而在拋光時,硅片的邊緣不會完全支撐到側面載體,硅片就不是硬接觸,而是“漂浮”在物體上。當正面進行拋光時,單面的粘片保護了硅片的背面。另一種方法適用于雙面的拋光。用這種方法,放置硅片的模板上下兩側都是敞開的,通常兩面都敞開的模板稱為載體。這種方法可以允許在一臺機器上進行拋光時,兩面能同時進行,操作類似于磨片機。硅片的兩個拋光襯墊放置在相反的方向,這樣硅片被推向一個方向的頂部時和相反方向的底部,產生的應力會相互抵消。這就有利于防止硅片被推向堅硬的載體而導致硅片邊緣遭到損壞。?除了許多加載在硅片邊緣負荷,當硅片隨載體運轉時,邊緣不大可能會被損壞。

    拋光(Class ≤1k)

    硅片拋光的目的是得到一非常光滑、平整、無任何損傷的硅表面。拋光的過程類似于磨片的過程,只是過程的基礎不同。磨片時,硅片進行的是機械的研磨;而在拋光時,是一個化學/機械的過程。這個在操作原理上的不同是造成拋光能比磨片得到更光滑表面的原因。

    拋光時,用特制的拋光襯墊和特殊的拋光砂對硅片進行化學/機械拋光。硅片拋光面是旋轉的,在一定壓力下,并經覆蓋在襯墊上的研磨砂。拋光砂由硅膠和一特殊的高pH值的化學試劑組成。這種高pH的化學試劑能氧化硅片表面,又以機械方式用含有硅膠的拋光砂將氧化層從表面磨去。

    硅片通常要經多步拋光。第一步是粗拋,用較硬襯墊,拋光砂更易與之反應,而且比后面的拋光中用到的砂中有更多粗糙的硅膠顆粒。第一步是為了清除腐蝕斑和一些機械損傷。在接下來的拋光中,用軟襯、含較少化學試劑和細的硅膠顆粒的拋光砂。清除剩余損傷和薄霧的終的拋光稱為精拋。

    粘片和拋光過程如圖1.4所示:

    圖1.4  粘片和拋光示意圖

    檢查前清洗(class 10)

    硅片拋光后,表面有大量的沾污物,絕大部分是來自于拋光過程的顆粒。拋光過程是一個化學/機械過程,集中了大量的顆粒。為了能對硅片進行檢查,需進行清洗以除去大部分的顆粒。通過這次清洗,硅片的清潔度仍不能滿足客戶的要求,但能對其進行檢查了。

    通常的清洗方法是在拋光后用RCA SC-1清洗液。有時用SC-1清洗時,同時還用磁超聲清洗能更為有效。另一方法是先用H2SO4/H2O2,再用HF清洗。相比之下,這種方法更能有效清除金屬沾污。

    檢查

    經過拋光、清洗之后,就可以進行檢查了。在檢查過程中,電阻率、翹曲度、總厚度超差和平整度等都要測試。所有這些測量參數都要用無接觸方法測試,因而拋光面才不會受到損傷。在這點上,硅片必須終滿足客戶的尺寸性能要求,否則就會被淘汰。

    金屬物去除清洗

    硅片檢查完后,就要進行終的清洗以清除剩余在硅片表面的所有顆粒。主要的沾污物是檢查前清洗后仍留在硅片表面的金屬離子。這些金屬離子來自于各不同的用到金屬與硅片接觸的加工過程,如切片、磨片。一些金屬離子甚至來自于前面幾個清洗過程中用到的化學試劑。因此,終的清洗主要是為了清除殘留在硅片表面的金屬離子。這樣做的原因是金屬離子能導致少數載流子壽命,從而會使器件性能降低。SC-1標準清洗液對清除金屬離子不是很有效。因此,要用不同的清洗液,如HCl,必須用到。

    擦片

    在用HCl清洗完硅片后,可能還會在表面吸附一些顆粒。一些制造商選擇PVA制的刷子來清除這些殘留顆粒。在擦洗過程中,純水或氨水(NH4OH)應流經硅片表面以帶走沾附的顆粒。用PVA擦片是清除顆粒的有效手段。

    激光檢查

    硅片的終清洗完成后,就需要檢查表面顆粒和表面缺陷。激光檢查儀能探測到表面的顆粒和缺陷。因為激光是短波中高強度的波源。激光在硅片表面反射。如果表面沒有任何問題,光打到硅片表面就會以相同角度反射。然而,如果光打到顆粒上或打到粗糙的平面上,光就不會以相同角度反射。反射的光會向各個方向傳播并能在不同角度被探測到。

    包裝/貨運

    盡管如此,可能還沒有考慮的非常周到,硅片的包裝是非常重要的。包裝的目的是為硅片提供一個無塵的環境,并使硅片在運輸時不受到任何損傷;包裝還可以防止硅片受潮。如果一片好的硅片被放置在一容器內,并讓它受到污染,它的污染程度會與在硅片加工過程中的任何階段一樣嚴重,甚至認為這是更嚴重的問題,因為在硅片生產過程中,隨著每一步驟的完成,硅片的價值也在不斷上升。理想的包裝是既能提供清潔的環境,又能控制保存和運輸時的小環境的整潔。典型的運輸用的容器是用聚丙烯、聚乙烯或一些其他塑料材料制成。這些塑料應不會釋放任何氣體并且是無塵的,如此硅片表面才不會被污染。后六個步驟如圖1.5所示。

    圖1.5  檢查前清洗、外觀檢查、金屬離子去除清洗、擦片、激光檢查和包裝/貨運示意圖

    硅片制備階段的問題

    在硅片的制造過程中,涉及到許多參數。而且這些參數中有許多會因終硅片目標不同而發生變化。對硅片來說,有一些參數始終是很重要的,如平整度、缺陷、沾污等。在下面的章節中將詳細討論。

    當硅片被不正確運行的刀片所切割時,就會造成彎曲的刀口。這些刀口都不會相同,這就使硅片有不同種類的平面缺陷。能以好的方式使硅片得到平整的表面是很重要的,因此應以盡可能平的面去切割硅片。

    有不同的測量方法來測試硅片的平整度。一些測量方法給出了圓形的或者說是整個硅片的平整度而另一些方法只顯示出局部的硅片平整度。整個的平整度對于設計樣品時是很重要的,?從另一方面說,局部的平整度對于?設計是很重要的,?一些整體平整度測試的術語是彎曲度(bow)、翹曲度(warp)、總厚度超差(TTV)、總指示讀數(TIR)和焦平面背離(FPD)。局部平整度測試的術語也與其一致。

    Bow

    硅片彎曲度是測量硅片彎曲程度,它是與硅片中心從一通過靠近硅片邊緣的三個基點建立的平面的背離程度。彎曲度測試是一種較老的測試手段,不經常使用。因為彎曲度測試只能測試與中心的背離,其他方法也就相應產生了。實際上,硅片的背離會發生在硅片的任一位置,而且能產生很多問題。在近的時間里,S型彎曲或翹曲的測試被真正采用。這種變形有比彎曲更復雜的形狀。

    Warp

    硅片形狀變形的另一測試方法是翹曲度的測試。翹曲度是測量硅片確定的幾個參考面的中心線位置的高點與低點之大差值。硅片的翹曲度起決于使用的一對無接觸掃描探針。硅片被放置在三個形成參考平面的支點上,這對探針中一支可以在硅片一側的任意位置,而另一支則在另一側的相應位置。探針按設定的程序,沿硅片表面移動,測量到硅片表面指定點的距離。一旦所有的距離都已測得,翹曲的程度也就知道了。測定翹曲度,第一步就是找到頂部探針與頂部硅片表面的距離(a)和相應底部探針與底部硅片表面的距離(b)。換句話說,就得到了b-a的所有測量點。有了這些數據,將b-a的大值減去b-a的小值,再除以2就是Warp值(如圖1.6所示)。

    圖1.6  翹曲度(Warp)和總厚度偏差(TTV)測量示意圖

    硅片的翹曲度與半導體制造有關,因為一片翹曲的硅片在光刻過程中可能會引起麻煩;還可能在一些加工過程中粘片時也有問題。小量的翹曲在一些加工過程中可以通過真空吸盤或夾具得到補償。

    TTV

    一種檢測硅片厚度一致性的方法,叫總厚度超差(TTV),就是指硅片厚度的大值與小值之差。測量TTV可在測量Warp時同時進行。Warp中類似的探針和數據處理方法可以為TTV所采用。實際上,不同的僅僅是計算公式。在計算TTV時,第一步是將頂部探針與頂部硅片表面的距離(a)和相應底部探針與底部硅片表面的距離(b)相加,這里,我們要的是相加(a+b),TTV就是將a+b的大值減去a+b的小值。

    TIR

    總指示讀數是一種只與硅片的正面有關的參數。測量方法是將與真空吸盤平行吸住的一面作為參考平面,TIR就是正面高處與凹處的差值。(見圖1.7)

    圖1.7  總指示讀數(TIR)和焦平面偏離(FPD)測量示意圖

    FPD

    焦平面偏離(FPD)是指硅片上距焦平面高處和深處到焦平面的距離中遠的一個。有時這個平面是參考硅片背面或是一個假想的平面。這一測量值表明了?

    迄今為止,所討論的所有平整度測試方法都是指整體測試。換句話說,所有的測試方法都是體現硅片整體的表面情況。這些方法中的大部分也可以測試局部狀況。差別僅在于測試時所覆蓋的區域是整體還是局部。通常,區域的選擇尺寸同典型的電路芯片相同。舉個例子,局部測試的硅片平整度稱為局部厚度超差(LTV),LTV幾乎與TTV相同,區別僅在于前者只對應硅片的小區域范圍。

    污染

    硅片表面的污染是一個主要關注的問題。硅片生產過程從相對較臟的切片開始到終進入一凈空房結束,硅片要暴露在大量的不同化學品和溶液中,而且硅片還要被放入許多不同的機器進行機械加工,所有這些接觸都會導致顆粒沾污。另兩個主要的污染是金屬和有機物。金屬因硅片經過許多機器加工,金屬與硅片表面直接接觸而被留在硅片表面;有機物則可能來自于任何物體上的油脂或油。在硅片終被發往客戶前,所有的污染都必須被清除。

    安全

    同其他制造環境一樣,在設備的每一位置,都有其特殊的安全要求。在半導體制造的硅片生產階段,許多安全問題非常類似于在一裝備完好設備商店,有高速度的刀片和所有手工滾磨設備。硅片生產中的許多過程是機械導向的,因此,這些有操作危險的過程必須有一定的安全程序。

    除了這些顯而易見的機械危險外,還有化學方面的危險。硅片的生產要用到許多危險的化學藥品,如在敞開式的硅片清洗中用到的HF和KOH。這些化學品的使用象水一樣頻繁,而且容易被灌輸一種錯誤的安全觀念。因此,當在進行與這些化學品相關的工作時,必須確定出所有正確的安全方針。

    其它還有涉及到各種不同輻射的安全問題。在切片區域,有X-ray源;激光掃描區域,有激光的輻射可能會引起潛在的火災,甚至使人失明。在這些區域,都應穿著適當的防護服,并應謹慎操作以防發生安全問題。

    術語表

    彎曲度(bow)

    硅片彎曲度是指硅片中心與一通過靠近硅片邊緣的三個基點建立的平面的背離程度。彎曲度是對整個硅片而言。

    10級(class10)

    通常指環境的清潔度時,10級是指每立方英尺空氣中0.5μm大小的顆粒不超過10個,而且更大的顆粒數更少。這是一個非常潔凈的環境。

    硅膠

    硅膠是一種懸浮的硅土顆粒,細小到無法分辨出各個顆粒,也無法從懸浮液中分離出來。

    微切傷

    微切傷是由刀片的顫動而引起的,它是刀片在行進過程中細微的背離,而在硅片上沿著切口留下的細小的脊狀損傷。

    外吸雜

    外吸雜是一種適用在硅片背面的吸雜方法。

    焦平面背離(FPD)

    焦平面背離的測試能說明離硅片正面上任何點的焦平面的遠距離。FPD能衡量整個硅片正表面。

    吸雜

    吸雜是一種誘使金屬雜質遠離硅片正面的方法。通常通過在晶體結構中造成高應力區域來實現。有兩種不同的吸雜方法:外吸雜和內吸雜。

    霧化

    霧化是硅片出現霧氣的一個條件??赡苡晒杵娜魏蔚恼次刍驌p傷而引起。

    平均載流子壽命?

    平均載流子壽命是指在硅體內多數載流子的平均復合時間。

    Piranha

    Piranha是一種清洗液,由硫酸(H2SO4)和雙氧水(H2O2)組成。之所以起這個名字是因為當上述兩種化學品混合時,溶液溫度會達到120℃左右并劇烈沸騰。

    總指示讀數(TIR)

    總指示讀數是硅片的正面上距設定參考面高處與凹處的距離。TIR能表明整個硅片正面的情況。

    總厚度超差(TTV)

    總厚度超差(TTV)是指硅片厚處與薄處的差值。TTV也是對整個硅片的測試。

    翹曲度(warp)

    翹曲度(warp)是指離硅片中心線高和低的差值,是整個硅片的測試。

    切片

    目的

    1、   當將晶棒加工成硅片時,能確定切片加工的特性;

    2、   描述切片時所用的碳板的作用;

    3、   知道內圓切片和線切割機的優點和缺點;

    4、   硅片進行標識的目的;

    5、   硅片邊緣?的原因;

    6、   描述硅片邊緣?的典型方法。

    簡介

    本章主要討論多種切片工藝和它們的特征,對硅片的激光掃描,及硅片的邊緣的contour。

    切片綜述

    當單晶硅棒送至硅片生產區域時,已經準備好進行切割了。晶棒已經過了頭尾切除、滾磨、參考面磨制的過程,直接粘上碳板,再與切塊粘接就能進行切片加工了。

    為了能切割下單個的硅片,晶棒必須以某種方式進行切割。在進行內圓切片的工場內,切片可能會引用許多標準。切片過程有一些要求:能按晶體的一特定的方向進行切割;切割面盡可能平整;引入硅片的損傷盡可能的少;材料的損失盡量少。為了滿足切片的這些要求,一些特殊的切片方法產生了。在下面章節中將討論幾種切片的特殊方法和相關的工藝。

    碳板

    當硅片從晶棒上切割下來時,需要有某樣東西能防止硅片松散地掉落下來。有代表性的是用碳板與晶棒通過環氧粘合在一起從而使硅片從晶棒上切割下來后,仍粘在碳板上。許多情況下,碳板經修正、打滑、磨平后,在材料準備區域進行粘接。

    碳板不是粘接板的唯一選擇,任何種類的粘接板和環氧結合劑都必須有以下幾個特性:能支持硅片,防止其在切片過程中掉落并能容易地從粘板和環氧上剝離;還能保護硅片不受污染。其它粘板材料還有陶瓷和環氧。

    圖2.1說明了碳板與晶棒的粘接。

    石墨是一種用來支撐硅片的堅硬材料,它被做成與晶棒粘接部位一致的形狀。大多數情況下,碳板應嚴格地沿著晶棒的參考面粘接,這樣碳板就能加工成矩形長條。當然,碳板也可以和晶棒的其它部位粘接,但同樣應與該部位形狀一致。碳板的形狀很重要,因為它要求能在碳板和晶棒間使用盡可能少的環氧和盡量短的距離。這個距離要求盡量短,因為環氧是一種相當軟的材料而碳板和晶棒是很硬的材料。當刀片從硬的材料切到軟的材料再到硬的材料,可能會引起硅片碎裂。

    碳板不僅在切片時為硅片提供支持,而且也在刀片切完硅片后行經提供了材料,保護了刀片。

    這里有一些選擇環氧類型參考:強度、移動性和污染程度。粘接碳板與晶棒的環氧應有足夠強的粘度,才能支持硅片直到整根晶棒切割完成。要找到這樣的環氧并非難事,但還要考慮到污染程度,因此,它必須能很容易地從硅片上移走,只有小量的污染。一般地,環氧能很容易在熱的乙酸溶液中溶解,或用其他的方法解決。所有這些方法,都應對硅片造成盡可能低的污染。

    刀片

    當從晶棒上切割下硅片時,期望切面平整、損傷小、沿特定方向切割并且損失的材料盡量小。任何的不能滿足這些低標準的切割方法都不能被采用。有一個速度快、安全可靠、經濟的切割方法是很值得的。

    當進行切片時,刀片所切下處或邊緣處的材料都會損失,因此,更希望是一種低損失量的切片方法。這種損失量稱為刀片損失。刀片損失是指材料損失的總量,因為這個損失是由于刀片在開槽時的移動而造成的。如果在切片過程中損失更少的量,那就意味著從同根晶棒上能切下更多的硅片,也就是降低了每一硅片的成本。

    在半導體企業,通常只有幾種切割方法被采用。兩種通常被應用的方法是環型切割和線切割。環型切割通常是指內圓切割,是將晶棒切割為硅片的廣泛采用的方法。

    內圓切割

    內圓切割正如它的名字一樣,切割的位置在刀片的表面。刀片是由不銹鋼制成的大而薄的圓環。刀片的內側邊緣鍍有帶鉆石顆粒的鎳層。這一鉆石-鎳的鍍層提供了用來切割晶棒的表面,(見圖2.2)。對于150mm的硅片,每刀用時3分鐘。

    內圓刀片的構成和厚度

    對一典型的內圓刀片,其中心部位由約0.005英寸的不銹鋼制成,鎳-鉆石涂層是不銹鋼刀片邊緣兩側約0.003英寸。內圓刀片的內側邊緣總厚度約為0.0125英寸。這樣,材料損失厚度略大于刀片的厚度,大概在0.013英寸左右。

    鎳-鉆石涂層的厚度是內圓刀片的一個重要參數。很明顯,這一厚度越小,刀片損失也就越少。但是,如果涂層太薄的話,刀片切下的路徑太窄,刀片可能會有更大潛在可能沖擊邊緣,如果刀片發生任何偏差而撞擊到邊緣,硅片就會受到損傷,在接下來的步驟中就需要去除更多的材料。因此,有一個適宜的鎳-鉆石涂層能得到低的材料損失。

    不管金屬的污染,不銹鋼因為它的特性而被作為內圓刀片普遍采用的核心材料。不銹鋼有高的延展性能允許刀片有很大的張力,這種強的張力能使刀片繃的很緊很直,從而在切割時能保持刀片平直。鋼的另一個有利之處就是它很耐用。這種經久的耐用性,能額外使用同一刀片而不需更換,從而使硅片的生產成本降低。這是很重要的因為更換一把刀片需耗時1.5小時左右。

    記住在切片時使用了不銹鋼也很重要,因為硅片會帶有大量的金屬離子。在硅片進行高溫熱處理之前,必須將金屬從表面清除。否則,任何高溫的過程都會使金屬離子擴散進硅片而不易清除了。

    內圓刀片

    用內圓刀片來切割晶棒的原因是它有低的刀片損失,內圓刀片在開始塑性變形后,被張緊在鼓上。?這已超出了不銹鋼的伸展點,為了能充分說明這個條件,要先介紹幾個術語。壓力是描述單位能承受的重量;張力是指改變后的長度與原始長度之比。通常用壓力-張力曲線來表示材料特性。如圖2.3所示,可以得到材料的伸展點和終延展強度。伸展點是指材料在這一點上停止了按施加在其身上力比例伸展。從所畫的圖上可以看出,壓力-張力曲線終成了線性關系。當壓力超過一定數值時,材料就開始快速伸展而增加的壓力很小。材料沒有完全失效所能承受的大壓力稱為終延展強度。在壓力-張力曲線上,它處在高點,這點以后,如果材料再承受任何一點壓力都會導致材料斷裂。

    圖2.3為內圓刀片張緊時的典型壓力-張力曲線。當刀片伸展至塑變區域后,就變得很剛直了。這就使不銹鋼刀片有一中心厚度約0.006英寸左右,要達到同樣的程度,外圓刀片的厚度是它的十倍多。厚度為0.0125英寸的內圓刀片,每切一刀,就損失一片硅片的50%厚度。如果刀片有其十倍厚,那么每切一刀,硅片的500%厚度都損失了。這就導致硅片的數量減少為原來的1/4(見圖2.4)。硅片數量的減少直接導致其成本的顯著上升。

    內圓刀片的切片運動類似于一種研磨形式。研磨劑(鉆石)混合在鎳金屬內,鉆石是非常硬的物質,能刮去任何其它物質的表面,還有兩種相近硬度的材料見莫氏硬度等級。

    莫氏硬度等級

    莫氏等級是在1800年代晚期,由Friedrich Mohs發展起來的。他的等級圖是根據一種材料切割其它材料而得出的。在這等級圖上,任何硬度高的材料都能切割硬度比它低的材料。這一等級圖范圍從撲面粉—軟的材料之一,到鉆石—硬的材料都包括在內了。圖2.5列出了十種元素/化合物按硬度順序排列的莫氏原始等級圖。硅與石英有相近的硬度。從圖上可看出,鉆石能切割硅。

    當鉆石涂覆在內圓刀片上切割晶棒時,它是在研磨硅材料。含鉆石的研磨層在硅體內不斷地研磨,造成硅的微觀斷裂而產生細微碎片。當刀片通過材料時,一些碎片也被帶出來了。這個不斷摩擦的過程,產生熱和許多顆粒。一種潤滑/冷卻溶液,通常如水或水容性潤滑劑,用來清除相切位置的顆粒。這種液體能控制硅沫并使溫度下降。

    內圓切片尺寸

    切割硅片需要的內圓刀片尺寸是很大的,如對于200mm硅片,刀片的外圓直徑約在32英寸左右。這么大的尺寸是為了使內徑足夠大,從而能將粘有碳板的晶棒都能通過。另外,刀片本身也必須能夠切割晶棒的任何位置而不會使晶棒碰到刀片外側的張緊圈。內徑也相對較大,因為有了大的洞,刀片才能變得更硬。

    對于相同尺寸的晶棒,有一個辦法能減小刀片的尺寸,就是在切割前將晶棒滾圓。這個安排有利之處在于內圓切片時,只要通過晶棒一半的路程,因此,不需要如此大的直徑。問題是,這種方法在切片時,要不引起硅片中心的?很困難。另一問題是它會導致碎裂并使硅片中心產生缺陷。隨著晶棒直徑的增大,內圓切片變得越來越不實用。

    切片損傷

    當切片機在切割晶棒時,會引起很多損傷。這些損傷來自于切片過程切磨的形式。這一過程會造成硅片產生許多細微破裂和裂紋,這種損傷層的平均厚度約為25-30μm。這樣的損傷存在于刀片與晶棒接觸的任何地方。因為切片接觸的是硅片的表面,所以硅片表面存在著許多這樣的損傷,這就意味著在接下來的過程中必須清除掉這些損傷,硅片才會有用。

    如果刀片有任何振動,損傷層就會更深,有時候甚至是平均厚度的2-3倍。為了防止損傷層的延伸擴展,必須小心仔細地操作,盡可能消除刀片振動。有些損傷如果很深的話,在磨片之后仍能在硅片上看到。

    刀片偏轉

    硅片彎曲和厚度偏差的主要根源在切片過程。影響硅片形狀的主要因素是切片過程中的刀片偏轉。如果刀片在切片時發生振動,那么很有可能在刀片所在一側的損傷層會比另一側更深。不同的是,因刀片振動引起的損傷稱為切片微分損傷。

    在切片過程中,刀片偏轉監測器能提供刀片偏轉的實時監測。刀片偏轉監測器的安裝盡可能接近于切片區域。這個位置一般接近刀片的內圓處,并接近刀片切入晶棒的入口或刀片退出時的出口(如圖2.6所示)。監測器是通過刀片處產生的旋渦來測試的。刀片偏轉監測器的輸出與反饋回路有關,當監測器探測到偏離時,這個回路能自動糾正路徑偏離。在這個系統中,有一力量能糾正刀片偏差。這個系統使硅片切片時,有更少的翹曲度。

    在內圓切片時,刀片偏離的主要原因是對于刀片的切片速率而言,刀片的進給太快了。一般內圓刀片的進給速度是5cm/min。另一原因可能是鉆石變臟了或者脫離了鎳的涂層。當刀片因為臟而開始出現偏差時,就應進行修刀了。

    修刀過程是使刀片的涂層暴露出新的、銳利的鉆石。修刀通常是將碳化硅或氧化鋁的研磨棒切片來完成。研磨棒能將鎳鉆涂層的外層磨去從而顯露出新的尖銳的鉆石。要檢查修刀是否成功,唯一的方法就是再進行硅棒的切割。盡管修刀能生產新的尖利的表面,但除非必須,否則不大進行,因為每一次修刀都會減少刀片的壽命并增加機器待工時間。

    問題

    在切片過程中,經常會發生一些問題:硅片晶向錯誤,過分的切片損傷,刀片偏離,刀片失靈和碎片。

    刀片失靈有幾種:刀片變形、鎳-鉆涂層崩潰、刀片斷裂。經常發生的問題是刀片變形。內圓刀片的變形可能因在張緊時的錯誤方式或在試圖快速通過晶棒時的刀片進給速度太快。其它刀片變形的發生可能因不銹鋼刀片承受的力太大造成刀片延展。刀片如果過度變形后,就不能保持筆直通過晶棒。這是因為刀片在切片時會發生抖動。刀片失靈造成的主要的問題是引起硅片斷裂和大量的表面損傷。

    碎片(刀片退出時)

    無論任何方式,當刀片切割某種材料即將完成時,刀片在材料底部時,可能會引起材料碎裂,這種現象稱為exit chip。碎片的發生是由于在切割的后階段,在材料的小區域中存在高的局部應力。當持續施加相同大小的壓力在越來越薄的材料上,材料就無法再承受這樣的壓力。這片材料就開始斷裂,材料的碎片就會松散。這些碎片尺寸相對較大,使硅片缺損,這樣的硅片就不能使用了。圖2.7列舉了碎片的發生。

    小限度(碎片)

    有兩種方法防止碎片的發生,一種方法是在后階段,減小刀片施加在硅片上的壓力。在后,可以通過降低刀片進給速率來減小壓力。另一個方法是在晶棒外側位置貼上幾片材料,使切割完成。外表面額外材料的增加提供載體有利于切片的完成。這樣就減少了硅片較薄邊緣的壓力,硅片也不會碎裂了。

    有一防止碎片的系統可供選擇,可以消除任何碎片的發生。就是使晶棒直徑生長的稍大一點,那么在切片時,即使發生碎片,滾磨去碎裂處,仍有足夠的材料。這種方法的應用使晶棒直徑大1.3mm左右。切片之后,多余的材料就會被磨去。有了足夠的材料,那么所有碎片的發生幾乎都能包含在內了。

    應指出的是,碎片大多發生在(100)晶向的硅片上,原因是(100)的硅片,切割垂直于(110)和其它(100)晶面。沿著(110)晶面切割很容易引起硅片碎裂。因此,在切割(100)向的硅片時,硅片有沿(110)晶面發生碎裂的趨向。

    在(111)向的硅片上,(111)面是與硅片的面相平行的。單晶硅的裂紋大多沿著(111)面。因此,任何裂紋的發生平行于切片方向而不會引起碎片。

    除了內圓切割外,還有線切割。盡管線切割已使用了幾個世紀,但被應用到半導體廠家僅僅在近20年內。它們初需要昂貴的投資,但因在切片損失上的減少能使其很快收回成本。

    線切割使用研磨砂漿來切割晶棒,砂漿貼附在接觸并進入晶棒的鋼線上,鋼線會產生壓力壓迫研磨劑與晶棒接觸,這樣在砂漿和晶棒間的壓力接觸使材料被磨去。

    線切割的基本結構很簡單,一根小直徑的鋼線繞在幾個導輪上使鋼線形成梯形的形狀。導輪上有凹槽能確保鋼線以一定距離分隔開。一根連續的鋼線集中繞導輪的一個個凹槽上,形成許多相同間隔的切割表面。線之間的空間決定了想要的硅片厚度。鋼線的移動由線軸控制,因為整個系統只有一根鋼線。線的兩端分別繞在線軸上,晶棒慢慢向上(或向下)移動,穿過鋼線,鋼線能從晶棒上同時切割下許多硅片。圖2.8是線切割的簡單示意圖。如150mm硅片,整根晶棒的切割完成只需約5-8小時。

    典型的線切割機使用的鋼線直徑約在0.006英寸。這么小的尺寸所造成的切片損失只有0.008英寸。單根線通常有100km長,繞在兩個線軸上。如此長的鋼線的應用使線的單個區域每次都不會與砂漿及晶棒接觸很長時間。這種與砂漿接觸時間的減少有利于延長鋼線的壽命。而且,長的鋼線意味著在一個方向上的進給能維持相當長的時間而不需要轉換方向通過反向的繞線回來。

    在一些系統中,鋼線的進給在這次是一個方向,然后方向可翻轉,然后再翻轉。?舉例來說,鋼線向前走了約30秒,然后反向走25秒,然后再向前,如此反復。這樣就使鋼線通過系統的時間延長,或者剛在一個方向經過系統,反過來又要經過了。

    典型的鋼線進給速度在10m/s(22mph),即一根100km長的鋼線經過一個方向需10,000秒或約2.75小時。其中一個線導輪由馬達驅動,控制整個鋼線系統。

    鋼線必須保持一定的張力能壓迫砂漿中的磨砂研磨晶棒,并防止導輪上的鋼線進給錯誤。這都由一個線張緊裝置來自己控制并調整系統。這個系統保持鋼線在一定張力下,并控制鋼線的進給速度。

    線切割機的鋼線與晶棒接觸,而砂漿沉積在鋼線上。砂漿由碳化硅與油混合而成,或其他一些類似的堅硬材料與液體的混合物。通過鋼線的帶動,砂漿會對晶棒緩慢研磨,帶走晶棒表面少許材料,形成凹槽。鋼線的不斷移動將凹槽中的材料不斷帶走,在鋼線完全通過晶棒后,砂漿仍隨鋼線移動。

    隨著硅片直徑的增加,線切割機在硅片切割中將扮演更主要的角色。當硅片達到300mm或更大時,內圓刀片的直徑也必須增大,而且刀片的厚度必須增加才能充分維持其剛直性,這樣就會造成更多的刀片損失。另一方面,線切割機對于更大直徑的硅片,不需要改變線的粗細。因此,線切割的切片損失仍保持不變,同一根晶棒就能得到比內圓切片更多的硅片。

    線切割的問題

    對于線切割,有兩種主要的失效模式:鋼線張力的錯誤改變和鋼線斷裂。如果鋼線的張力錯誤,線切割機就不能有效進行切割了。鋼線有任何一點的松動,都會使其在對晶棒進行切割時發生搖擺,引起切割損失,并對硅片造成損傷。低的張力還會發生另一問題,會使鋼線導輪發生錯誤進給。這一錯誤可能造成對晶棒的錯誤切割或者使鋼線斷裂。在切割過程中,鋼線可能會從一個凹槽跳到另一個凹槽中,使硅片切割進行到一半。鋼線也可能因張力太大,達到它所能承受的極限,導致鋼線斷裂。如果鋼線斷裂,可能對硅片造成損傷,并使切割過程停止。斷裂的鋼線還可能造成眾多硅片的斷裂。

    其它切割方式

    近幾年來,還有許多切割工藝被建議用在硅片切割上。如線性電氣加工EDM,配置研磨線,電氣化學,和電氣-光化學。比起現在的切割工藝,所有的這些方法都有其潛在的優勢,然而,比起已解決的問題,它們仍存在更多的問題而不能被商業上應用??赡艿姆椒ㄊ荅DM,又稱火花腐蝕加工,它有非常低的切片損失。

    晶向

    當進行切片時,必須按客戶要求沿一個方向切割。所有的客戶都希望硅片有一特定的晶向,無論是在一單晶平面還是如果特定的,與平面有特定數值的方向。在這樣的情況下,就要盡可能使硅片的切割接近這一方向。一個與正確方向的小小偏離都會影響到以后器件的構成。一些制作過程要依靠晶向蝕刻,其它則需要基層的晶向準確。硅片晶向發生任何問題都會引起器件制造問題。因此,必須在切片開始時就檢查硅片晶向的正確性。

    當晶棒粘在切片機上時,以參考面為基礎,將晶棒排好。然而,也不能保證切出來的硅片晶向正確,除非先切兩片硅片,用X-ray機檢查晶向是否正確。如圖2.9所示,這個過程類似于單晶生長模式中的描述,除了衍射是針對硅片表面而不是邊緣。如果硅片的晶向錯誤,那么就要調整切片機上晶棒的位置。切片機有調整晶向的功能。在正確的晶向定好之后,硅片的切割就可以進行下去了。

    碳板清除

    切片完成之后,粘在硅片上的碳板需要清除。使硅片與碳板粘合在一起的環氧劑能被輕易地清除。例如,一些環氧能通過乙酸、水或加熱來去除。操作時應小心,使硅片邊緣不會碎裂,并且保持硅片仍在同一順序。

    硅片的原始順序必須被保持直至激光刻字。這樣就能保證知道硅片在原晶棒中的位置。硅片的正確順序是很重要的,因為隨著單晶硅晶棒上的位置點的改變,硅的特性會改變。來自于晶棒底部的硅片與來自頂部的硅片相比,有不同的電阻率、摻雜劑濃度和氧含量。因此硅片的特性也就不同,確定硅片在晶棒中的位置是很必要的。

    碳板從硅片上移走之后,硅片就能清洗了。因為這時候,經過了切片加工,正如所知道的,切片是很臟的過程,硅片上有大量有害物、環氧劑殘留。殘留在硅片上的物質、環氧劑相對較難清除,因此,應經過一個?清洗工藝。

    激光刻字

    經切片及清洗之后,硅片需用激光刻上標識。這一標識能提供硅片多方面的信息,并能追溯硅片的來源。硅片以從晶棒上切割下的相同順序進行刻字,以保持硅片的順序。標識主要用來識別硅片的,以保證每一硅片的所有過程的信息都能被保持并作為參考。如果硅片中發現一問題,知道硅片經過了哪些過程,在晶棒的哪一位置是很重要的。如果所有這些信息都能知道,問題的來源就能被隔離,在更多的硅片經過相同次序而發生同一問題前就能被糾正。所以,在硅片表面的標識是很必要的,至少至拋光結束。

    激光標識一般刻在硅片正面的邊緣處,用激光蒸發硅而形成標識。?標識可以是希臘字母或條形碼。條形碼有一好處,因為機器能快速而方便地讀取它,但不幸的是,人們很難讀出。

    因為激光標識在硅片的正面,它們可能會在硅片生產過程中被擦去,除非刻的足夠深。但如果刻的太深,很可能在后面的過程中受到沾污。因此,保持標識有小的深度但能通過后的過程是很值得的。一般激光刻字的深度在175μm左右。這樣深度的標刻稱為硬刻字;標識很淺并容易清除的稱為軟刻字。

    通常在激光刻字區域做的是另一任務是根據硅片的物理性能進行分類,通常以厚度進行分類。將與標準不一致的硅片從中分離出來。不符合標準的原因通常有崩邊、破損、翹曲度太大或厚度超差太大。

    邊緣倒角

    經過標識和分類后,進行邊緣倒角使硅片邊緣有圓滑的輪廓。這樣操作的主要目的是消除切片過程中在硅片邊緣尖利處的應力。邊緣倒角另外的好處是能清除切片過程中一些淺小的碎片。

    邊緣倒角形態

    硅片邊緣的形狀由磨輪形狀決定。?因此,倒角磨輪有一個子彈頭式的研磨凹槽。(見圖2.10)

    硅片邊緣的輪廓首先是由真空吸頭將硅片吸住后旋轉而完成的。硅片緩慢旋轉,磨輪則以高速旋轉并以一定力量壓在硅片邊緣。通過倒角磨輪沿著硅片邊緣形狀移動這樣的系統來保持磨輪與硅片邊緣的接觸。這使得參考面也能通過磨輪進行倒角(見圖2.11)。在硅片旋轉幾次之后,硅片邊緣就能得到磨輪凹槽的形狀了。

    既然硅片的參考面也同時倒角,就有一些問題發生。一個問題是當參考面進行倒角時,可能會被磨去一點。因為參考面是在某些過程中用來進行硅片對齊,這個參考需要被保持。當前大多邊緣倒角設備是凸輪驅動并有特定的路徑,來替代硅片的?,這樣,整個硅片邊緣倒角時就不會發生任何問題了。

    倒角磨輪

    倒角磨輪是用來進行邊緣倒角的一個金屬圓盤,直徑約為2-4英寸左右。磨輪約0.25英寸厚,有一子彈頭式凹槽在圓盤邊緣。磨輪的研磨表面是一層鎳-鉆涂層。

    為了檢查并保證倒角形狀的正確,硅片邊緣輪廓可以從高放大倍率的投影儀上看到。當從屏幕上查看倒角輪廓時,需啟用一控制模板,重疊在硅片圖象上。模板的放置使它與硅片圖象相同比例。模板的放置顯示了一個允許的區域,硅片必須與其一致。圖2.12顯示了硅片邊緣輪廓與控制模板的雙重圖象。

    倒角原因

    硅片邊緣進行倒角有幾個原因。一個普遍的因素是,與所有的改進一樣,這樣的邊緣能使硅片生產和器件制造階段都有更高的產率。在接下來的章節中,將討論碎片和斷裂的減少、邊緣皇冠頂附生的消除、?

    崩邊和斷裂

    當進行硅片邊緣倒角時,硅片邊緣高應力點被清除。硅片邊緣應力的下降使硅片有更高的機械強度。這有利于在處理硅片時對崩邊有更強的抵抗力。已經證明在進行硅片處理時,經過倒角的硅片與未經過倒角的硅片相比,順利通過流程而沒有崩邊的要多的多。而且,在有襯墊或圓盤在硅片表面移動的步驟中,如磨片和拋光時,沒有經過倒角的,有尖利、粗糙邊緣的硅片因對其邊緣的撞擊會造成崩邊。而對于已倒角的硅片,即使有撞擊等,也不會引起崩邊。

    外延邊緣皇冠頂

    當在硅片上生長外延時,外延層會在有微粒突出和高應力區域生長的更快些。因為在未進行倒角之前,這兩種情況存在于硅片邊緣,外延層就會趨向于在邊緣生長的更快。這就導致在硅片邊緣有小的隆起(見圖2.13)。這個隆起稱為外延邊緣皇冠頂并且會在以后的器件制作過程引起一些問題。如果硅片的邊緣已經倒角,就不會再有高應力點或微粒突起在邊緣使外延層得以生長,這就有利于防止外延邊緣皇冠頂的形成。然而,即使是這樣仍然會在邊緣有很小的生長,只是不會在硅片正面的外延層上形成皇冠頂,因為邊緣是錐形的。

    圖2.13未倒角邊緣的皇冠頂和倒角后的邊緣外延生長對比

    邊緣光刻膠小珠子

    當光刻膠應用到硅片時,是應用在旋轉的硅片上,?在硅片上的涂抗蝕劑后,旋轉速度會上升,這樣使得在硅片上的抗蝕劑甩出,形成均勻一致的薄膜。問題是由于光刻膠表面的張力作用會在硅片尖利的邊緣形成小珠。如果硅片沒有進行倒角,小珠子就會粘在硅片表面;如果已經倒角了,小珠子就不會在硅片表面形成。在以前,邊緣小珠子在接觸印刷時是一個問題,但現在的工藝已使其不再成為麻煩。另外,防止硅片邊緣產生這樣的小珠子有利于得到更好的流動性能,因此,它仍是極重要的。

    現對硅片生產過程中的切片、激光刻字和邊緣倒角部分提出幾個關聯的安全問題。切片區域涉及到幾個不同類的問題:有可能被暴露的刀片割傷;如果刀片失靈或者以某種方式彈出一些粒子,可能會傷害到眼睛。在硅片晶向檢查時,要用到x-ray,因為有射線的,特別是大部分的射線會降低操作者的機能再生能力。在激光刻字區域,當設備運行時,激光的射線有可能射入眼睛。而在倒角區域,有可能被機器夾痛。

    術語表

    切片微損傷

    切片微損傷(切片痕跡)是由刀片的振動引起的。在切片過程中,由于刀片的小小振動產生了這樣的損傷,在沿著切口的方向留下小的脊狀痕跡。

    切片損失

    切片損失是在切片過程中,因刀片會切去的材料損失的總量。

    張力

    張力是用來描述一種材料在負載下的伸展能力。從算術定義來講,就是與原始長度相比,在長度上的變化程度。

    應力

    應力是指材料單位面積承受的力量。

    swarf

    切屑是指在切片開槽時,削去的材料??梢哉J為是切片垃圾。

    抗張強度

    抗張強度是指材料在未完全失效情況下,所能承受的大壓力。

    yield point

    ?指材料在沒有永久變形情況下,能承受的大壓力。

    磨片、熱處理和相關工藝

    目的:

    通過本章的學習,能夠:

    1、  能描述磨片的意義;

    2、  能描述雙面行星式磨片機;

    3、  知道兩種類型的腐蝕,比較它們的優缺點;

    4、  了解硅片的三種外吸雜工藝;

    5、  了解內吸雜的三個熱處理步驟;

    6、  描述熱處理對抵抗穩定所起的作用;

    7、  了解進行背封的原因并列出兩種背封工藝過程。

    經切片、標識和倒角后,就應準備拋光了。在硅片能進行拋光前,還需經過幾個處理過程。首先,切片損傷必須被清楚,磨片能達到這一目的。接下來,硅片需要腐蝕,以去除磨片造成的損傷。吸雜工藝能抵消金屬雜質的影響。硅片邊緣的拋光能去除留在硅片邊緣的腐蝕坑。然后進行硅片清洗和熱處理,再退火以使抵抗穩定。背封工藝能隨意采用,通過沉積在重摻雜硅片的背面以防止摻雜劑通常是硼在后面的熱處理過程中的逸出。經過上述步驟之后,硅片就能進行拋光了。這里的每一步都將的下面進行討論。

    磨片

    磨片是使用研磨砂來清除硅片表面的材料和前一步驟留下的損傷。在磨片過程中,在雙面行星運動中硅片兩面會被同時研磨,一定量的材料將被從兩面磨去。在雙面行星運動中,硅片繞著中心齒輪進行旋轉,同時又在自我旋轉。這樣就使硅片能被均勻一致地研磨,因為硅片在不停地旋轉。這個機械研磨過程磨去硅片的兩面的材料。

    目的

    磨片的主要目的是將硅片的切片微損傷去除。切片微損傷是對單晶的損傷,來自于切片過程。這種損傷在硅片兩面都有,因為硅片的兩面都經過了切割。損傷的平均深度大約為25-30μm,但有些損傷可能是它的2-3倍深。任何工藝要去除這些損傷就至少要去除這樣厚度的材料。一般,在硅片的兩面都要磨去這些材料的量。大部分的磨片過程,在硅片兩面磨去的量是相等的,在有些情況下,可能一側的量要多于另一側,通常是正面。

    這個過程要清除切片損傷就需去除表面損傷部分的單晶,而且要盡可能地不引起另外的損傷。磨片的應用是因為它能磨去應去除的材料并留下小量的損傷。由于磨片過程總會留下損傷,就還需要另外的工藝。

    雙面行星式磨片

    雙面行星磨片機有五個主要組成:大的鑄鐵磨盤、載體、研磨砂、磨液供應系統和厚度測試系統。這些組成構成設備工作來清除在切片過程中造成的硅片兩面的損傷。雙面行星磨片的應用使硅片的兩面能同時進行磨片。磨片機有齒輪式鋼載體約比硅片厚0.005英寸。載體是圓形敞開式,比硅片的直徑略大。硅片放置在這些載體的洞里,并放在底部磨盤上。載體上的齒輪和磨盤中心的齒輪配對,并且繞在磨片機的外側的鏈條行進。無論是中心齒輪還是外部的齒輪都能旋轉,為載體的旋轉提供了寬闊的范圍.

    磨盤的組成

    磨盤一般由鑄鐵制成,但也可能是塑料制的。不考慮金屬的沾污,使用鑄鐵可以耐用而且其機械特性能適合磨片。鑄鐵的硬度使研磨顆粒不會嵌入到盤中,如果顆粒嵌入到磨盤中,就會刮傷硅片表面。這些刮傷在后面的工序中很難去除,鑄鐵的磨盤也不能太硬,如果磨盤太硬,它會壓迫研磨顆粒進入硅片,使硅片增加額外的損傷。鑄鐵材料應有一合適的硬度來制作磨盤使顆粒能均勻地對硅片進行研磨。這個過程總會在表面留下損傷,但這種損傷很均衡,且在后面的過程中也容易去除。

    磨片過程對硅片的終平整度有很大的影響,因此,磨盤必須很平整。為了保持硅片和磨盤的平整度,磨盤和載體的轉速需要很好地控制。另外,隨著磨片機其它各部件的運轉,轉速反過來又有利于磨盤平整度的維護。

    磨盤表面和磨液供應

    磨盤是帶齒輪的,齒輪有利于磨液的均勻分配,防止磨盤被淹沒,并保持硅片緊貼表面。齒輪還能使磨液在硅片表面流動并均勻分配。如果磨盤上沒有齒輪,磨液可能會流到磨盤上,如果磨盤與硅片間有太多的磨液,磨盤會浮在硅片表面的液體上。如果磨盤浮的里表面太遠,就不能研磨表面,也就不能將硅片表面的損傷去除掉。如果在磨盤與硅片間的磨液太少,磨盤就會在硅片表面引起新的損傷。所以,齒輪演繹這樣一個功能,即控制磨盤與硅片表面間的磨液量,并且上磨盤的齒輪能將下磨盤鎖住。這樣防止在磨盤終分開時,硅片粘在上磨盤上。

    磨盤旋轉計數器

    上下磨盤按相反方向旋轉,磨盤的旋轉帶動硅片兩側以同樣的速度旋轉。這有兩個目的,首先,既然硅片的兩側都以相同速度進行磨片,那么兩側都有相同的材料去除率。第二,硅片兩側有相同的轉速相反的方向使硅片能固定位置。所以沒有大的壓力向一個方向移動硅片或另一個方向。硅片幾乎不會因邊緣的壓力造成斷裂。

    上磨盤還有另外幾個功能,首先是它有一些洞使磨液能流入磨片機。磨液從上磨盤流入,然后流入到機內。另一個功能是上磨盤提供壓力給硅片,上磨盤通過氣壓下降壓下,在磨片的第一個循環中,壓力比較小,使硅片上高起的點先被磨去,使磨液均勻分配在機內。然后,壓力逐步上升到正常操作的壓力。

    硅片的終厚度應被控制,否則會不符合硅片要求的特性。因為誤差容許量在微米極,所以機械的控制需相當精確。有幾種控制硅片終厚度的方法,如控制磨片時間,有一壓電裝置同硅片一起研磨,或者旋渦電流測試。

    硅片厚度

    如果決定磨片的終厚度通過磨片時間來控制,那么應先得到設備預期執行時間。使用這種方法,是基于以往的磨去率,計算要磨去正確材料量所需時間,然后,允許磨片機開始按這一時間進行磨片。用這種方法,要得到正確的硅片厚度很困難。這是因為每一輪的磨片條件并不相同,所以,為了更精確地控制磨片厚度,希望在磨片機上裝一個厚度測試系統。

    一種能在磨片時測試硅片厚度的方法是通過使用一壓電材料與硅片同時研磨。因為壓電材料的磨去率與硅片的相同,電訊號的頻率就會發生變化。當頻率對應到設定的厚度時,機器就會停止,必須指出的是,每次磨完以后,必須將壓電帶放回原處,這樣才會反映出硅片的厚度。

    另一種方法是使用旋渦電流傳感器,磨盤之間的距離能通過位于上磨盤上的傳感器測量到。這種傳感器依據上下磨盤間的間隙距離發出信號。所以,要決定硅片的厚度,研磨砂的厚度和磨盤的磨損量必須也考慮到。

    硅片表面的去除

    使用一種含研磨砂的懸浮液組成的磨液來研磨硅片表面。典型的研磨砂是由9μm大小的經煅燒的氧化鋁顆粒組成。這種顆粒懸浮在水和添加劑的混合液中,添加劑一般為丙三醇(甘油)?;旌弦河欣诒3盅心ド暗膽腋〔⒕鶆蛏⒉?。

    懸浮液中的研磨砂壓迫硅片表面并使其磨損,去除硅片表面的物質,這樣能將表層的切片損傷清除掉。整個過程會磨去75-100μm的表層。在終磨片結束時,硅片的平整度是平整的,以后的步驟都會使其平整程度下降。

    磨片之后,硅片表面殘留有許多磨片過程中產生的硅的顆粒,這種顆粒尺寸很小,并會引起一些問題。如果要烘干硅片,顆粒會粘在硅片表面,而一旦這樣粘住,就很難再去除掉。所以,硅片必須保持濕潤,直至表面顆粒被清除。

    硅片研磨—可選擇的過程

    磨片的一個可選擇的過程是硅片研磨。在這個過程中,硅片用一旋轉的真空吸頭固定住,一個鉆石磨輪會經過硅片。會周期性更換有更小尺寸磨砂的磨輪,這樣在研磨的一開始,能快速去除大量含損傷的表層材料,同時磨砂也會造成相對多的損傷,但不會象原始的那樣多。然后,磨砂尺寸減小,研磨率也降低,幾乎不會引起表面損傷。

    然而,這種方法有幾個不利之處,第一個問題是既然硅片被真空吸住在一定位置,那么一次只能研磨硅片的一側;另外的缺點是磨輪在移動,沒有方法防止磨去小量不該磨去的平面,這樣,很難使硅片在設定誤差范圍內。

    這里有研磨的另一種方法,能更好地符合硅片的平整度和厚度要求。取代用磨輪移動經過硅片表面,使磨輪始終蓋住硅片中心,這樣使整個旋轉的硅片表面都與磨輪接觸而不需要移動磨輪位置。然而,這也有一些問題如這種方法的一致性,以及它的產出率很低。

    應力釋放腐蝕

    硅片磨片之后,仍有一薄層損傷層。因為磨片只是用來磨去大多數的切片損傷,總會留下一層薄薄的均勻一致的損傷層,還需通過其它方法來清除磨片帶來的損傷。通常通過化學腐蝕硅片表面的方法來清除這種損傷。腐蝕的方法有兩種:堿腐蝕和酸腐蝕。這兩種方法都在使用,而且都有各自的優缺點。

    當硅片進行腐蝕時,需要有一清潔的表面。如果硅片表面有沾污,會潛在地充當了腐蝕的面具。當進行酸腐蝕時,酸先與表面的顆粒接觸,將其慢慢腐蝕去除,因此就象一張面具影響了酸與硅快速接觸。這就會使該區域與硅片表面其它區域腐蝕程度不一致。所以,硅片在腐蝕前必須進行清洗。典型的清洗方法是將硅片放在Teflon的片盒中,浸入含H2SO4和雙氧水的溶液中,這會清除硅片表面的有機物;然后將硅片浸到氫氟酸中,HF會清除表面任何的硅末;在硅片進行清洗后,就可以進行腐蝕了,而且會腐蝕得均勻一致。

    堿腐蝕

    硅片腐蝕的一種方法是使用堿性氫氧化物如氫氧化鉀(KOH)。用這種方法,硅片浸在45%的KOH和55%純水的溶液中大約2分鐘,通常在高溫(約100℃)KOH溶液中。然后,再將硅片浸入純水以阻斷KOH與硅片表面之間的繼續反應。

    KOH與硅片的基本反應如下:

    Si + 2H2O + 2KOH → 2H2 + Si(OH)2(O)2 +2K+

    KOH的熱溶液從其既定的方向侵蝕硅片,以平行于(100)平面方向速度快,平行于(111)平面的方向慢。因為大量的硅片在生產過程中是平行于(100)面的,所以用KOH腐蝕很適合硅片。當KOH緩慢侵入材料時,它正快速腐蝕與(100)平行的平面,使硅片表面物質快速被清除。這樣的操作使硅片表面腐蝕后,仍平行于(100)面。所以,整個硅片參考面不會受堿的影響,反應是一個相對自限制過程。

    自限制過程

    這個過程稱為相當自限制過程是因為KOH能到達的硅片任何損傷區域會快速腐蝕,然后當達到無損傷表面時,反應幾乎停止。請看KOH相關的反應速率與時間的比(圖3.3)。當KOH與硅片接觸時間更長時,反應速率幾乎趨向于零。所以,KOH腐蝕只會清除硅片表面的損傷及小量的剩余表面層,除非KOH與硅片接觸時間極其的長。由于這個原因,KOH更適合腐蝕(100)向的硅片。

    硅腐蝕坑

    當硅片表面有損傷時,損傷區域不再是完整的晶體結構。KOH能快速腐蝕損傷層,直到達到一無損傷平面,這個反應會在硅片表面形成一個小的腐蝕坑。然后,腐蝕會沿平行于(100)平面方向快速反應,這些腐蝕坑開始向旁邊擴展。KOH只會腐蝕暴露在蝕刻劑下,有晶格損傷的區域,掩埋在里面的損傷不會被侵蝕到。這就使KOH只適合于表面損傷。

    考慮(100)平面,腐蝕坑的坑壁形成角度接近于54.7°,坑的平均深度為10-15μm。因為腐蝕劑對暴露的損傷區域侵蝕速度快,所以有很多損傷的區域形成的腐蝕坑深。這些腐蝕坑是一個問題,因為它們太深以致在后面拋光時無法去除。這些腐蝕坑還會因為顆粒陷入而使硅片表面無法清潔。

    因為硅片邊緣進行過倒角,存在許多損傷。KOH很快侵蝕這些區域,隨著倒角邊緣的連接,導致許多不同形狀的腐蝕坑的出現。硅片的邊緣腐蝕坑會給生產環境帶來問題,因為它們會使顆粒陷入進邊緣。一些邊緣區域可能在腐蝕坑間突出,這些突出可能引起麻煩,因為它們可能會斷裂產生小顆?;蛘吣p片盒產生顆粒。

    酸腐蝕

    腐蝕的另一個方法是酸腐蝕。用于酸腐蝕的一般混合物是HNO3和HF。有時,還使用另外的化學品,如乙酸或碘,添加到混合物中使反應更能控制。在任何情況下,酸腐蝕是一個強烈的過程,而不會在某個平面存在自限制過程。酸浴的局部腐蝕速率會因局部化學品的損耗而變化。因為硅片的周圍都在競爭酸液,硅片中心有腐蝕劑不充足的趨向,這會使供給硅片中心的酸液損耗,反應稍微降低。另一方面,靠近硅片邊緣處,沒有如此多的硅來競爭酸液,因此有充足的酸液提供,這就使反應速率在硅片邊緣處達到一較高速率。這種在腐蝕速率上的差異會引起硅片象“枕頭”,換句話說,硅片中心厚度略厚于邊緣。

    圖3.3顯示了典型的酸腐蝕和堿腐蝕的腐蝕速率的相互比較??梢钥闯?,只要兩者接觸,酸腐蝕就一直維持在較高速率。所以,酸腐蝕必須被監視并非常精確控制在合適的硅片完成之時。另一方面,當堿液與硅片表面一直接觸時,堿腐蝕速率會顯著下降,這就使堿腐蝕在這類腐蝕中有優越的特性。堿腐蝕一開始的速率是由于硅片表面大量的損傷引起的。

    酸腐蝕(HNO3和HF)的基礎反應如下:

    Si(s) + 4HNO3(l) → SiO2(s) + 4NO2(g) + 2H2O(l)

    SiO2(s) + 6HF(l) → H2SiF6(aq) + 2H2O(l)

    這個反應的一個產物是NO2,是一種氣體,所以,必須采取預防措施控制它的釋放。為了滿足環境法律,NO2通常會用化學淋洗來消除它的釋放。

    兩種腐蝕方法都有各自的優缺點,每種方法都有一些公司企業在運用。腐蝕劑的選擇主要依賴于終硅片需要的特性。表3.1列出了堿腐蝕和酸腐蝕的優缺點。

    堿腐蝕                             酸腐蝕

    優先腐蝕                           沒有優先腐蝕

    表面有腐蝕坑                       無腐蝕坑

    同一批腐蝕速率不變(化學量固定)   變化的腐蝕速率

    自限制,易于控制                   非自限制,難控制

    有一平整表面                       會引起“枕頭”形

    不會對環境釋放有害氣體             會釋放有害氣體,必須凈化

    表3.1 堿腐蝕與酸腐蝕的比較

    吸雜

    簡介

    吸雜是一個將雜質和一些會延伸的點缺陷從硅片的器件制作區域移走的過程。重要功能的是移走金屬雜質,如金、銅、鎳、鐵等等來自硅片正表面—器件制作區域。金屬雜質會降低影響器件性能的少數載流子的壽命。如果陷入,金屬原子還會形成缺陷中心,使器件性能等級下降。所以,吸雜在半導體工藝中是一個重要的過程。

    吸雜的起源在真空管時代,小量的鈦被引入到真空管將其剩余的氧吸走,形成二氧化鈦(TiO2)。

    吸雜可廣義地分為兩類:

    1、  外吸雜

    2、  內吸雜

    兩種吸雜類型被用來移走硅片器件區域的金屬殘留物。隨著硅片厚度的上升,低溫制作器件過程和更短時間限制,內吸雜變得更為重要。

    外吸雜

    外吸雜是通過從外界導入一有效方法來完成??梢杂胁煌侄?,如:

    a.  背損傷

    b.  背面薄膜淀積(主要為多晶硅)

    c.  背面重磷擴散

    背損傷

    對硅片背面進行損傷使之產生缺陷,如晶格位錯和重金屬雜質陷落到這些高應力缺陷位置。如果背損傷的硅片經高溫處理,大量的可移動的金屬離子會在各個方向移動,終在背面誘陷。位錯也會吸引硅晶格中的點缺陷,點缺陷在單晶拉制時發生,在高溫(>1000℃)下移動。當他們到達位錯位置,就會被固定不動。這個過程的缺點是如果硅片在高溫下經很長時間,一些損傷可能會退火,使金屬重又進入硅片。

    背面可以有多種損傷方法,這些機械手段如噴砂,適當功率的激光照射及使用滾刷或鐵筆摩擦背面。圖3.4是用滾刷和鐵筆進行背損傷的示意圖。

    圖3.4背損傷 (a)鐵筆 (b)滾刷

    通過機械手段進行背損傷的評定參數是導入損傷量。再制這樣的損傷是很困難的。一種測量損傷量的工藝是使用反射體來測量著色表面的反射率。這類的損傷應在隔離區域進行,因為該過程會產生很多臟的顆粒。

    激光背損傷是一個更能控制和清潔的過程。然而,這是一個很慢的過程,因為激光束要掃描硅片表面以達到一個很好的覆蓋。激光的照射會融化硅片表面,熔融物會流入硅片,當它再結晶時,熱應力會因位錯的產生而釋放。如果這些位錯是熱穩定的,在以后的高溫處理過程中如氧化,它們會作為金屬雜質沉積下來。無論位錯是熱穩定與否,都依賴于激光損傷的深度,與激光功率有直接關系。據觀測,要能成功吸雜,激光功率需在15J?cm-2或更大些。

    背損傷的另一方法是離子灌輸。當離子刺入硅片表面時,會將損傷引入格點。這種晶格損傷會作為金屬離子的吸雜點。

    薄膜沉積

    多晶硅或氮化硅(Si3N4)的薄膜淀積在硅片背面能移動金屬離子。淀積后,硅片在高溫下退火,當金屬離子移動到淀積薄膜的邊緣時,會被誘陷,這樣就能阻止其回到硅片正面。該工藝在外延沉積后也被用來硅片吸雜。

    背面n型重摻

    硅片的背面n型重摻也可作為吸雜陷阱。在一些器件制作過程中,大部分會使用這一方法,因此,任何其它的吸雜步驟都不需要了。例如,制作npn晶體管的發射極擴散時,未被保護的背面會自動重摻。同樣,在n型溝道MOS器件的源擴散時也是如此。

    內吸雜

    內吸雜是由在熱處理過程中氧原子影響形成的位錯環產生。氧原子需有小濃度,才能產生吸雜。其濃度約為1×1018atoms?cm-3。通過CZ法拉制出的硅單晶至少有這個氧含量。然而,用FZ拉制的硅單晶一般小于此濃度,在這種情況下,就不能提供內吸雜。

    當晶棒從硅熔融物中CZ法拉制時,會有大量的氧從融化物中釋放出來。在這個過程晶棒的溫度下,氧仍在飽和狀態。但當晶棒冷卻到室溫時,氧會過度飽和,大部分的氧會占據空隙位置,并且不再活動。

    步驟

    通過氧來吸雜有三個步驟。第一步是將硅加熱到1100℃,使得在接近硅片表面形成一氧的耗盡層,稱為耗盡層,器件就建立在正表面的這一區域上。顯然,整根晶棒無法進行內吸雜,只能對單片硅片。整個過程可看作幾個步驟的整體或者可從供應商處購到已吸雜的硅片。

    第一步的加熱溫度是很重要的。在這溫度,氧能從表面逸出因為硅片和外部的氧濃度的不同??梢杂^測到,如果溫度低于1000℃,氧就會形成團,稱為成核現象,和外擴散一起。在這階段避免成核是很重要的,因為在活躍的器件區域會引起位錯。圖3.5是耗盡層形成示意圖。

    第二步是將硅片冷卻到約650℃。在這過程中,氧開始成核,耗盡層仍不受影響,因為氧含量沒有足夠高到成核的程度。

    在第三步中,硅片加熱到1000℃左右,在此溫度上,晶核開始生長并且終形成淀積和推垛層錯。它們為金屬雜質提供了吸雜點。淀積物有化學名為SiOx,x值接近于2。所以也稱為氧化淀積。

    氧化淀積層是大量氧原子與硅原子束縛在一起的集合。盡管少量的氧集合作為n型施主會活動,當它繼續生長時就變得穩定了。所以內吸雜不會影響硅片的電阻率。吸雜的另一重要事項需記住就是盡管氧淀積會吸引金屬雜質,但降低了硅片的機械強度,在熱處理時易造成彎曲或翹曲。間隙氧增強了硅片的機械強度。所以,當進行內吸雜時,必須知道這個關系。

    鏡面邊緣拋光

    硅片腐蝕并進行吸雜后,硅片邊緣可以進行拋光。有時進行邊緣拋光是為了清除腐蝕過程留下的邊緣腐蝕坑。這個過程不一定必須做。但進行邊緣拋光有利于防止碎片或在后面的過程中產生裂紋。這一步驟完成使硅片邊緣更均衡一致。另一個好處是在后道生產工序—HF清洗硅片時防止膠狀硅粒飛跑形成條紋。

    鏡面邊緣拋光方法是一個化學/機械過程。邊緣的拋光是通過真空吸頭吸住硅片以一定角度使硅片的一側邊緣幾乎垂直與拋光盤貼住。然后,拋光盤旋轉,硅片邊緣也隨著一個鼓旋轉。這個鼓表面貼有一種樹脂拋光襯墊。當硅片與拋光襯墊接觸時,還會在上面添加拋光砂。吸頭吸住硅片然后慢慢的開動使硅片的邊緣都充分與拋光襯墊接觸得到拋光。硅片一側邊緣被拋光后,將硅片翻轉,然后對硅片的另一側以同樣方式進行拋光。兩側完成后,硅片必須徹底清洗以清除殘留的拋光砂。

    在邊緣拋光時使用的拋光砂是由膠狀硅粒懸浮在水中組成,有高的PH值的化學物。高的PH值能氧化硅,然后硅粒又形成的氧化物去除。所以,這個過程是一個化學/機械過程,能得到非常光滑的表面。

    抵抗穩定

    硅中的氧溶解

    硅單晶棒,作為一個結果,硅片從晶棒上切割下來,還有一重要參數—氧含量。CZ法生長的單晶氧含量接近1018cm-3等級。氧主要來自于硅融化時石英坩堝緩慢而穩定的分解。一部分的氧從熔融的SiO中分解逸出,但有一定量的氧與生長的晶體結合。由于熔融物和晶棒的旋轉以及隨著時間的推移,熔融物量的減少,氧含量沿著晶棒的長度方向會顯示出一特性。在一般的生長條件下,晶體在籽晶末端有較高的氧含量,并沿著長度向下含量減少。

    氧施主

    可以觀測到,單晶棒會經過一定的熱條件,一些氧原子會作為施主或者說n型摻雜劑。這種摻雜劑的增加會擾亂既定的電阻率。在某些情況下,甚至摻雜劑的性質會發生改變,從而使p型晶棒轉變為n型晶棒。

    如果晶棒或硅片在300℃-500℃溫度范圍內,硅中的氧原子會扮演施主的角色,450℃是起作用的溫度。整根晶棒的剖面濃度分析,從頂部至底部,施主的濃度或氧含量呈下降趨勢。但這其中的原因有所不同。當晶體生長時,籽晶末端從熱場中提升,所以,它要在較低的溫度下呆更長時間,在某點上很可能溫度范圍在300℃-500℃內。因此,比起末端有更多的氧施主參與。

    磷是n型摻雜劑,并且氧施主提高了摻雜濃度。應注意的是,籽晶末端的晶體包含了高的氧含量,因此,在這端的n型摻雜劑濃度也更高。圖3.6也顯示了熱處理后的施主濃度,即在大部分氧施主不再活動后,磷的濃度。

    在CZ法的早期,晶體或熔融物的不旋轉的晶體生長中,可以觀測到熱氧濃度較少。但這種方法現在不被承認,因為現在幾乎所有的硅單晶生長都要旋轉晶體或熔融物。

    施主氧的存在

    從1954年開始,氧施主的存在就被承認了。曾作了很多嘗試去了解從惰性氧形成施主的機制,以及這種氧與其它原子是怎樣結合的。甚至到今天,整個過程也不是非常清楚地理解。施主結構的大部分明顯的點中,一些氧原子在替代位置而且每個這樣的氧原子都有三個間隙氧原子,即每個施主組合包含四個氧原子組成的基團。圖3.7顯示了硅中施主氧的一種可能結構。

    圖3.7硅中施主氧的一種可能結構

    在本章陳述中,替代位氧原子已被雙重電離。因為氧有6個外層電子,它的四個電子能與硅原子形成四根鍵,而另兩個電子施與了晶體導帶。所以,四個氧原子中,只有替代位的氧原子起施主作用。

    碳的影響

    碳在單晶硅中存在抑制了熱氧施主的形成。硅中的一些碳原子會占據替代位而替代氧,結構如下(圖3.8)。

    因為碳有四個電子,所以與四個硅原子結合后,不會有額外的電子。當碳含量在5×1016atoms?cm-3或更高時,這個效應就會發生。

    熱施主的消滅或抵抗穩定

    當含有氧的熱施主的硅單晶加熱到500℃以上時,更多的氧會擴散進入成為施主,氧的基團生長的更大。后會生長的足夠大到形成沉淀物。這個效應大約在650℃左右時發生。沉淀物就不再顯示出施主的特性。所以,如果晶棒加熱到650℃,施主濃度會戲劇性地降低。習慣上,在加熱到650℃以后,晶棒急冷至室溫。急冷能將沉淀物凍結在晶格內,防止它們再度活躍成為施主。

    問題是當在器件制造時,單晶硅總會被再加熱到300℃-500℃范圍,仍存在氧沉淀物重回施主狀態的問題。經發現,施主消滅的過程是不可撤回的,這就意味著一旦氧施主沉積,施主濃度就不會再顯著上升,甚至在其被再度加熱時。

    在熱處理之前清潔硅片的表面去除金屬沾污物的顆粒很重要,因為熱處理時的爐溫會使金屬擴散進入硅的內部。金屬會降低少數載流子的壽命,影響器件性能。

    熱處理前清洗

    熱處理前清洗可以以幾種不同方式進行。一種典型的方法是使用SC-2洗液來去除金屬沾污,然后將硅片浸入已非常稀釋的高純HF溶液中去掉氧化層。另一清洗方法是先用硫酸(H2SO4)和雙氧水(H2O2)的混合溶液清洗。這種溶液以劇烈溶劑著稱,能去除硅片表面大部分的有機污物和某些金屬離子。同時,該溶劑能氧化硅片表面,一些金屬離子(如鐵和鋅)會在氧化層生長時被氧化。然后硅片浸入到已稀釋的高純酸液中,去除氧化層。金屬沾污也就隨著氧化層的清除而被去除掉了。硅片進行純水漂洗和甩干時,表面本質上已無金屬離子存在并能放入爐子進行熱處理了。

    熱處理

    抵抗穩定過程只要用到爐子。這樣做是為了避免其它過程的交叉污染,如擴散或化學氣相沉積(CVD)。

    抵抗穩定的關鍵參數是溫度和時間。晶棒或硅片必須加熱到650℃左右,然后進行急冷。更長的冷卻時間會使沉積的氧原子再度活躍,至少是部分氧原子會重新成為施主。急冷的標準是在爐子外面用氣流吹。硅片尺寸到100mm的,整根晶棒可以進行退火,但隨著硅片尺寸增加,對用氣流來進行急冷來說,晶棒的熱能可能太高。硅片尺寸150mm時,整根晶棒進行退火是不實際的,因此,將分立的硅片進行熱處理。

    硅片放置在清潔的石英舟中,然后放入石英爐內預熱至650℃。加熱過程約20-30分鐘,通氮氣。氮氣為熱處理提供了一個經濟又惰性的氣氛。這個過程結束后,將硅片從熱的爐子中拉出,暴露在外面的空氣中,溫度會快速經過450℃的臨界溫度范圍,足以將氧保持是凍結狀態。如果整根晶棒熱處理,將它放置在一石英載體上后,放入爐子。

    理論上,熱處理可以在器件制作前的任何階段進行。但通常在早期進行,在晶棒階段或切磨片之后馬上進行,如此,可以確保硅片終能滿足顧客的電阻率要求。

    氧施主

    經觀測,硅進行任何的熱處理,溫度在500℃-900℃范圍內,新的氧施主開始出現。氧施主的這個效應在450℃左右時,不會發生。根據一些資料,進行抵抗穩定時,要防止這類施主的產生,可以通過快速熱處理過程,硅在650℃維持幾秒鐘而達到。

    外延沉積的硅片是重摻雜的。這是因為外延沉積的目的就是要以重摻硅為基礎,再在其上部生長一層輕摻雜單晶硅。例如,在n型重摻的頂部生長p型輕摻雜單晶硅制作一個n型的MOS電路。在外延生長過程的溫度上,一些摻雜劑會從重摻基層外擴散與流動的反應物混合。當外延層在硅片正表面生長時,這個效應會減弱,但硅片背面的外擴散仍在繼續。

    自動摻雜的諸多問題,以及怎樣防止或弱化它們將在外延沉積一章中重點討論。所以,這里只作簡單介紹。

    有幾個途徑避免或弱化自動摻雜。擴散是一個依賴溫度過程,隨著溫度的下降,擴散率指數下降。因此如果在較低溫度下進行外延沉積,自動摻雜的效應會減弱。

    另一個方法是低壓外延生長。因為不能輕易地通過邊界逃逸,混合有外擴散出來的摻雜劑的氣流一般滯留在接近于硅片的表面處。在低壓下,就能很快從硅片表面處逃逸。

    阻止自動摻雜的好方法是至少在硅片背面用某種薄膜進行背封。一些不同的處理方法被采用。硅氧化層(Silox)、多晶和氮化硅薄膜常用作背封材料。當多晶硅作為背封材料時,它也還可成為外吸雜。

    Silox

    通過化學氣相沉積在硅片背面淀積一層5000?-9000 ?厚度的硅氧化層。有幾個不同的反應來完成。一是稱為?或TEOS的Si(OC2H5)4的熱分解。如果這種化合物在缺氧氛圍中加熱,會發生以下分解。

    Si(OC2H5)4 → SiO2 + 4C2H4 + 2H2O

    氫化硅(SiH4)是用來進行CVD的普通的材料之一,它與氧氣一起在爐內的反應如下:

    SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O

    在背封時,硅片面向下放在基座上,將沉積材料覆蓋在背面與硅片邊緣一樣大小。在正面進行外延沉積時,邊緣的覆蓋會引起一些問題,如圖3.9所示。

    在圖3.9(a)中,可以看到背封延伸覆蓋住了硅片正面,接近它的外延層趨向于無定形。這會減小有效硅片面積,因為器件不能建立在無定形硅上。

    避免這個問題的一種方法是背封后,進行硅片邊緣拋光,這樣邊緣就不再有無定形材料。如圖3.9(b)所示。另一個方法是在進行背封時,用一面具罩在硅片邊緣,避免邊緣被沉積材料所覆蓋。圖3.9(c)顯示了這個方法。面具就象衣領一樣饒在硅片邊緣。第三種方法這里沒有顯示,就是在硅片上生長氧化層以完全覆蓋硅片。而后,正面的氧化層可通過上面流下的HF淋洗來去除。第四種方法也沒有顯示,硅片邊緣與滾軸接觸并使用HF溶劑,將SiO2從邊緣處溶解下。

    多晶

    在背面沉積多晶防止自動摻雜和捕獲硅片體內的重金屬。在高溫下,一些多晶硅會被氧化,但不會降低它的吸雜能力。

    氫化硅(SiH4)源通常用來作為多晶。高溫下,硅土熱分解反應如下:

    SiH4 → Si + 2H2

    在低壓CVD(LPCVD)中,可在650℃左右沉積。這個溫度在無定形和單晶硅沉積之間。

    表面再結晶的過程通過一些過程如離子注入來補償?;w通常在惰性氣體或氫氣的氛圍下加熱,熱量的提供有利于驅逐(基體和注入物)原子移動占據有序晶格點。一旦退火后,摻雜劑就表現出電活躍性。

    通過在高溫下的擴散過程,實現硅片表面層氧的耗盡。

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