半导体晶圆的制备
半导体晶圆的制备
一、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。
制造集成电路级硅晶圆分4个阶段进行:
1）矿石到高纯气体的转变；
2）气体到多晶的转变;
3）多晶到多晶、掺杂晶棒的转变;
4）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(见图2)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，它有一种称为多晶或多晶硅(polysilicon)的晶体结构。
图2氢气还原三氯硅烷
二、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(crystal)。原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶体或无定形(amorphous)，塑料就是无定形材料的例子。
1)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，晶体里的原子排列为晶胞(unitcell)结构。晶胞是晶体结构的第一个级别，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(见图3)，砷化稼晶体具有18个原子的晶胞结构称为闪锌矿结构(见图4)"
图3硅晶胞图
图4砷化锌晶体结构
2)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，晶胞间不是规则排列的。这种情形和方糖杂乱无彰也堆起来很相似，每块方糖代表一个晶胞。这样引oil 的材料具有多晶结构。
当晶胞间整洁而有规则地排列时，第二个级别的结构发生了(见图5)。这样排列的材料具有单晶结构。
图5多晶(左)和单晶（右）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，晶体的一致性对于将晶圆分割成无粗糙边
缘的品元是至关重要的。
三、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(crystalorientation)。通过切割如图6所示的多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。炼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。
图6晶面晶面通过一系列称为米勒指数的三个数字组合来表示。如图6所示，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，尖括号表示这三个数是米勒指数。(100)品向的晶圆用来制造金属氧化物硅(R1OS)器件和电路，而（111)品向的晶圆用来制造双极型器件和电路。砷化稼晶体只能沿(100)品而切割。注意在图6的（100)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将如图7所示。(100）晶向的晶圆碎成四方形或直角(900)破裂，(111)晶向的晶圆碎成三角形。
图7晶体定向指示图
四、晶体生长
半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。这种半导体材料，或称为硅锭(ingot)，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长(crystalBowing)使用三种不同的方法来生长单晶:直拉法(Czocliralski,CZ)、液体掩盖直拉法和区熔法。
1、直拉法(CZ)
大部分的单晶是通过直拉法生长的(见图8)。设备有一个石英(氧化硅)柑祸，由带有射频(RF)波的线圈环绕在其周围来加热，或由电流加热器来加热。柑祸装载半导体材料多晶块和少量掺杂物。选择掺杂材料来产生N型或P型材料。
首先，在1415℃把多晶和掺杂物加热到液体状态(见图9)。接下来，籽晶安置到刚接触到液面(称为熔融物)(见图8)。籽晶是具有和所需晶体相同品向的小晶体，籽晶可由化学气相技术制造。在实际应用中，它们是一片片以前生长的单晶并重复使用。
图8直拉法错体生长系统
当籽晶从熔融物中慢慢上升时，晶体生长开始了。籽品和熔融物间的表面张力致使一层熔融物的薄膜附着到籽晶上然后冷却。在冷却过程中，在熔化的半导体材料的原子定向到籽晶一样的晶体结构实际结果是籽晶的定向在生长的晶体中传播。在熔融物中的掺杂原子进入生长的晶体中，生成N 型或P型晶体。
图9晶体生长从籽晶开始
为了实现均匀掺杂、完美晶体和直径控制，籽晶和增竭(伴随着拉速)在整个晶体生长过程中以相反的方向旋转。工艺控制需要一套复杂的反馈系统，综合转速、拉速及熔融物温度参数。
拉晶分为3个段，开始放肩形成一薄层头部，接着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生成几英尺长和直径达到450mm(18英寸)的晶体。450mm晶圆的晶体质量将会达到800kg,需要花费3天时间来生长。
质量更大的晶体可能导致碎裂成小直径的籽晶(约4nun)la,。一个解决方案是用被称为缩颈(dashnecking)的工艺开始生长。在开始生长阶段，生长加粗部分，它为更大的晶体提供了机械强度支撑(见图10)
2、液体掩盖直拉法
液体掩盖直拉法用来生长砷化镓晶体。实质上它和标准的直拉法(CZ)一样，但为砷化镓做了重要改进。由于熔融物里砷的挥发性，改进是必需的。在晶体生长的温度条件下，镓和砷起反应，砷会挥发出来造成不均匀的晶体。
这个问题有两种解决办法。一个是给单晶炉加压来抑制砷的挥发，另一个是液体掩盖直拉法工艺(见图11)。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼(BzO;)漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。在这种方法中，单晶炉里需要大约一个大气压。
图11液体掩盖直拉法
3、区熔法
区熔法晶体生长是早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用“。直拉法的一个缺点是柑祸中的氧进人到晶体中，对于有些器件，高浓度的氧是不能接受的;对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
区熔法晶体生长(参见图12)需要一根多晶棒和浇铸在模子里的掺杂物。籽晶融合到棒的一端。夹持器装在单晶炉里。当高频线圈加热多晶棒和籽晶的界面时，多晶到单晶的转变开始了。线圈沿着多晶棒的轴移动，一点点把多晶棒加热到液相点在每一个熔化的区域，原子排列成末端籽晶的方向、这样整个棒以开始籽晶的定向转变成一个多晶。
区熔法晶体生长不能像直拉法那样生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，但不需用石英琳祸便会生长出低氧含量的高纯晶体。低氧晶体可以使用在高功率的fill闸管和整流器上。