半导体制造手册-chapter3半导体硅基片制造

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1、CHAPTER3半导体硅衬底制造3.1简介以硅技术为基础的半导体电子产品以指数增长是众所周知的。使得这些技术非凡进展并按摩尔定律发展的一个根本的因素是由于硅独有特性。在本文中将介绍一个硅衬底技术的概述。接下来是一个硅关键特性的简短讨论，硅的这个关键特性使其成为非常好的半导体材料，且将探讨硅晶圆制造的方法。本章节的主要部分是讨论各种半导体衬底材料，这些材料或者是目前应用的，或者考虑到延长摩尔定律的。硅晶圆或硅衬底是最常用的制造各种有源电子器件的半导体产品。使用半导体硅衬底作为无源和半无源器件材料是日益流行的趋势。虽然，不承担器件或电路的电子功能，但会作为低成本高用

2、量的衬底材料，比如作为硅薄膜或其他半导体材料、光电材料、磁性材料衬底。未来这种应用趋势可能会广泛，因为那些高成本、大尺寸的衬底材料不容易生产，但硅衬底与晶圆粘接或生长外延层会相对容易。这种方法也有可能用来结合硅的电子功能，例如，砷化镓或磷化铟光电材料的光学功能。3.2硅衬底材料的关键属性硅享有使其成为普片的半导体材料的许多无与伦比的属性和特性。然而在这个简短回顾中这些特性详尽的讨论是不合适的，所以下面简要的回顾下硅的主要特性。3.2半导体基础和基本材料。3.2.1电子和热特性表3.1列出了决定硅电属性的相关属性。表3.1硅电子功能。物理性质带隙，eV1.45相对

3、介电常数11.7热导率，W/cm-K1.45晶格电子迁移率，V/cm21350晶格空穴迁移率，V/cm2480击穿电场，V/cm3X5e103.2.2可获得性硅是在地壳中排第二的丰富的元素，它与石英岩的氧化物是最常见的用来萃取工业硅的硅矿石。3.2.3工艺性大概硅最引人注目的地方是复杂的制造技术，这种技术已经开发使天然硅矿石转换成非常高质量、大面积的当前先进半导体产品的单晶硅衬底。多年来，两个主要的发展方向是晶圆内重金属含量持续降低，以及使用先进的光刻技术，实现更小尺寸电路印制所需要的晶圆平整度不断进步。3.2.4晶圆直径提高制造业的生产效率的必要性是增加晶圆的

4、直径。随着晶圆面积超过两倍的增加，晶圆制造的成套设备成本也增加30%~40%。因为要处理将生长更大尺寸的晶棒，所以单位面积成本降低了30%~50%。由于要解决更大直径的晶棒生长及开发出整套晶圆加工设备等问题，晶圆直径的增加耗费了十年左右的时间。从150mm直径的晶圆转换成200mm的晶圆开始在1990年，最初转换到300mm晶圆是在1999年迟疑不决地开始并且目前正在加速推进。国际半导体技术路线图（ITRS）项目接下来要在大约在2011年到2012年要将晶圆转换到450mm，从300mm转换用了大约10年时间。然而，随着如此大的多元硅块低成本高效率增长的新的物理

5、条件限制转换到450mm的多元硅块是一个重要的阶段。稍后本章将进一步讨论。3.2.5成本在150mm向200mm直径的晶圆转换时，硅片的单位面积成本基本没有什么变化。然而，转换成300mm单位成本相对于200mm晶圆大致增加了50%~75%。这些都是由于设备成本增加了，比如拉单晶硅设备，以及生产效率降低，尤其是晶棒生长的速率因直径的增加而降低。尽管在总成本基础上较大直径晶圆的较高的成本，但是转换到更大的晶圆能够获得更高的经济效益。例如，用300mm晶圆生产出数量2.5于200mm晶圆所能生产的集成电路数量，单片制造成本（包括原料和固定资产）仅增加了不到1.5倍。

6、3.3硅晶圆制造基础本书里有很多关于硅晶圆制造制程的资料。在此，在这里仅仅简短的讨论制造制程。硅晶圆制造的原材料是高质量的半导体多晶硅，通过使用碳电弧炉减少石英岩中的石英制造的。由此产生的冶金硅材料通过一系列卤化和分馏过程被净化得到半导体硅。通常硅用一个流化床与无水HCl作用转换成三氯硅烷。当无水HCl与冶金硅反应时，会产生许多反应物。这些反应物包括SiHCl3，SiCl4，H2，和一些金属卤化物，如AlCl3，BCl3，和FeCl3。三氯硅烷被略微蒸馏从杂质卤化物得到一个非常高纯度的化合物。三氯硅烷经由装有加热棒（有时是钼金属）的反应装置与氢气反应后热分解为硅

7、和HCl。最终生成的多晶硅棒材被碎化为小块，投入坩埚用于拉出硅单晶。广泛应用的单晶硅生长工艺方法是CZ法或称为直拉生长法，即在大气环境受控的反应室中将半导体级的多晶硅在坩埚内熔化后生长硅锭棒的工艺过程。小于1cm的籽晶与熔化的硅夜面接触后缓慢地垂直拉出，然后与之接触的硅液体固化为单晶。在此过程中温度始终受到精确控制，比如硅晶体固化自身会使温度升高，因而输入系统的功率要降低来做出补偿以确保温度稳定。另一个重要的工艺是实现无晶格位错的单晶，在最初的一小段晶棒拉出后，缩小晶棒然后再增大晶棒的直径。在晶棒的这一段直径变小，称之为颈缩，会产生热冲击将晶格位错从单晶中引发出

8、来，从而使接下来生长的部