芯片系列半导体材料概述

芯片系列半导体材料概述

晶体结构

晶体可分为单晶和多晶，若在整块材料中，原子都是规则的、周期性的重复排列的，一种结构贯穿整体，这样的晶体称为单晶，如石英单晶，硅单晶，岩盐单晶等。多晶是由大量微小的单晶随机堆砌成的整块材料。实际的晶体绝大部分是多晶，如各种金属材料和电子陶瓷材料。由于多晶中各晶粒排列的相对取 向各不相同，其宏观性质往往表现为各 向同性，外形也不具有规则性。半导体材料硅、锗等都属金刚石结构。

金刚石结构可以看成是沿体对角线相互错开四分之一对角线长度的面心立方元胞套构而成的。

晶面与晶向

晶体具有各向异性的特征，在研究晶体的物理特征时，通常必须标明是位于什么方位的面上或沿晶体的什么方向，为此引入晶面与晶向的概念。为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通用密勒指数来统一标定晶向指数与晶面指数。

1.晶向指数：以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O设定坐标轴X、Y、Z，以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位；过 原点O作一平行于待定晶向的直线，在该直线上选取距原点O最近的一个阵点，确定此点的3个坐标值；将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号。[u v w]即为待定晶向的晶向指数。晶向指数代表所有相互平行、方向一致的晶向。

2.晶面指数 在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；选出晶面族中不经过原点的晶面，确定该晶面在各坐标轴上的截距；取各截距的倒数；将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为( h k l )。当晶面的某一截距为负数时，在相应的指数上部加"-"号。当晶面与某一坐标轴平行时，则认为晶面与该轴的截距 为∞，其倒数为0。晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表所有相互平行的晶面。

晶体中的缺陷按在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。

1．点缺陷 点缺陷是以晶体中空位、间隙原子、杂质原子为中心，在一个或几个晶格常数的微观区域内，晶格结构偏离严格周期性而形成的畸变区域。

2．线缺陷 晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷为线缺陷。晶 体中最重要的一种线缺陷是位错。

3．面缺陷和体缺陷 对于晶体来讲，还存在面缺陷（层错）和体缺陷（包裹体）等。由于堆积次序发生错乱形成的缺陷叫做堆垛层错，简称层错。层错是一种区域性的缺陷，在层错以外的原子都是有规则排列的，它是一种面缺陷。当掺入晶体中的杂质超过晶体的固溶度时，杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。

晶体中的杂质

实践表明，极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响。

1．施主杂质 向硅中掺入磷，磷原子占据了硅原子的位置，其结果是形成一个正电中心和一个多余的价电子。这种杂质，我们称它为施主杂质或n型杂质。

2．受主杂质 向硅中掺如硼，硼原子占据了硅原子的位置，其结果是形成一个负电中心和一个多余的空位。这种杂质，我们称它为受主杂质或p型杂质。

多晶硅的制备

现今，300mm的wafer技术已经成熟，随着直径的增大，其制造难度也相应提高。

生长单晶硅

目前制备单晶硅的主要方法有柴氏拉晶法（即CZ法）和悬浮区熔法，85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。

1.单晶炉

单晶炉可分为四个部分：炉体、机械传动系统、加热温控系统以及气体传送系统。炉体包括了炉腔、籽晶轴、石英坩埚、掺杂勺、籽晶罩、观察窗几个部分。炉腔是为了保证炉内温度均匀分布以及很好的散热；籽晶轴的作用是带动籽晶上下移动和旋转；掺杂勺内放有需要掺入的杂质；籽晶罩是为了保护籽晶不受污染。机械传动系统主要是控制籽晶和坩埚的运动。为了保证Si溶液不被氧化，对炉内的真空度要求很高，一般在5Torr以上，加入的惰性气体纯度需在99.9999%以上。

2．生长过程

（1）准备工作 多晶硅的纯度要很高，还要用氢氟酸对其进行抛光达到清洗的目的；籽晶上的缺陷会"遗传"给新生长的晶体，所以在选择籽晶时要注意避开缺陷；籽晶的晶向和所要生长的晶体相同；籽晶要经过清洗；根据待生长晶体的导电类型选择要掺入的杂质；清洗杂质；所有经过清洗的材料用高纯度的去离子水冲洗至中性，然后烘干，以备后用。

（2）装炉 将经过粉碎的多晶硅装入石英坩埚内；把籽晶夹到籽晶轴的夹头上，盖好籽晶罩；将炉内抽为真空并冲入惰性气体；检测炉体的漏气率是否合格。

（3）加热熔硅 真空度符合要求，充满惰性气体就开始加热。一般是用高频线圈或电流加热器来加热的，后者常用于大直径硅棒的拉制。在1420℃的温度下把多晶和掺杂物加热到熔融状 态。

（4）拉晶 拉晶过程分为以下五个步骤。引晶，也叫下种。先将温度下降到比1420℃稍低一些的温度，将籽晶下降至距液面几毫米处，对籽晶进行2～3min的预热，使熔融硅与籽晶间温度平衡。预热后，使籽晶与熔融硅液面接触，引晶完成。缩颈，引晶结束后，温度上升，籽晶旋转上拉出一段直径为0.5～0.7cm的新单晶，这段单晶的直径比籽晶细。缩颈的目的是为了消除籽晶原有的缺陷或引晶时由于温度变化引起的新生缺陷。缩颈时的拉速较快一些，但不宜过快。拉速过大或直径变化太大都容易导致生成多晶。

放肩，缩颈后放慢速度、降低温度，让晶体长大至所需直径。等径生长，在放肩完成前缓慢升温，放肩结束，保持直径生长单晶。生长过程中，拉速和温度都要尽可能的稳定，以保证单晶的均匀生长。收尾，单晶生长接近结束时，适当升高温度，提高拉速，慢慢减小晶棒直径，拉出一个锥形的尾部。其目的是为了避免晶棒离开熔融液时急速降温而产生的缺陷向上延伸。单晶硅性能测试生长好的单晶硅需要经过测试来衡量各项参数是否符合要求。

1．物理性能的测试

外观检验

晶向检验

测量直径

2. 缺陷检验

3．电气参数测试

导电类型的测试非平衡载流子的测试

电阻率的测试

晶圆加工

晶棒还要经过一系列加工，才能形成符合半导体制造要求的硅衬底，即晶圆。加工的基本流程为：外型整理、切片、倒角、研磨以及抛光等。

1.外型整理

（1）切割分段 将籽晶部分、肩部、尾部以及目检后不符合直径要求的部分切除，需要切除的还有电阻率和结构完整性不符合规格的部分。

（2）径向研磨 晶棒的直径不可能很精确的符合直径要求，一般都要稍大一些，所以需要对其进行径向研磨。

（3）定位面研磨 一旦晶体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出一个参考面，其位置沿着一个重要的晶面，这是通过晶体定向检查来确定的。

2.切片

切片决定了wafer的几个特性：厚度、斜度、平行度、翘度。切片的流程为：晶棒固定 X射线定位Wafer拆卸清洗 X射线定位切片内圆切割机

3.倒角

倒角就是磨去wafer周围锋利的棱角，其目的有以下三个：防止wafer边缘破裂、防止热应力造成的损伤、增加外延层以及光刻胶在wafer边缘的平坦度。

4.研磨

研磨目的是：去除表面的刀痕；消除损伤层；提高平整度，使wafer薄厚均匀；增加表面平坦度等。

5.抛光

（1） 抛光，抛光的目标是除去表面细微的损伤层，得到高平整度的光滑表面。抛光的方法有机械抛光和化学机械抛光两大类，机械抛光效率太低，而且耗材量大。化学机械抛光的速度就大有提高，表面质量也有所改善。

抛光示意图

（2）缺陷及平坦度检查 抛光后的芯片需要对表面缺陷以及表面粗糙度进行相应检查。

表面缺陷检查，用分辨率精确到0.05μm"魔镜"来观察wafer表面凹凸情况，检出有缺陷的产品。表面粗糙度检查，Wafer表面粗糙度用原子显微镜测量，说明表面粗糙度的参数有以下几个：TTV，wafer厚度的最大值 与最小值之差，TTV=a-b；TIR，wafer表面最高处与参考面之间的距离和最低处与参考面之间的距离之和，TIR=a + b；FPD，wafer表面一点距参考面的最大距离，如果a>b，则FPD=a，反之，则FPD=b。

6.清洗

Wafer从单晶硅棒拉制完成经历了切片、研磨、抛光等加工工序，中间接触了抛光剂、研磨料等各种化学试剂及微粒的污染，最后需要将这些杂质清除干净。传统上，Wafer清洗均使用湿式化学清洗法，湿式化学清洗技术在现场应用多年，并证明是最有效且符合成本要求的清洗技术。目前使用最广泛的湿式化学清洗技术是RCA清洗法。

半导体材料拥有特有的电性能和物理性能，这些性能使得半导体器件和电路具有独特的功能。我们将这些性能与原子的基本性能、周体、本征半导体和掺杂半导体的电性能一同分析。

晶圆制造由很长的一系列步骤组成，包括使用普通的和专用的化学品的许多清洗操作。后续的内容会和大家讨论气体、酸、碱和溶剂的基本性质。

玻尔原子

要想理解半导体材料就必须了解原子结构的基本知识。

原子是自然界的基本构造单元。自然界中的任何事物都是由96种稳定元素和12种不稳定元素组成的。每一种元素都有不同的原子结构，不同的结构决定了元素的不同特性。

黄金的特性也是由黄金的原子结构决定的。如果一块黄金不断地被分割而变小，那么最终会留下一小块，依然能呈现出黄金的特性，这一小块就是原子。

进一步分下去，就会产生构成每个原子的三个部分。它们被称为亚原子粒子，也就是质子、中子和电子。这些亚原子粒子各有其特性。要组成金原子就要求这些亚原子粒子有特定的组合和结构着名物理学家尼尔斯．玻尔最早把原子的基本结构用于解释不同元素的不同物理、化学和电性能。

在玻尔的原子模型中，带正电的质子和不带电的中子集中在原子核中，带负电的电子，绕原子核在固定的轨道上运动，就像太阳的行星围绕太阳旋转一样。带正电的质子和带负电的电子之间存在着吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运行的离心力相抵，这样一来原子结构就稳定了。

每个轨道容纳的电子数量是有限的。在有些原子中，不是所有的位置都会被电子填满，这样结构中就留下一个“空穴”。当一个特定的电子轨道被填满后，其余的电子就必须填充到下一个外层轨道上。

元素周期表

不同的元素，其原子中的电子、质子和中子数是不同的。幸运的是，自然界把这些亚原子粒子有序地组合起来如果对决定原子结构的一些规则进行研究，就会对理解半导体材料和工艺化学品的特性有所帮助。原子（也是元素）的范围包括从最简单的氢原子（有一个电子）到最复杂的铹原子（有103个电子）。

氢原子只包括一个原子核中的质子和一个电子。这种组合解释了原子结构的第一条规则

1.在任何原子中都有数量相等的质子和电子。

2，任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子。氢在原子核中有1 个质子，而氧原子有8个质子。

这条规则引出了人们对每种元素指定特定序数的做法，“原子序数”就等于原子中质子的数目（也就是电子的数目）。元素的基本参照就是元素周期表。周期表中每种元素都有一个方格，内有两个字母。原子序数就在方格的左上角。钙(Ca)的原子序数为20，所以我们立即知道钙原子核中有20个质子，轨道系统上有20个电子。

中子是中性不带电的粒子，与质子一起构成原子核。

下图表示出了1号元素氢，3号元素锂和11号元素钠的原子结构图。当建立这些结构图的时候，就可以观察到电子在合适的轨道上分布的规则。该规则就是每个轨道(n)只能容纳个电子。按此算法，1号轨道只能容纳2个电子，该规则迫使锂的第3个电子进人第2个轨道。第2个轨道的电子数受该规则限制最多有8个，第3轨道的电子数最多有18个。因此在建立有11个质子和电子的钠原子的结构图时，开始的两个轨道容纳了10个电子，第Il个电子就留在第3个轨道上，

这3个原子有一个共性，每种原子的最外层都只有1个电子，这显示出了元素的另外一个可观察到的事实。

有相同最外层电子数的元素有着相似的性质，这个规则就反映在周期表中。注意，氢、锂和钠都出现在标着罗马数字I的竖列中．这个竖列数就代表最外层的电子数，每一列的元素都有着相似的性质。毫不例外的是，三种最好的电导体（锕、银、金）都出现在元素周期表的同一列中参见下图。有两个以上的与理解半导体相关的原子结构的规则。

4．最外层被填满或者拥有8个电子的元素是稳定的，这些原子在化学性质上要比最外层未填满的原子更稳定。三种导体分别为锕、银、金 5，原子会试图与其他原子结合而形成稳定的条件．一一各轨道被填满下图中三种最好的电导体或者最外层有8个电子。

如掺杂半导体一节所阐述的，规则4和规则5影响着N型和p型半导体材料的形成。

衬底工程

体硅是微芯片制造的传统衬底。电性能要求新的衬底，例如像在蓝宝石这样的绝缘层上硅（SOI)，金刚石上硅（SOD),金刚石比硅散热更好。另一种结构是淀积在锗硅晶圆上应变硅层。当预先在绝缘层上淀积的Si/Ge (sSOI)层上淀积硅原子，会产生应变硅。原子之间间距比正常的硅更宽。在淀积过程中，硅原子对着Ge原子“伸长"，沾污硅层。电效应是降低硅的电阻，使得电子运动加快70％。这种结构为MOS晶体管的性能带来益处。

铁电材料

在对更快和更可靠的存储器研究中，铁电体成为一种可行的方案。一个存储器单元必须用两种状态中的一种（开/关，高/低，0/1)存储信息，能够快速响应（读写）和可靠地改变状态。铁电材料电容如PbZrTO(PZT)和SrBiTa0(SBT)正好表现出这些特性它们并入SiMOS存储电路，称为铁电随机存储器(FeRAM）。

金刚石半导体

摩尔定律不能无限期地确定未来。一个终点是当晶体管的部分变得如此小，以至于物理控制的晶体管不再工作。另一个限制是散热。更大和更密的芯片工作时非常热。遗憾的是，高温还能降低电性能并能使芯片失效。金刚石是一种晶体材料，其散热比硅快得多。尽管有这些优点，作为半导体晶圆的金刚石面临着成本、一致性和寻找大的金刚石货源的障碍。然而，有使用气相淀积技术合成金刚石的新的研究。金刚石掺杂是下一个障碍。这种材料正在探讨中，或许在未来制造领域能找到用武之地。

工艺化学品

很明显，需要很多工艺来将原始半导体材料转变为有用的器件，大部分的工艺都要使用化学品。芯片制造首要是一种化学工艺，或者更准确地说，是一系列化学工艺，高达20％工艺步骤是清洗和品圆表面的处理

半导体工厂消耗大量的酸、碱、溶剂和水。为达到精确和洁净的工艺，部分成本是由于化学品需要非常高的纯度和特殊的反应机理。晶圆越大，洁净度要求就越高，相应就需要更多的自动清洗工艺，清洗所用化学品的成本也就跟着升高。当把芯片的制造成本加在一起，其中化学品占总制造成本的40％。

分子，化合物和混合物

之前的科普文章中，用玻尔原子模型解释物质的基本结构。这个模型可解释组成自然界所有物质元素之间的结构差异，但是很显然自然界中的物质数目超过了103（元素的数目）种物质。

非元素材料的基本单位是分子。水的基本单位是两个氢原子和一个氧原子组成的分子。材料的多样性源自原子之间相互结合形成分子。

每次我们想指定一个分子时就画一个图是不方便的，更常用的方式是写出分子式。例如水就是熟悉的H20。这个分子式确切地告诉我们在材料中的元素和其数目。化学家用更确切的术语“化合物"来描述元素的不同组合。这样H20（水），NaCl（氯化钠或盐），H202（过氧化氢）和As203，（三氧化二砷）都是由一个个分子集合成的不同化合物。

抛光液用在化学机械抛光（CMP）的抛光操作中。代表性的抛光液有细小的二氧化硅（玻璃）悬浮在氢氧化铵之类的弱碱性溶液中。

有的元素结合成双原子分了，双原子分子是分子中有两个相同元素的原了。熟悉的气体如氧气、氮气和氢气在自然状态下都是由双原子分子构成的。这样它们的分了式就是O2，N2和H2。

物质还有其他两种形式：混合物和溶液。混合物由两种或更多种物质构成，但每种物质都保留各自的特性。典型的混合物就是椒盐（盐和胡椒粉）。溶液是固体溶解于液体中的混合物，在液体中，固体分散分布，呈现出独特的性能。不过溶液中的物质并没有形成新的分子。盐水就是溶液的一个例子，可以把它分解回其初始状态：盐和水。

离子

术语“离子" (ion)或“离子的" (ionic)经常在半导体工艺中使用。该术语指的是材料中任何电荷不平衡的原子或分子。离子是通过在元素或分了的化学符号后加上一个正号或负号的上标（Na+，0-）。举例来说，一个很严重的污染问题就是移动的离子污染，比如钠（Na+）。当钠进人半导体材料或器件中，由于钠带正电荷而引起问题但在某些工艺，如离子注入工艺中形成离子，如硼离子（B+)对完成工艺是很必要的。