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                ---講述沙子轉變成晶體及晶圓和用于芯片制造級的拋光片的生產步驟介紹

                高密度和大尺寸芯片的發展需要大直徑的晶圓。在上世紀60年代開始使用的是1&sup2;直徑的晶圓,而現在業界根據90年代的工藝要求生產200毫米直徑的晶圓。300 毫米直徑的晶圓也已經投入生產線了,而根據SIA的技術路線圖,到2007年,300毫米將成為標準尺寸。以后預期會是400毫米或450毫米直徑的晶圓。大直徑的晶圓是由不斷降低芯片成本的要求驅動的。然而,這對晶圓制備的挑戰是巨大的。大直徑意味著高重量,這就需要更多堅固的工藝設備。在晶體生長中,晶體結構上和電學性能一致性及污染的問題是一個挑戰,這些挑戰和幾乎每一個參數更緊的工藝規格要求共存。與挑戰并進和提供更大直徑晶圓是芯片制造不斷進步的關鍵。

                半導體硅制備

                半導體器件和電路在半導體材料晶圓的表層形成,半導體材料通常是硅。這些晶圓的雜質含量水平必須非常低,必須摻雜到指定的電阻率水平,必須是指定的晶體結構,必須是光學的平面,并達到許多機械及清潔度的規格要求。制造IC級的硅晶圓分四個階段進行:

                晶圓制備階段

                **礦石到高純氣體的轉變 

                **氣體到多晶的轉變 

                **多晶到單晶,摻雜晶棒的轉變 

                **晶棒到晶圓的制備

                半導體制造的第一個階段是從泥土里選取和提純半導體材料的原料。提純從化學反應開始。對于硅,化學反應是從礦石到硅化物氣體,例如四氯化硅或三氯硅烷。雜質,例如其他金屬,留在礦石殘渣里。硅化物再和氫反應(圖3.1)生成半導體級的硅。這樣的硅的純度達99.9999999%,是地球上最純的物質之一。1它有一種稱為多晶或多晶硅(polysilicon)的晶體結構。

                晶體材料

                材料中原子的組織結構是導致材料不同的一種方式。有些材料,例如硅和鍺,原子在整個材料里重復排列成非常固定的結構,這種材料稱為晶體(crystals)。 

                原子沒有固定的周期性排列的材料稱為非晶或無定形(amorphous)。塑料是無定形材料的例子。

                晶胞

                對于晶體材料實際上可能有兩個級別的原子組織結構。第一個是單個原子的組織結構。晶體里的原子排列在稱為晶胞(unit cell)的結構的特定點。晶胞是晶體結構的第一個級別。晶胞結構在晶體里到處重復。 

                另一個涉及晶胞結構的術語是晶格(lattice)。晶體材料具有特定的晶格結構,并且原子位于晶格結構的特定點。 

                在晶胞里原子的數量、相對位置及原子間的結合能會引發材料的許多特性。每個晶體材料具有獨一無二的晶胞。硅晶胞具有16個原子排列成金剛石結構。砷化鎵晶體具有18個原子的晶胞結構稱為閃鋅礦結構。

                多晶和單晶

                晶體結構的第二個級別和晶胞的構成有關。在本征半導體中,晶胞間不是規則的排列。這種情形和方糖雜亂無章的堆起來相似,每個方糖代表一個晶胞。這樣排列的材料具有多晶結構。 

                當晶胞間整潔而有規則的排列時第二個級別的結構發生了。那樣排列的材料具有單晶結構。 

                單晶材料比多晶材料具有更一致和更可預測的特性。單晶結構允許在半導體里一致和可預測的電子流動。在晶圓制造工藝的結尾,晶體的一致性對于分割晶圓成無粗糙邊緣的晶元是至關重要的。

                晶圓是制造IC的基本原料

                硅是由沙子所精練出來的,晶圓便是硅元素加以純化(99.999%),接著是將這些純硅制成長硅晶棒,成為制造積體電路的石英半導體的材料,經過照相制版,研磨,拋光,切片等程序,將多晶硅融解拉出單晶硅晶棒,然后切割成一片一片薄薄的晶圓。我們會聽到幾寸的晶圓廠,如果硅晶圓的直徑越大,代表著這座晶圓廠有較好的技術。另外還有scaling技術可以將電晶體與導線的尺寸縮小,這兩種方式都可以在一片晶圓上,制作出更多的硅晶粒,提高品質與降低成本。所以這代表6寸、8寸、12寸晶圓當中,12寸晶圓有較高的產能。當然,生產晶圓的過程當中,良品率是很重要的條件。

                晶圓是指硅半導體積體電路制作所用的硅晶片,由于其形狀為圓形,故稱為晶圓;在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結構,而成為有特定電性功能之IC產品。晶圓的原始材料是硅,而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經由電弧爐提煉,鹽酸氯化,并經蒸餾后,制成了高純度的多晶硅,其純度高達0.99999999999。晶圓制造廠再將此多晶硅融解,再于融液內摻入一小粒的硅晶體晶種,然后將其慢慢拉出,以形成圓柱狀的單晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一顆小晶粒在熔融態的硅原料中逐漸生成,此過程稱為“長晶”。硅晶棒再經過研磨,拋光,切片后,即成為積體電路工廠的基本原料——硅晶圓片,這就是“晶圓”。

                一,晶圓制備關鍵術語和概念

                晶體 籽晶 

                晶胞 熔融物 

                多晶 晶體生長 

                單晶 直拉法 

                晶體定向 區熔法 

                <100>晶面 液體掩蓋直拉法 

                <111>晶面 晶圓參考面 

                點缺陷 晶圓參考面代碼 

                晶體位錯 化學機械拋光 

                原生缺陷 背損傷 

                邊緣倒角 切片 

                滑移 空位

                晶圓術語

                1. 器件或叫芯片(Chip, die, device, microchip, bar): 這個名詞指的是在晶圓表面占大部分面積的微芯片掩膜。 

                2. 街區或鋸切線(Scribe lines, saw lines, streets, avenues):在晶圓上用來分隔不同芯片之間的街區。街區通常是空白的, 但有些公司在街區內放置對準靶, 或測試的結構(見 ‘ Photomasking’ 一章)。 

                3. 工程試驗芯片(Engineering die, test die):這些芯片與正式器件(或稱電路芯片)不同。它包括特殊的器件和電路模塊用于對晶圓生產工藝的電性測試。 

                4. 邊緣芯片( Edge die):在晶圓的邊緣上的一些掩膜殘缺不全的芯片而產生面積損耗。由于單個芯片尺寸增大而造成的更多邊緣浪費會由采用更大直徑晶圓所彌補。推動半導體工業向更大直徑晶圓發展的動力之一就是為了減少邊緣芯片所占的面積。 

                5. 晶園的晶面( Wafer Crystal Plans):圖中的剖面標示了器件下面的晶格構造。此圖中顯示的器件邊緣與晶格構造的方向是確定的。 

                6. 晶圓切面/凹槽( Wafer flats/notches):例如圖示的晶圓有主切面和副切面,表示這是一個P型<100>晶向的晶圓(見第三章的切面代碼)。300 毫米晶圓都是用凹槽作為晶格導向的標識。

                二,晶體生長方式分類

                半導體晶圓是從大塊半導體材料切割而來的。那些半導體材料,或叫做晶棒,是從大塊的具有多晶結構和未摻雜本征材料生長得來的。把多晶塊轉變成一個大單晶,給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜,叫做晶體生長。 

                使用三種不同的方法來生長單晶:直拉法、液體掩蓋直拉法、區溶法。

                1.直拉法(CZ) 晶體生長方式概述

                   大部分的單晶是通過直拉法生長的.設備有一個石英坩堝,由負載高頻波的環繞線圈來加熱,或由電流加熱器來加熱。坩堝裝載半導體材料多晶塊和少量摻雜物。選擇摻雜材料來產生N型或P型材料。開始在1415°C把多晶和攙雜物加熱到液體狀態,接下來籽晶安置到剛接觸到液面(叫做熔融物)。籽晶是具有和所需晶體相同晶向的小晶體,籽晶可由化學氣相的技術制造。在實際應用中,它們是一片片以前生長的單晶并重復使用。 

                   當籽晶從熔融物中慢慢上升時,晶體生長開始了。籽晶和熔融物間的表面張力致使一層熔融物的薄膜附著到籽晶上然后冷卻。在冷卻過程中,在熔化的半導體材料的原子定向到籽晶一樣的晶體結構。實際結果是籽晶的定向在生長的晶體中傳播。在熔融物中的攙雜原子進入生長的晶體中,生成N型或P型晶體。 

                   為了實現均勻摻雜、完美晶體和直徑控制,籽晶和坩堝(伴隨著拉速)在整個晶體生長過程中是以相反的方向旋轉的。工藝控制需要一套復雜的反饋系統,綜合轉速、拉速及熔融物溫度參數。 

                   拉晶分三段,開始放肩形成一薄層頭部,接著是等徑生長,最后是收尾。直拉法能夠生成幾英尺長和直徑大到十二英寸或更多的晶體。200毫米晶圓的晶體將會重達450磅,需要花費三天時間生長。

                2.液體掩蓋直拉法(LEC)

                液體掩蓋直拉法2用來生長砷化鎵晶體。實質上它和標準的直拉法(CZ)一樣,但為砷化鎵做了重要改進。由于熔融物里砷的揮發性,改進是必須的。在晶體生長的溫度條件下,鎵和砷起反應,砷會揮發出來造成不均勻的晶體。 

                對這個問題有兩個解決辦法。一個是給單晶爐加壓來抑制砷的揮發,另一個是液體掩蓋直拉法工藝(圖3.9)。液體掩蓋直拉法使用一層氧化硼(B2O3)漂浮在熔融物上面來抑制砷的揮發。在這個方法中,單晶爐里需要大約一個大氣壓。

                3.區熔法 晶體生長方式概述

                區熔法晶體生長2是在本文中介紹的技術歷史上早期發展起來的幾種工藝之一,仍然在特殊需要中使用。直拉法的一個缺點是坩堝中的氧進入到晶體中,對于有些器件,高水平的氧是不能接受的。對于這些特殊情況,晶體必須用區熔法技術來生長以獲得低氧含量晶體。 

                區熔法晶體生長(圖3.10)需要一根多晶棒和澆鑄在模子里的摻雜物。籽晶熔合到棒的一端。夾持器裝在單晶爐里。當高頻線圈加熱多晶棒和籽晶的界面時,多晶到單晶的轉變開始了。線圈沿著多晶棒的軸移動,一點點把多晶棒加熱到液相點。在每一個熔化的區域,原子排列成末端籽晶的方向。這樣整個棒以開始籽晶的定向轉變成一個單晶。 

                區熔法晶體生長不能夠象直拉法那樣生長大直徑的單晶,并且晶體有較高的位錯密度,但不需用石英坩堝會生長出低氧含量的高純晶體。低氧晶體可以使用在高功率的晶閘管和整流器。

                三,單晶硅棒加工成單晶硅拋光硅片工藝流程

                加工流程 

                  單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或V型槽處理→切片 

                  倒角→研磨    腐蝕--拋光→清洗→包裝

                   晶棒成長工序:它又可細分為: 

                     1)、融化(Melt Down):將塊狀的高純度復晶硅置于石英坩鍋內,加熱到其熔點1420°C以上,使其完全融化。

                     2)、頸部成長(Neck Growth):待硅融漿的溫度穩定之后,將〈1.0.0〉方向的晶種慢慢插入其中,接著將晶種慢慢往上提升,使其直徑縮小到一定尺寸(一般約6mm左右),維持此直徑并拉長100-200mm,以消除晶種內的晶粒排列取向差異。 

                     3)、晶冠成長(Crown Growth):頸部成長完成后,慢慢降低提升速度和溫度,使頸部直徑逐漸加大到所需尺寸(如5、6、8、12吋等)。 

                     4)、晶體成長(Body Growth):不斷調整提升速度和融煉溫度,維持固定的晶棒直徑,只到晶棒長度達到預定值。 

                     5)、尾部成長(Tail Growth):當晶棒長度達到預定值后再逐漸加快提升速度并提高融煉溫度,使晶棒直徑逐漸變小,以避免因熱應力造成排差和滑移等現象產生,最終使晶棒與液面完全分離。到此即得到一根完整的晶棒。

                  1.切斷:目的是切除單晶硅棒的頭部、尾部及超出客戶規格的部分,將單晶硅棒分段成切片設備可以處理的長度,切取試片測量單晶硅棒的電阻率含氧量。 

                  切斷的設備:內園切割機或外園切割機 

                  切斷用主要進口材料:刀片 

                  2.外徑磨削:由于單晶硅棒的外徑表面并不平整且直徑也比最終拋光晶片所規定的直徑規格大,通過外徑滾磨可以獲得較為精確的直徑。在晶體生長過程中,整個晶體長度中直徑有偏差(圖3.14)。晶圓制造過程有各種各樣的晶圓固定器和自動設備,需要嚴格的直徑控制以減少晶圓翹曲和破碎。 

                直徑滾磨是在一個無中心的滾磨機上進行的機械操作。機器滾磨晶體到合適的直徑,無需用一個固定的中心點夾持晶體在車床型的滾磨機上。

                  外徑滾磨的設備:磨床

                    晶體定向,電導率和電阻率檢查

                在晶體提交到下一步晶體準備前,必須要確定晶體是否達到定向和電阻率的規格要求。 

                晶體定向是由X射線衍射或平行光衍射來確定的。在兩種方法中,晶體的一端都要被腐蝕或拋光以去除損傷層。下一步晶體被安放在衍射儀上,X射線或平行光反射晶體表面到成像板(X射線)或成像屏(平行光)。在成像板或成像屏上的圖案顯示晶體的晶面(晶向)。 

                許多晶體生長時有意偏離重要的<100>和<100>晶面一點角度。這些偏晶向在晶圓制造過程中會帶來很多好處,特別是在離子注入工藝中,原因會在工藝應用章中涉及到。 

                晶棒粘放在一個切割塊上來保證晶圓從晶體正確的晶向切割。 

                由于晶體是經過摻雜的,一個重要的電學性能檢查是導電類型(N或P)來保證使用了正確的摻雜物。熱點探測儀連接到極性儀用來在晶體中產生空穴或電子(和類型相關),在極性儀上顯示導電類型。 

                進入晶體的摻雜物的數量由電阻率測量來確定,使用四探針儀。

                由于在晶體生長工藝中摻雜量的變異,電阻率要延著晶體的軸向測量。這種變異導致晶圓進入幾個電阻率規格范圍。在后面的工序,晶圓將根據電阻率范圍分組來達到客戶的規格要求。

                  3.平邊或V型槽處理:即滾磨定向指示         一旦晶體在切割塊上定好晶向,就沿著軸滾磨出一個參考面。這個參考面將會在每個晶圓上出現,叫做主參考面。參考面的位置延著一個重要的晶面,這是通過晶體定向檢查來確定的。 在制造工藝中,參考面對晶向起可見的參考作用。它用來放置第一步的光刻圖案掩膜版,所以芯片的晶向總是沿著一個重要的晶面。 

                在許多晶體中,在邊緣有第二個較小的參考面。第二個參考面對于主參考面的位置是一種代碼,它不僅用來區別晶圓晶向而且區別導電類型。 

                對于大直徑的晶圓,在晶體上滾磨出一個缺口來指示晶向。   指方位及指定加工,用以單晶硅捧上的特定結晶方向平邊或V型。 

                  處理的設備:磨床及X-RAY繞射儀。 

                  4.切片:指將單晶硅棒切成具有精確幾何尺寸的薄晶片。 用有金剛石涂層的內圓刀片把晶圓從晶體上切下來(圖3.18)。這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片。圓孔的內緣是切割邊緣,用金剛石涂層。內圓刀片有硬度,但不用非常厚。這些因素減少刀口(切割寬度)尺寸,也就減少一定數量的晶體被切割工藝所浪費。 

                對于300毫米直徑的晶圓,使用線切割來保證小錐度的平整表面和最少量的刀口損失。 

                  切片的設備:內園切割機或線切割機

                    晶圓刻號

                大面積的晶圓代在晶圓制造工藝中有高價值,區別它們是防止誤操作所必需的,并且可以保持精確的可追溯性。使用條形碼和數字矩陣碼(圖3.19)的激光刻號被采用了。3對300毫米的晶圓,激光點是一致認同的方法。

                  5.倒角或圓邊(Edge Profiling)::指將切割成的晶片稅利邊修整成圓弧形,防止晶片邊緣破裂及晶格缺陷產生,增加磊晶層及光阻層的平坦度。 

                  倒角的主要設備:倒角機 

                  6.研磨:指通過研磨能除去切片和輪磨所造的鋸痕及表面損傷層,有效改善單晶硅片的曲度、平坦度與平行度,達到一個拋光過程可以處理的規格。 半導體晶圓的表面要規則,且沒有切割損傷,并要完全平整。第一個要求來自于很小尺度的制造器件的表面和次表面層。它們的尺度在0.5到2微米之間。為了獲得半導體器件相對尺寸的概念,想象圖3.20的剖面和房子一樣高,大概8英尺,在那個范圍內,在晶圓的工作層都存在頂部一到二英寸或更小的區域。 

                平整度是小尺寸圖案是絕對的必要條件。先進的光刻工藝把所需的圖案投影到晶圓表面,如果表面不平,投影將會扭曲就象電影圖像在不平的銀幕上沒法聚焦一樣。

                  研磨的設備:研磨機(雙面研磨) 

                  主要原料:研磨漿料(主要成份為氧化鋁,鉻砂,水),滑浮液。 

                  7.腐蝕:指經切片及研磨等機械加工后,晶片表面受加工應力而形成的損傷層,通常采用化學腐蝕去除。 

                  腐蝕的方式: (A)酸性腐蝕,是最普遍被采用的。酸性腐蝕液由硝酸(HNO3),氫氟酸(HF),及一些緩沖酸(CH3COCH,H3PO4)組成。 

                       。˙)堿性腐蝕,堿性腐蝕液由KOH或NaOH加純水組成。

                   8.拋光:指單晶硅片表面需要改善微缺陷,從而獲得高平坦度晶片的拋光。 最終的拋光步驟是一個化學腐蝕和機械磨擦的結合。晶圓裝在旋轉的拋光頭上,下降到拋光墊的表面以相反的方向旋轉。拋光墊材料通常是有填充物的聚亞安酯鑄件切片或聚氨酯涂層的無紡布。二氧化硅拋光液懸浮在適度的含氫氧化鉀或氨水的腐蝕液中,滴到拋光墊上。 

                堿性拋光液在晶圓表面生成一薄層二氧化硅。拋光墊機以持續的機械磨擦作用去除氧化物,晶圓表面的高點被去除掉,直到獲得特別平整的表面。如果一個半導體晶圓的表面擴大到10000英尺(飛機場跑道的長度),在總長度中將會有正負2英寸的平整度偏差。 

                獲得極好平整度需要規格和控制拋光時間、晶圓和拋光墊上的壓力、旋轉速度、拋光液顆粒尺寸、拋光液流速、拋光液的PH值、拋光墊材料和條件。 

                化學機械拋光是業界發展起來的制造大直徑晶圓的技術之一。在晶圓制造工藝中,新層的建立會產生不平的表面,使用CMP以平整晶體表面。在這個應用中,CMP被翻譯成化學機械平面化(Planarization)。

                    背處理

                在許多情況下,只是晶圓的正面經過充分的化學機械拋光。背面留下從粗糙或腐蝕到光亮的外觀。對于某些器件的使用,背面可能會受到特殊的處理導致晶體缺陷,叫做背損傷。背損傷產生位錯的生長輻射進入晶圓,這些位錯起象是陷阱,俘獲在制造工藝中引入的可移動金屬離子污染。這個俘獲現象又叫做吸雜。背面噴沙是一種標準的技術,其它的方法包括背面多晶層或氮化硅的淀積。

                    雙面拋光

                對大直徑晶圓許多要求之一是平整和平行的表面。許多300毫米晶圓的制造采用了雙面拋光,以獲得局部平整度在25&acute;25毫米測量面時小于0.25微米到0.18微米的規格要求。4缺點是在后面的工序中必須使用不劃傷和不污染背面的操作技術。

                  拋光的設備:多片式拋光機,單片式拋光機。 

                  拋光的方式:粗拋:主要作用去除損傷層,一般去除量約在10-20um; 

                        精拋:主要作用改善晶片表面的微粗糙程度,一般去除量1um以下 

                  主要原料:拋光液由具有SiO2的微細懸硅酸膠及NaOH(或KOH或NH4OH)組成,分為粗拋漿和精拋漿。 

                  9.清洗:在單晶硅片加工過程中很多步驟需要用到清洗,這里的清洗主要是拋光后的最終清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源! 

                  清洗的方式:主要是傳統的RCA濕式化學洗凈技術。 

                  主要原料:H2SO4,H2O2,HF,NH4HOH,HCL

                     晶圓評估

                在包裝以前,需要根據用戶指定的一些參數對晶圓(或樣品)進行檢查。主要的考慮是表面問題如顆粒,污染和霧。這些問題能夠用強光或自動檢查設備來檢測出。

                      氧化

                晶圓在發貨到客戶之前可以進行氧化。氧化層用以保護晶圓表面,防止在運輸過程中的劃傷和污染。許多公司從氧化開始晶圓制造工藝,購買有氧化層的晶圓就節省了一個生產步驟。

                      包裝

                雖然花費了許多努力生產高質量和潔凈的晶圓,但從包裝方法本身來說,在運輸到客戶的過程中,這些品質會喪失或變差。所以,對潔凈的和保護性的包裝有非常嚴格的要求。包裝材料是無靜電、不產生顆粒的材料,并且設備和操作工要接地,放掉吸引小顆粒的靜電。晶圓包裝要在潔凈室里進行。

                      晶圓外延

                盡管起始晶圓的質量很高,但對于形成互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件而言還是不夠的,這些器件需要一層外延層。許多大晶圓供應商有能力在供貨前對晶圓外延。 

                     損耗產生的原因 

                   多晶硅--單晶硅棒 

                  多晶硅加工成單晶硅棒過程中:如產生損耗是重摻堝底料、頭尾料則無法再利用,只能當成冶金行業如煉鐵、煉鋁等用作添加劑;如產生損耗是非重摻堝底料、頭尾料可利用制成低檔次的硅產品,此部分應按邊角料征稅。 

                  重摻料是指將多晶硅原料及接近飽和量的雜質(種類有硼,磷,銻,砷。雜質的種類依電阻的N或P型)放入石英坩堝內溶化而成的料。 

                  重摻料主要用于生產低電阻率(電阻率<0.011歐姆/厘米)的硅片。 

                  損耗:單晶拉制完畢后的堝底料約15%。

                四,晶體定向研究

                對于一個晶圓,除了要有單晶結構之外,還需要有特定的晶向(crystal orientation)。通過切割如圖3.4的單晶塊可以想象這個概念。在垂直平面上切割將會暴露一組平面,而角對角切割將會暴露一個不同的平面。每個平面是獨一無二的,不同在于原子數和原子間的結合能。每個平面具有不同的化學、電學和物理特性,這些特性將賦予晶圓。晶圓要求特定的晶體定向。 

                晶面通過一系列稱為密勒指數的三個數字組合來表示。如圖3.5有兩個簡單的立方晶胞嵌套在XYZ坐標中。兩個在硅晶圓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,括弧表示這三個數是密勒指數。 

                <100>晶向的晶圓用來制造MOS器件和電路,而<111>晶向的晶圓用來制造雙極型器件和電路。砷化鎵晶體只能沿<100>晶面切割。 

                注意在<100>晶面有一個正方形,而<111>晶面有一個三角形。當晶圓破碎時這些定向會如圖3.6展現出來。<100>晶向的晶圓碎成四方形或正好90度角破裂。<111>晶向的晶圓碎成三角形。

                晶體定向是由X射線衍射或平行光衍射來確定的。在兩種方法中,晶體的一端都要被腐蝕或拋光以去除損傷層。下一步晶體被安放在衍射儀上,X射線或平行光反射晶體表面到成像板(X射線)或成像屏(平行光)。在成像板或成像屏上的圖案顯示晶體的晶面(晶向)。 

                許多晶體生長時有意偏離重要的<100>和<100>晶面一點角度。這些偏晶向在晶圓制造過程中會帶來很多好處,特別是在離子注入工藝中,原因會在工藝應用章中涉及到。 

                晶棒粘放在一個切割塊上來保證晶圓從晶體正確的晶向切割。

                五,晶體和晶圓質量

                半導體器件需要高度的晶體完美。但是即使使用了最成熟的技術,完美的晶體還是得不到的。不完美,叫做晶體缺陷,會產生不平均的二氧化硅膜生長、差的外延膜的淀積、晶圓里不均勻的摻雜層及其它問題而導致工藝問題。在完成的器件中,晶體缺陷會引起有害的電流漏出,可能阻止器件在正常電壓下工作。有三類重要的晶體缺陷: 

                1. 點缺陷 

                2. 位錯 

                3. 原生缺陷

                點缺陷

                點缺陷的來源有兩類。一類來源是由晶體里雜質原子擠壓晶體結構引起應力所致;第二類來源稱為空位,在這種情況下,有某個原子在晶體結構的位置上缺失了。 

                空位是一種發生在每一個晶體里的自然現象。不幸的是空位無論在晶體或晶圓加熱和冷卻都會發生,例如在制造工藝過程中。減少空位是低溫工藝背后的一個推動力。

                位錯

                位錯是在單晶里一組晶胞排錯位置。這可以想象成在一堆整齊排列的方糖中有一個排列和其它的發生了微小的偏差。 

                位錯在晶圓里的發生由于晶體生長條件和晶體里晶格應力,也會由于制造過程中的物理損壞。碎片或崩邊成為晶格應力點會,產生一條位錯線,隨著后面的高溫工藝擴展到晶圓內部。位錯能通過表面一種特殊的腐蝕顯示出來。典型的晶圓具有每平方厘米200到1000的位錯密度。 

                腐蝕出的位錯出現在晶圓的表面上,形狀代表了它們的晶向。<111>的晶圓腐蝕出三角形的位錯,<100>的晶圓出現方形的腐蝕坑。

                原生缺陷

                在晶體生長中,一定的條件會導致結構缺陷。有一種叫滑移,參考圖3.13沿著晶體平面的晶體滑移。另一個問題是孿晶,這是一個從同一界面生長出兩種不同方向晶體的情形。這兩種缺陷都是晶體報廢的原因。


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