晶体材料|晶体生长及晶圆制备的那些事( 二 )

液体掩盖直拉法(LEC):其和上述的直拉法一样,只不过其是用来生长砷化镓晶体。由于熔融物中的砷具有挥发性,在晶体生长过程中挥发出的砷会造成不均匀的晶体。有两种解决办法,一个是给单晶炉加压来抑制砷的挥发,另一个就是在熔融物表面加上一层氧化硼(B2O3)来抑制砷的挥发。
区熔法
区熔法晶体生长是早期发展起来的几种工艺之一,仍在一些特殊需求中使用。直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中,对于有些器件高浓度的氧是不能接受的,此时可以用区熔法来获得低的氧含量。

晶体材料|晶体生长及晶圆制备的那些事
文章插图
区熔法晶体生长需要一根多晶棒和浇铸在模具中的掺杂物。籽晶融合到棒的一端,夹持器装在单晶炉中,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,将多晶棒加热到液相,在每一个熔融区,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单晶。
晶体缺陷
晶体是不完美的,我们一般称之为晶体缺陷,在半导体器件中,晶体缺陷会引起有害的漏电流,可能会阻止器件的正常工作。晶体缺陷大致分为 点缺陷、 位错和 原生缺陷。
点缺陷
来源有两类,一类来源是由晶体中杂质原子挤压晶体结构引起应力所致;一类来源于空位,在这种情况下,有某个原子在晶体结构的位置上缺失了。
位错
位错是在单晶中一组晶胞排错位置;位错在晶圆中发生是由于晶体生长条件和晶体内的晶格应力,也可能是由于制造过程中的物理损坏。碎片或崩边成为晶格应力的交点会产生一条位错线,随着后面的高温工艺扩展到晶圆内部。位错可以通过一种特殊腐蚀手段显示出来,典型的晶圆具有200~1000的位错密度。
原生缺陷
在晶体生长中,一定的条件会导致结构缺陷,有一种缺陷叫滑移,即沿着晶体平面产生的晶体滑移;另一种叫孪晶,即同一界面生长出两种不同方向晶体的情形。这两种缺陷都是造成晶体报废的主要原因。
晶圆处理
截断
晶体从单晶炉里出来之后,第一步就是截掉头尾。
直径滚磨
在晶体生长过程中,整个晶体长度中是有偏差的,晶圆制造过程中有各种各样的晶圆固定器和自动设备,需要严格的直径控制以减少晶圆翘曲和破碎。直径滚磨是在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作。
晶体定向、电导率和电阻率检查
要确保晶体是否达到定向和电阻率的规格要求。晶体定向是由X射线衍射或者平行光衍射来确定的,晶体的一端被腐蚀或抛光来去除损伤层,再将晶体安放到衍射仪上,X涉嫌或平行光反射晶体表面到成像板上,从而可以看到晶体的晶向。晶棒黏放在一个切割块上来保证晶圆从晶体正确的晶向切割。
由于晶体是经过掺杂的,一个重要的电学性能检查是导电类型(N型或者P型),以保证使用了正确的掺杂物。而进入晶体的掺杂物数量由电阻率测量来确定。
滚磨定向
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,这个参考面将会在每个晶圆上出现,称之为主参考面。对于更大直径的晶圆,在晶体上磨出一个槽用来标识晶圆的晶向,有些情况下在晶体上磨出一个简单的凹槽来作为生产晶向的定位。
切片
用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶棒上切下来,这些刀片是中心有圆孔的薄圆钢片。对于大直径的晶圆使用线切割可以保证小锥度的平整表面和最少量的刀口损失。
磨片
半导体晶圆的表面要规则没有切割损伤,并且要平整,平整度是小尺寸图片绝对必须的条件,先进的光刻工艺把所需的图案投影到晶圆表面,如果表面不平整,将会发生扭曲。
为了保证晶圆的平整度,一般分为磨片和化学机械抛光,磨片的主要目的是为了去除切片工艺残留的表面损伤。化学机械抛光是以碱性抛光液在晶圆表面形成一层薄的二氧化硅,抛光垫以持续的机械摩擦来去除氧化物,这样晶圆表面的高点被除掉,直到获得特别平整的表面。
背面处理
在许多情况下,晶圆的正面经过充分的化学机械抛光,而背面留下粗糙或者腐蚀到光亮的外观。对于某些器件的使用,背面可能会收到特殊的处理而导致缺陷,我们称之为背损伤,背损伤产生位错的生长辐射进入晶圆,这些位错现象属于陷阱,会俘获制造工艺中引入的可移动金属离子污染,我们将俘获的过程叫吸杂。一般背面处理技术有背面喷沙,背面多晶层或氮化硅的沉淀等。