Влияние качества кремниевых пластин на производительность и надежность полупроводников

1 Введение

Рынок полупроводников продолжает расти по мере восстановления экономики. Появляющиеся приложения, такие как 5G и транспортные средства на новых источниках энергии, вызывают новый виток роста мировой полупроводниковой промышленности. Данные Всемирной статистической организации по торговле полупроводниками (WSTS) показывают, что объем мирового рынка полупроводников в 2022 году вырастет на 3,3 % по сравнению с предыдущим годом и достигнет рекордной отметки в 574 миллиарда долларов.

Как базовый материал для полупроводниковых чипов, индустрия кремниевых пластин также будет развиваться высокими темпами. В рамках восстановления спроса на потребительскую электронику и роста спроса на вспышки искусственного интеллекта, производство 12-дюймовых пластин во второй половине 2023 года постепенно восстанавливается. При ускоренном развитии ведущих предприятий и постепенном восстановлении конечного спроса сегмент будет демонстрировать двузначный рост в 2024 году.

Являясь важнейшим базовым материалом в производстве полупроводников, качество кристаллической решетки кремниевых пластин (рис. 1) напрямую влияет на свойства готового полупроводникового устройства. Влияние качества кристаллической решетки и дефектов границ зерен на подвижность электронов в кремниевых пластинах напрямую влияет на скорость и энергопотребление устройства и может увеличить ток утечки устройства. Плоскостность и степень загрязнения поверхности кремниевой пластины могут оказывать значительное влияние на такие ключевые этапы, как литография, осаждение тонких пленок и травление. Примеси и легирование в кремниевых пластинах могут приводить к увеличению захвата электронов, сокращению времени жизни носителей и дрейфу параметров устройства. Кроме того, во время подготовки и последующей обработки кремниевых пластин могут возникать температурные напряжения и напряжения давления, которые влияют на механическую стабильность и электрические свойства кристаллов.

2 Ключевые факторы, определяющие качество кремниевых пластин

2.1 Кристаллическая структура: Чистота монокристаллического кремния, дефекты кристаллов

Ключевыми факторами, определяющими качество кремниевых пластин с точки зрения кристаллической структуры, чаще всего называют чистоту кристаллов и дефекты кристаллов.

1. Кристаллическая чистота: Чистота монокристаллического кремния имеет решающее значение для его электрических свойств. Обычный промышленный кремний (99,0-99,9%) не обладает полупроводниковыми свойствами, но при очистке до очень высокой чистоты (99,999999999%) он демонстрирует отличные полупроводниковые свойства. Высококачественный монокристаллический кремний обычно достигает 99,999999999% (9 из 9) или более на электронном уровне.

2. Кристаллографические дефекты: Реальная кристаллическая пространственная решетка и идеальная пространственная решетка отличаются, так как они не могут быть приведены к абсолютному идеальному регулярному периодическому расположению (рис. 2). Вместо этого в расположении присутствуют неровности и аберрации, отклонения от идеального пространственного массива. Такие структуры или области, отклоняющиеся от матрицы, принято называть дефектами кристалла.

Среди них дислокация - очень важный дефект кристалла. Дислокация в кристалле - это очень длинная линия, вокруг которой атомы в определенном диапазоне регулярно смещаются, покидая свое первоначальное равновесное положение, поэтому она называется дислокацией.

2.2 Качество поверхности: Плоскостность, шероховатость, загрязнение частицами

1. Загрязнение поверхности: Этот дефект относится к посторонним веществам, таким как пыль, частицы и загрязняющие вещества, прикрепленные к поверхности пластины, которые образуются из мусора, образующегося в процессах резки, полировки, очистки, травления и т. д., или пыли в воздухе, или остатков химических реагентов. Эти излишки влияют на плоскостность и чистоту полупроводниковой пластины, а также на качество последующих процессов литографии, легирования и других, что может привести к дефектам в структуре интегральной схемы или изменению электрических характеристик чипа.

2. Механические повреждения: Этот дефект относится к поверхности или краю пластины царапины, сколы, отслоение и другие явления, в пластины резки, полировки, обработки и других процессов, порожденных ударов или трения, или качество лезвия или параметры несоответствующей может привести к снижению плоскостности поверхности. Эти механические повреждения влияют на целостность и стабильность пластины и могут привести к поломке или отсоединению чипа.

2.3 Точность размеров: Диаметр пластины, толщина, коробление

Размер и толщина пластин выбираются не произвольно, а на основе технологических требований и физических свойств. Когда размер пластины становится больше, толщина пластины соответственно увеличивается, чтобы сохранить ее механическую прочность и деформацию, избежав при этом повреждений из-за напряжения или изгиба во время обработки. В процессе производства пластины подвергаются различным физическим и химическим обработкам, включая травление, ионную имплантацию, окисление, диффузию и т. д. В результате этих процессов пластины могут подвергаться механическим нагрузкам, а если пластина слишком тонкая, она может сломаться или разломаться. Во время обработки пластины необходимо обрабатывать и позиционировать. Если пластина слишком тонкая, она может согнуться, что повлияет на точность обработки.

3 Как факторы качества кремниевых пластин влияют на производительность полупроводниковых приборов

3.1 Кристаллическая структура, дефекты кристаллической решетки

Наиболее распространенные дислокации в дефектах кристаллической решетки оказывают значительное влияние на электрические свойства монокристаллов кремния. Например, дислокации влияют на удельное сопротивление и концентрацию носителей, сокращают время жизни минорных носителей и снижают подвижность электронов.

1. Эффект удельного сопротивления: Дислокации создают локализованные поля напряжений и неоднородности в кристалле, что приводит к увеличению рассеяния электронов и дырок. Это рассеяние приводит к блокировке миграции носителей, что увеличивает удельное сопротивление материала.

2. Эффекты концентрации носителей: Дислокации могут вводить дополнительные примесные атомы или изменять расположение атомов в решетке, тем самым изменяя концентрацию носителей в полупроводниковом материале. Например, локализованное поле напряжения вблизи дислокации может вызвать смещение или деформацию положения атомов, что, в свою очередь, влияет на генерацию и подавление носителей.

3. Сокращение времени жизни минорных носителей: Дислокации увеличивают сложность носителей в материале. В полупроводниках усложнение носителей приводит к сокращению времени жизни минорных носителей (например, электронов или дырок в пределах диффузионной длины минорных носителей). Локализованное поле напряжений и неоднородность, вносимые дислокациями, могут усиливать взаимодействие носителей и способствовать процессу компаундирования.

4. Снижение подвижности электронов: Дислокации вызывают искажения и неоднородности в кристаллической решетке, что может привести к затруднению движения носителей внутри кристалла. Особенно это касается электронов, которые рассеиваются в решетке из-за дефектов, таких как дислокации и границы зерен, что снижает подвижность электронов.

3.2 Плоскостность поверхности

Плоскостность поверхности кремниевой пластины оказывает каскадное влияние на полупроводниковые приборы. Она не только непосредственно влияет на качество контактной поверхности при контакте с другими материалами или устройствами, такими как металлические электроды и упаковочные материалы. Качество контактной поверхности напрямую влияет на величину контактного сопротивления, а неровная контактная поверхность под воздействием внешних сил, вызывающих различные изменения данных, также скажется на производительности и надежности устройства.

Кроме того, плоскостность поверхности кремниевой пластины, загрязнения и другие состояния поверхности также будут влиять на использование фотолитографии и технологии травления для определения структуры. Технология травления и фотолитография часто используются в процессе производства полупроводниковых устройств для гравировки структуры и рисунка устройства, состояние поверхности кремниевой пластины напрямую влияет на точность фотолитографии и травления, качество и равномерность графики, а также форма и размер производимого устройства играют решающую роль.

Кремниевые пластины как важный материал подложки для осаждения тонких пленок, их плоскостность поверхности напрямую влияет на качество пленки, осажденной на поверхность. Дефекты и загрязнения на поверхности кремниевых пластин могут привести к неравномерному осаждению пленки, несоответствию толщины пленки, появлению пузырей, трещин и других дефектов, тем самым влияя на производительность и стабильность устройства.

3.3 Границы зерен и примеси

Удельное сопротивление полупроводника очень чувствительно к количеству содержащихся в нем примесей. Даже крошечные примеси могут серьезно повлиять на электрические свойства кремния, такие как проводимость и подвижность носителей. В частности, некоторые примеси, такие как железо, медь и магний, оказывают большое влияние на электрические свойства. Присутствие примесей может привести к рассеянию электронов и локальным неоднородностям в кристалле, что снижает производительность и надежность устройства. Изменение содержания примесей может вызвать значительные изменения в удельном сопротивлении полупроводниковых материалов. Например, когда концентрация примеси фосфора в кремнии изменяется в диапазоне 1021-1012 см-3, его удельное сопротивление меняется от 10-4 Ом.см до 104 Ом.см. Существует не так много материалов, удельное сопротивление которых может изменяться в таком широком диапазоне, что свидетельствует о том, что содержание примесей в полупроводниках является одним из основных факторов, определяющих их удельное сопротивление.

3.4 Размер пластины, толщина, коробление

В процессе производства, чем больше диаметр кремниевой пластины, тем, несомненно, выгоднее для производителя. При больших размерах и большом диаметре кремниевых пластин можно производить больше чип-устройств, эффективность производства оборудования может быть эффективно улучшена; в то же время край отработанного материала будет уменьшен, чтобы снизить дополнительные расходы; в дополнение к улучшению коэффициента повторного использования оборудования.

Но размер кремниевой пластины не является произвольным решением, он зависит от обрабатывающей способности производственного оборудования, потому что сам материал роль стресса, когда размер пластины увеличивается, его толщина должна быть увеличена соответственно, чтобы сохранить структурную стабильность материала, в противном случае размер большой, тонкой толщины пластины материала искривления будет соответствующее увеличение толщины пластины материала даже появится трещина потери и другие явления.

4 Как качество кремниевых пластин влияет на надежность полупроводников

4.1 Влияние плотности дефектов на срок службы устройства

Срок службы полупроводникового прибора определяется в первую очередь его физическим сроком службы и сроком обслуживания. Под физическим сроком службы понимается время, в течение которого полупроводниковый прибор выходит из строя из-за старения материала или износа при нормальных условиях эксплуатации. Дефекты в кремниевых пластинах могут ускорить процесс старения материала, что приведет к выходу устройства из строя за более короткий срок. В то же время дефекты могут привести к утечке тока, снижению термостабильности и другим проблемам, что еще больше сокращает срок службы устройства.

Срок службы - это время, в течение которого полупроводниковое устройство может быть восстановлено и продолжает нормально работать после выхода из строя. Однако если плотность дефектов в кремниевых пластинах слишком высока, это может затруднить восстановление первоначальных характеристик устройства в процессе ремонта или сделать стоимость ремонта слишком высокой, что приведет к сокращению срока службы.

Дефекты в кремниевых пластинах также влияют на надежность полупроводниковых приборов. Дефекты в кристаллической структуре приводят к удешевлению частиц от идеального положения кристаллической структуры, что приводит к склеиванию в разных положениях и изменению кристаллической структуры, что проявляется в виде неравномерного напряжения, которое может привести к нестабильности или внезапному отказу устройства во время работы, тем самым влияя на стабильность всей электронной системы.

4.2 Взаимосвязь качества подложки с током утечки и пробивным напряжением

Ток утечки - это ток, который не должен протекать в полупроводниковом приборе при нормальном рабочем напряжении. При наличии дефектов в кремниевой пластине, таких как примеси, искажения кристаллической решетки, микротрещины и т.д., эти дефекты, а также примеси, особенно частицы примесей с проводящими свойствами, могут образовывать проводящие каналы, которые заставляют ток протекать там, где он не должен, тем самым создавая ток утечки. Наличие тока утечки не только увеличивает энергопотребление устройства, но и может привести к повышению температуры устройства, что еще больше ухудшает его характеристики и срок службы.

Напряжение пробоя - это максимальное напряжение, которое полупроводниковый прибор может выдержать в нормальных условиях эксплуатации. При превышении этого напряжения в устройстве может произойти пробой, то есть внезапное увеличение тока, что приводит к повреждению устройства. Дефекты в кремниевых пластинах могут снизить напряжение пробоя устройства, поскольку в дефектах может быть концентрация электрических полей или структурная хрупкость, что позволяет устройству выходить из строя при более низких напряжениях. Таким образом, качество кремниевой пластины оказывает значительное влияние на напряжение пробоя.

5 Изготовление кремниевых пластин и контроль качества

5.1 Технология выращивания кристаллов для кремниевых пластин

В настоящее время для выращивания кристаллов кремния обычно используется метод Lift-off. Тигель заполняется кремнием и нагревается так, чтобы температура в тигле поддерживалась на уровне 1685°C. Эта температура примерно на 100°C выше температуры плавления самого кремния, поэтому кремний в тигле находится в расплавленном состоянии. В верхней части тигля находится подъемный стержень, а также механическое устройство, обеспечивающее свободный подъем и вращение подъемного стержня. Небольшой кусочек монокристаллического кремния погружают в тигель, закрепив его в верхней части рычага. Этот монокристалл кремния действует как "затравка" и притягивает окружающие атомы кремния, чтобы они расположились вокруг него и образовали кристалл. Кристалл растет по мере того, как его медленно тянут и вращают, и все части, которые извлекаются, принадлежат одному и тому же монокристаллу. Диаметр большого монокристалла составляет 200 миллиметров, что толще вашей руки. Такой кристалл не имеет ни границ раздела, ни дефектов, и можно сказать, что это самый совершенный монокристалл, который только может создать человек. Чтобы обеспечить чистоту материала и избежать неравномерного зарождения, все операции должны проводиться в вакууме или под защитой инертного газа. Чтобы предотвратить возникновение дислокаций в кристалле, традиционный метод подъема монокристаллического кремния заключается в создании тонкой шейки в начале роста кристаллизации, что называется "методом шейки". Из-за прочности шейки трудно поднимать монокристаллический кремний весом более 100 килограммов. Ученые в затравочный кристалл после добавления значительного количества бора значительно повысили прочность затравочного кристалла, предотвратив дислокацию кристалла, и поэтому больше нет необходимости изготавливать шейку диаметром 3 мм. Этот новый метод заменит использование 30-летнего метода шейки, он не только способен производить крупный монокристаллический кремний, но и может сократить время роста кристалла и улучшить выход, для дешевого производства сверхкрупномасштабных интегральных схем необходимо обеспечить возможность получения крупного монокристаллического кремния.

Рост пластин требует поликремния в печь кварцевый тигель, вакуум, или пройти инертный газ после плавления. После стабилизации расплавленного кремния монокристаллы могут быть вытянуты, а кусочек затравочного кристалла, который уже определил внутреннее направление кристалла, используется в качестве направляющей на поверхности жидкости. Контролируя высоту жидкой поверхности тигля, температуру границы раздела твердое тело-жидкость и скорость вращения затравочного кристалла, кремний превращается из жидкости в твердое тело с равномерным внутренним направлением кристаллизации для выращивания монокристаллов большого диаметра. Процесс автоматической регулировки и скорость подъема контролируются компьютерами, что гарантирует изотропный рост монокристаллического кремния.

5.2 Технология обработки поверхности кремниевых пластин

После резки пластины должны пройти обработку поверхности, чтобы обеспечить плоскостность поверхности пластины и отсутствие загрязнений. Наиболее широко используемыми методами обработки являются фотолитография, травление и т. д. Существуют также некоторые методы очистки, такие как плазменная очистка, которая может не только очистить поверхность пластины, но и улучшить поверхностную активность, улучшить способность сцепления поверхности материала, улучшить способность к сварке, гидрофильность и так далее.

Кроме того, существуют некоторые инновационные методы обработки, такие как помещение пластины в реакционную камеру с реакционным газом; реакция реакционного газа с оксидами на поверхности пластины с образованием продукта реакции; отжиг пластины по меньшей мере дважды для разложения и удаления продукта реакции. Метод обработки поверхности позволяет многократно разлагать продукты реакции, образующиеся в процессе обработки поверхности, путем многократного отжига пластины, и при каждом отжиге продукты реакции разлагаются таким образом, что толщина продуктов реакции продолжает уменьшаться, и в то же время уменьшается трудность разложения продуктов реакции из-за слишком большой толщины продуктов реакции, и затем облегчается разложение продуктов реакции на поверхности пластины, и уменьшается количество раз, когда пластина отжигается в процессе обработки поверхности, и уменьшается количество раз, когда отжигается метод обработки поверхности. Это уменьшает количество остатков продуктов реакции на поверхности пластины в процессе обработки поверхности.

5.3 Методы контроля качества кремниевых пластин

Из-за наличия дефектов на пластинах могут возникать отказы микросхем во время тестирования функциональной целостности всех микросхем на пластине. Инженеры, занимающиеся разработкой микросхем, помечают результаты тестирования различными цветами, чтобы отличить местоположение микросхем. Под воздействием различных производственных процессов на пластине образуются специфические пространственные узоры. Хансен и др. в 1997 году отметили, что дефектные чипы обычно имеют явления агрегации или демонстрируют некоторые систематические узоры, и такие дефектные узоры обычно содержат необходимую информацию об условиях процесса. Карта пластины не только отражает целостность чипа, но и точно описывает информацию о пространственном расположении, соответствующую данным о дефектах. Карта пластин может показать пространственную зависимость по всей пластине, и инженеры, занимающиеся разработкой микросхем, часто могут отследить причину дефектов и решить проблемы, основываясь на типе дефекта. Для образцов пластин с большой площадью, малым размером элементов, низкой плотностью и низкой степенью интеграции траектории литографии можно наблюдать с помощью электронного микроскопа, а обнаружение дефектов может быть выполнено напрямую. Для обнаружения также может использоваться система обработки сигналов изображения, в которой сигнал изображения разлагается на различные частотные поддиапазоны с помощью фильтров, а затем определяются и рассчитываются среднее значение, стандартное отклонение и другие статистические данные, такие как вейвлет-коэффициенты, для обнаружения аномалий.

6 Заключение

Качество кремниевых пластин, являющихся основным материалом для производства полупроводников, напрямую влияет на свойства готовых полупроводниковых приборов. Технологический прогресс в производстве и процессах тестирования привел к постепенному улучшению чистоты и точности кремниевых пластин, которые в будущем будут использоваться в более широком спектре приложений и более точных материалов. Stanford Advanced Materials не только предоставит высококачественные кремниевые пластины, но и обеспечит вас полным комплексом услуг, включая консультации и послепродажное обслуживание.

Похожие статьи:

Арсенид галлия VS. Кремниевая пластина

Рост и прилипание графена к кремниевым пластинам

Ссылки:

[1]Masataka H, Daiki T, Oga N, et al. Экспериментальное исследование влияния концентрации примесей на фононные и электронно-транспортные свойства монокристаллического кремния[J]. Результаты в физике, 2023, 47.

[2]Martin M ,P. P M , Yi S B , et al. Влияние рассеяния по границам зерен на подвижность носителей и термоэлектрические свойства тонких пленок иодида меди с включением теллура[J]. Surfaces and Interfaces, 2023, 41.