Nanotechnology Review

Nanotechnology PPT Review

Author: JIANG, Feiyu

First Part

Topic 1-2: Silicon Wafer Manufactur 硅片制造

Part I: overall

1. Why silicon for integrated circuits?

- Cheap and abundant 便宜而丰富
- Has a suitable bandgap 具有适合的带隙
- Room temperature device operation 室温下设备运行
- Conductivity controlled by doping 电导率由掺杂控制
- $SiO_2$ is a strong and stable dielectric insulator $SiO_2$ 是一种强而稳定的介电绝缘体

2. Crystallinit of silicon 硅的结晶度

Wafers are produced by one of two processes: Czochralski (CZ) growth or Float zone growth.

3. Silicon and GaAs(砷化镓) wafers

Starting material	SiSiO2\frac{Si}{SiO_2}SiO2Si	GaAsGa,As\frac{GaAs}{Ga, As}Ga,AsGaAs
$<======$	Distillation and reduction [1]	Synthesis[2]
Polycrystalline semiconductor[3]
$<======$	Crystal growth[4]	Crystal growth
Single crystal[5]
$<======$	Grind, saw polish[6]	Grind, saw polish
Wafer[7]

在制备硅晶圆的过程中，首先需要制备出多晶硅作为起始材料。这个过程称为"Distillation and reduction"，通常使用高温下的化学反应来将硅源物（通常是硅石）转化成多晶硅.

[1] 在制备硅晶圆的过程中，首先需要制备出多晶硅作为起始材料。通常使用高温下的化学反应来将硅源物（通常是硅石）转化成多晶硅.

[2] 在制备砷化镓晶圆的过程中，需要制备多晶砷化镓作为起始材料。这个过程称为"Synthesis"，通常使用高温下的气相反应或溶液反应来制备多晶砷化镓。

[3] 晶圆在生长过程中处于多晶状态，晶粒还没有完全结晶形成单晶.

[4] 晶圆的单晶生长过程.

[5] 晶圆处于单晶状态，已经完全结晶.

[6] 晶圆生长后，需要将其切割成薄片，然后进行研磨和抛光处理，以便在制造芯片之前，得到平滑的晶圆表面.

[7] 最终的晶圆制备完成，可以用于制造集成电路芯片等各种半导体器件.

4. MGS & EGS 硅的纯化

1. 将自然氧化硅转化为冶金级硅.

• 分离Si和SiO2SiO_2SiO2

2. 将冶金级硅到电子级硅.

• 这是指将细碎的冶金级硅（MG-Si）与气态氯化氢反应，生成气态三氯化硅（SiHCl3）和氢气（H2）的化学反应。
  Si 3HCl⇌SiHCl3 H2Si 3HCl \rightleftharpoons SiHCl_3 H_2Si 3HCl⇌SiHCl3 H2
  Si 4HCl⇌SiHCl4 2H2Si 4HCl \rightleftharpoons SiHCl_4 2H_2Si 4HCl⇌SiHCl4 2H2
• 将SiHCl3SiHCl_3SiHCl3分离：通过蒸馏气态三氯化硅（SiHCl3），可以去除其中的杂质。在这个过程中，气态三氯化硅会被加热至其沸点，然后凝结成为液态。因为不同物质的沸点不同，这个过程可以将三氯化硅中的杂质与硅分离开来。最终可以得到相对纯净的硅材料，用于电子工业等领域的生产。
• CVD of polycrystalline: 提取出Polycrystalline Silicon.
  SiHCl3(gas) 3H2(gas)⇌Si(solid) 3HCl(gas)SiHCl_3(gas) 3H_2(gas) \rightleftharpoons Si(solid) 3HCl(gas)SiHCl3(gas) 3H2(gas)⇌Si(solid) 3HCl(gas)

3. Electronic Grade Silicon to Wafers(见PartII & PartIII)

5. Post-growth Wafer Preparation

1. Removing of Seed ends: 使用机械锯切掉晶棒两端的部分，这些部分通常存在很多缺陷和杂质，无法用于芯片加工。但它们通常足够纯净，可以进行再生长或作为MGS出售。

2. Surfacing Grinding:指对晶锭表面进行研磨，以确定其直径，进而确定硅片的直径。晶棒的生长过程无法保持足够的准确度或圆度，因此它们通常会略微超尺寸生长，以便在研磨过程中确定直径。

3. Flat Grinding: 指沿着晶锭长度切割平坦的边缘。其中最大的边缘称为主平面（或主要平面），通过X射线方法预定晶体的方向。主平面用于自动处理设备中的机械定位器，并将器件定向相对于晶体。次级平面用于确定方向和导电类型。在{111} n型和{111} p型晶片中，主平面呈三角形；在{100} n型和{100} p型晶片中，主平面呈正方形或长方形。

4. Wet_etch湿法刻蚀

• 主要目的： 调整表面粗糙度
• 主要试剂：HNO3,CH3COOHHNO_3, CH_3COOHHNO3,CH3COOH

Part II: Czochralski (CZ) growth

CZ生长是一种常用的半导体单晶生长技术，它可以生长出高纯度、高品质的单晶材料。

在CZ生长过程中，熔体会在晶体种子的表面形成一个固定的结晶界面。随着晶体种子的旋转和拉升，晶体材料也会随之生长。同时，可以通过控制熔体的温度和化学成分来实现材料的掺杂，从而生长出特定性质的半导体材料。

Czochralski (CZ) Process

1. Pulling

The charge contains pieces of melted poly-Si. A “seed” crystal of appropriate crystal orientation is dipped in the melt and slowly withdrawn Atoms will grow on the cooler pulled material.

Initially withdrawn rapidly (12-25cm/hour)→ narrow neck forms, free from macroscopic defects.

Pull rate is then reduced to 5-10 cm/hour → diameter increases to produce body of the “boule”. Boules currently up to 300mm (12”) in diameter.

2.Doping

1. Assumptions:

• 杂质在熔体中是均匀分布的。
• 杂质在凝固的晶体中不会扩散。
• 固液界面处的杂质浓度与熔体中的浓度相同。

2. k0=Csd(t)Cmd(t)<1.0k_0 = \frac{C_{sd}(t)}{C_{md}(t)}<1.0k0=Cmd(t)Csd(t)<1.0

• k0 = 平衡偏析系数
• Csd(t)C_{sd}(t)Csd(t) = 固相掺杂浓度的平衡浓度 (equilibrium concentration of dopant in solid)
• Cmd(t)C_{md}(t)Cmd(t) = 熔体中掺杂物的平衡浓度 (equilibrium concentration of dopant in the melt)
• k0k_0k0值小于1说明杂质更喜欢留在熔体中，而不是扩散到晶体中。理论上平衡偏析系数k0越接近于1，掺杂物在固体和液体之间的分配就会越均匀。
• 在多晶硅的生长过程中，掺杂物在熔体和固体之间会发生偏析，即掺杂物在熔体和固体之间的分配比例不同，这会导致固体中掺杂物的浓度分布不均。如果平衡偏析系数k0大于1，那么掺杂物更倾向于停留在熔体中，而不是被扩散到固体中，导致固体中的掺杂物浓度低于熔体中的浓度，从而使得掺杂不均匀。

(不同掺杂剂的K值)

3. 如何进行掺杂以保持固体中的均匀分布？

• Challenge: How should doping proceed in order to maintain a uniform distribution in the solid?

• Method: Determine Csd(t)C_{sd}(t)Csd(t), the doping concentration in the solid over time.

• Solution: We want Csd(t)C_{sd}(t)Csd(t) as a function of things that are measureable. These are the weight of the melt and the weight of the solid.

• Define:

  • Wm0W_{m0}Wm0 = Initial weight of the melt in grams. 初始熔融体质量
  • Wmd(t)W_{md}(t)Wmd(t) = Weight of dopant in the melt over time. 随时间变化的熔融体中杂质的质量
  • Ws(t)W_s(t)Ws(t) = Weight of the solid crystal over time. 随时间变化的固态晶体的质量
  • Cm0C_{m0}Cm0 = Initial doping concentration of the melt. (weight of the dopant per gram of melt). 初始熔体中的掺杂浓度
  • Csd(t)C_{sd}(t)Csd(t) = Dopant concentration in the solid over time. 随时间变化的固态中的杂质浓度
  • Cmd(t)C_{md}(t)Cmd(t) = Dopant concentration in the melt over time 随时间变化的熔体中的杂质浓度

• Claculations:
  Given:

  k0=Csd(t)Cmd(t)(1)k_0 = \frac{C_{sd}(t)}{C_{md}(t)} (1)k0=Cmd(t)Csd(t)(1)

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