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1、硅片标准简介,工艺部,目录,标准化组织SEMI 标准内容SEMI M1-1109,标准化组织,SEMI Semiconductor Equipment and Materials International,国际半导体设备材料产业协会SEMI是一个全全球高科技领域的专业协会，创立于1970年，拥有会员公司2300多家，会员乃从事半导体和平面显示灯方面的研发、生产和技术供应的公司。SEMI(国际半导体设备材料产业协会)是全球性的产业协会，致力于促进微电子、平面显示器及太阳能广电等产业供应链的整体发展。会员涵括上述产业供应链中的制造、设备、材料与服务公司，是改善人类生活品质的核心驱动力。自从197
2、0年至今，SEMI不断致力于协助会员公司快速取得市场咨询提高获利率、创造新市场、克服技术挑战。,ASTM American Society for Testing and Materials,美国材料与试验学会ASTM成立于1898年，是世界上最早、最大的非盈利性标准制定组织之一，任务是制订材料、产品、系统和服务的特性和性能标准及促进有关知识的发展。随着业务范围的不断扩大和发展，学会的工作不仅仅是研究和制定材料规范和试验方法标准，还包括各种材料、产品、系统、服务项目的特点和性能标准，以及试验方法、程序等标准。100多年以来，ASTM已经满足了100多个领域的标准制定需求，现有32000多名会员
3、，分别来自于100多个国家的生产者、用户、最终消费者、政府和学术代表。,JEITA,日本电子信息技术工业协会Japan Electronics and Information Technology Industries Association是一家行业团体，其宗旨在于促进电子设备、电子元件的正常生产、贸易和消费，推动电子信息技术产业的综合发展，为日本的经济发展和文化繁荣作出贡献。目前，正积极致力于解决电子材料、电子元器件、最终产品等众多领域的各种课题。JEIDA及EIAJ合并后产生。,SEMI 标准内容,Table of contents-Topical,Table of contents S
4、EMI M Topical,SiliconSEMI M1 Specifications for polished monocrystalline silicon wafersSEMI M2 Specification for silicon epitaxial wafers for discrete device applicationsSEMI M6 Specification for silicon wafers for use as photocoltaic solar cellsSEMI M8 Specification for polished monocrystalline sil
5、icon test wafersSEMI M11 Specifications for silicon epitaxial wafers for integrated circuit applicationSEMI M12 Specification for serail alphanumeric marking of the front surface of wafers SEMI M16 Specification for polycrystalline siliconSEMI M17 Guide for a universal wafer gridSEMI M18 Format for
6、silicon wafer specification form for order entrySEMI M20 Practice for establishing a wafer coordinate system,Specifications for Polished Single Crystal Silicon Wafers,Revision HistorySEMI M1-1109(technical revision)SEMI M1-0701(technical revision)SEMI M1-0309E(editorial revision)SEMI M1-0600(technic
7、al revision)SEMI M1-0309(technical revision)SEMI M1-0200(technical revision)SEMI M1-0707(technical revision)SEMI M1-0699(technical revision)SEMI M1-0307(technical revision)SEMI M1-0298(technical revisionSEMI M1-1106(technical revision)SEMI M1-0997(technical revision)SEMI M1-1105E(editorial revision)
8、SEMI M1-1296(technical revision)SEMI M1-1105(technical revision)SEMI M1-96(technical revision)SEMI M1-0305 SEMI M1-95(technical revision)SEMI M1-0704(designation update)SEMI M1-93(technical revision)SEMI M1-1103(designation update)SEMI M1-92(technical revision)SEMI M1-0302(technical revision)SEMI M1
9、-89(technical revision)SEMI M1-0701E(editorial revision)SEMI M1-85(technical revision)SEMI M1-78(first published),SEMI M1-1109,SEMI M1-0707,2-1 General Characteristics2-2 Electrical Characteristics2-3 Chemical Characteristics2-4 Structural Characteristics2-5 Wafer Preparation Characteristics 2-6 Dim
10、ension Characteristics2-7 Front Surface Chemistry2-8 Front Surface Inspection Characteristics2-9 Back Surface Visual Characteristics,2-1 General Characteristics,Growth Method,生长方法Cz 直拉法沿着垂直方向从熔体中拉直单晶体的方案，又称柴克劳斯基法。FZ 区熔法沿着水平方向生长单晶体的一种方法。MCz 磁场直拉法晶体生长时，外加磁场，抑制熔体的热对流，熔体温度波动小，是一种生产高质量单晶的新方法。按照磁场相对于单晶拉制方
11、向有横向磁场法和纵向磁场法。,Cz 生长技术,Fz 生长技术,两种方法的对比,Cz Fz电阻率小于30 电阻率范围较大制造成本低 制造成本高硅片含氧含量高 生长含氧低，纯度高低功率IC主要原料 高功率半导体市场估计占80%市场 大直径较难生长 低阻较难均匀掺杂,Conductivity Type,导电类型半导体材料中多数载流子的性质所决定的导电特性。p型多数载流子为空穴的半导体。n型多数载流子为电子的半导体。,Nominal Edge Exclusion,标称边缘去除对标称边缘尺寸硅片，从合格质量区边界到硅片周边的距离。,Wafer Surface Orientation,硅片表面晶向晶向偏离
12、在晶圆制造过程中会带来很多好处，例如降低缺陷密度、离子注入工艺均匀性等，不同器件本身需要一定晶向偏离。线切割的加工误差在可控范围内，不会影响客户的使用。例如，As的外延晶圓，一般在切片采用偏4度的方式，這是為了后段外延刻意去做的。,2-2 Electrical Characteristics,Resistivity Measured at,电阻率单位体积的材料对与两平行面垂直通过的电流的阻力。一般来说，体电阻率为材料中平行于电流的电场强度与电流密度之比。符号为，单位为cm.,Radial Reststivity Variation(RRG),径向电阻率变化硅片中心点与偏离硅片中心的某一点或若干
13、对称分布的设定值（硅片半径1/2或靠近边缘处）的电阻率之间的差值。这种差值可表示为中心值的百分数。又称径向电阻率梯度。RV=(2-1)/1 RV=(3-1)/1 1：中心处两次读书的平均值；2：R/2处，90间隔电阻率4次读数的平均值；3：距边缘6mm处，90间隔电阻率4次读数的平均值；,Minority Carrier Lifetime,少子寿命晶体中非平衡载流子由产生到复合存在的平均时间间隔，它等于非平衡少数载流子浓度衰减到起始值的1/e(e=2.718)所需的时间。非平衡少数载流子扩散长度的平方除以扩散系数所得商，扩散系数是设定的由载流子迁移率测试确定的。少子寿命主要用于表征材料的重金属
14、沾污及体缺陷：-硅锭、硅棒、硅片的进（出）厂检验；-单（多）晶生长，硅片生产的工艺过程监控；-生产加工设备的沾污控制；,2-3 Chemicial Characteristics,Oxygen Concentration,间隙氧含量硅晶体中Oi的值通过吸收率a乘以校准参数（calibration factor）。红外吸收法可测定电阻率大于几个ohmcm硅片的间隙氧含量。ASTM F1-121一直规定校准参数为9.63，直到F1-121-77（1977）版本。1980年ASTM通过新标准，ASTM F1-121-80，可接受的常数变为4.9。报告中通常被称为“旧ASTM”。1980年以前的报道C
15、Z硅片Oi的范围为2638ppma。而“新ASTM”的CZ硅片的Oi是1319ppma。本文中我们用“新ASTM”值。,Oxygen Concentration,Oxygen content:Custom controlled level in the range of 24-38 ppma(ASTM F121-76)Typical examples of controlled Oxygen groups:31.0 36.8 ppma(orientation)28.0 32.0 ppma(orientation)29.0 35.0 ppma(orientation),Radial Oxygen
16、 Gradient,径向氧变化测试方案与径向电阻率梯度类似；,Carbon Concentration,碳浓度指占据晶格替代位置的碳原子的体密度单位是atcm-3。Carbon content:max.0.5 ppm,Bulk Iron Content,体铁含量：5E10 atoms/cm2硅中总体铁的含量目前，采用光电压方法和微波寿命法的扩展来提供掺硼硅中总体铁含量的信息；这种拓展是依据铁-硼配对过程。,2-4 Structural Characteristics,Dislocation Etch Pit Density,位错缺陷坑在硅片表面的位错应力区域，由择优腐蚀而产生的一种界限清晰、形
17、状规则的腐蚀坑。单位体积内位错线的总长度（cm/cm3）通常以晶体某晶面单位面积上位错蚀坑的数目来表示。cm-2。,Slip,滑移晶体的一部分对于另一部分由切向位移产生的但仍保持晶体结晶学性质的塑变形过程。滑移方向常常在一个特殊的晶体学平面上，是一种包括位错通过晶体运动在内的非均匀变形过程。,Lineage,系属结构小角晶界或位错排的局部密集排列。,Twin Crystal,孪晶在晶体内晶格是两部分，彼此成镜像对称的晶体结构。连接两部分晶体的界面成为孪晶面或孪晶边界。在金刚石结构中，例如硅，孪晶面是（111）面。,Swirl,漩涡无位错单晶择优腐蚀后肉眼可见的呈螺旋状或同心圆状条纹分布，在放大
18、150倍观察呈现不连续状。,Shallow Pits,浅蚀坑在大于200倍的高放大倍数下是小而浅的腐蚀坑。,Oxygen Induced Stacking Fault(OSF),氧化层错硅片表面存在机械损伤、杂质玷污和微缺陷等时，在氧化过程中其近表面层长大或转化的层错。,2-5 Wafer Preparation Characteristics,Wafer ID Marking,硅片ID标志用激光在靠近硅片切口或主平边的硅片前部形成一个字母数字式点阵记号识别码。根据SEMI Std M18激光标识确定18个记号区来识别硅片厂商、导电类型、电阻率、平整度、硅片数目和器件类型。Soft mark：
19、0.5um-5um Hard mark：10um-220um,Gettering,吸附：使杂质在硅片特定区固定，获得表面洁净区的工艺过程。一般Cz法生长的硅片，由于生长环境受杂质污染及热应力造成的缺陷均留在硅片中，都会影响器件的良率和电性品质。如何将硅片的晶格缺陷、金属杂质解决的作法，就叫做吸附。吸附又可分“内部的吸附”Intrinsic Gettering 及“外部的吸附”-Extrinsic Gettering。前者系在下线制造之前先利用特殊高温步骤让晶圆表面的晶格缺陷或含氧量尽量降低。后者系利用外在方法如：晶背损伤、磷化物（POCl3）将晶圆表面的缺陷及杂质等尽量吸附到晶圆背面。,Int
20、rinsic&Extrinsic Gettering,本征（内部）&非本征（外部）吸附处理利用硅片中晶格缺陷来控制或消除其他缺陷成为吸除法，常用的吸除可分为三类：(a)本征吸除法（内部吸除法）-利用Cz生长晶体过程中过饱和氧含量在热处理后在WAFER表面附近形成氧沉淀而起到吸杂效果。形成析出物以造成晶格缺陷，这些缺陷会吸附器件层的杂质和金属等缺陷。(b)非本征吸除(Extrinsic gettering)由外在力量造成硅片背面受机械应力而形成如位错等各种缺陷来达到吸除的目的。常见的非本征吸除法有机械研磨、喷砂或施以一层背表面多晶硅，以此方法在机械应力控制上以其后续清洗上仔细处理以避免造成硅片形
21、变或污染。(c)化学吸除法-此法有别于上述两种提供缺陷的吸附，而是通过 引入含HCL气氛的化学反应来消除杂质缺陷。,Intrinsic&Extrinsic Gettering,Denuded Zone,洁净区在硅片的一个特定区域，通常仅仅位于硅片正表面之下，其中的氧浓度下降到一个比较低的水平，导致了体微缺陷密度（氧沉淀）减少。,Backseal,背封在硅片背表面覆盖一层二氧化硅或者多晶硅、氮化硅等绝缘薄膜，以抑制硅片中主要掺杂剂向外扩散。对于重掺的硅片来说，会经过一个高温阶段，在硅片背面淀积一层薄膜，能阻止掺杂剂的向外扩散。这一层就如同密封剂一样防止掺杂剂的逃逸。通常有三种薄膜被用来作为背封材
22、料：二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多晶硅。如果氧化物或氮化物用来背封，可以严格地认为是一密封剂，而如果采用多晶硅，除了主要作为密封剂外，还起到了外部吸杂作用。P-/N-：BSD N+：Poly P+：BSD,Annealing(Res Stabilization),退火在惰性气体或减压气氛下由于高温作用，在近表面形成一个无缺陷（COP）区的硅片，改变硅片特性的热过程。硅片在CZ炉内高浓度的氧氛围里生长。因为绝大部分的氧是惰性的，然而仍有少数的氧会形成小基团。这些基团会扮演n-施主的角色，就会使硅片的电阻率测试不正确。要防止这一问题的发生，硅片必须首先加热到650左右。这一高的温度
23、会使氧形成大的基团而不会影响电阻率。然后对硅片进行急冷，以阻碍小的氧基团的形成。这一过程可以有效的消除氧作为n-施主的特性，并使真正的电阻率稳定下来。donor killer是指將矽晶錠或晶圓在攝氏650度後之溫度，經半小時到一個半小時的熱處理後，再經由攝氏450度溫度左右作急速冷卻時，即可去除氧氣施體之方法。,吸除概念:金属游离扩散 被捕获,Fast Diffusion of Various Impurities,重金属吸附依靠:金属在硅中扩散率；金属被陷阱区域隔离；,Edge Surface Condition,边缘表面状态可分为研磨、腐蚀、抛光三种状态，根据不同标准硅片和客户的要求，选择
24、不同的条件。,Back Surface Condition,背表面状态不同的背表面状态，一般包括腐蚀和抛光两种。,Backside finish,-Standard acid or alkaline etched-Soft Back Side Damaged(SBSD-short etch)-Hard Back Side Damage(HBSD-wet sand blasting)-Low Temperature Oxide sealed(LTO)-Thermal Oxide sealed-Advanced(HBSD+LTO)-Backside Multilayers(Poly+LTO)-Ox
25、ide Free Exclusion Ring,2-6 Dimension Characteristics,2-6 Dimension Characteristics,Diameter,直径横穿硅片表面，通过硅片中心点且不与参考面或圆周上其他基准区相交的直线长度。,Fiducial Dimensions,基准直径指晶片上的一个平面或切口所对应的直径，以提供其结晶轴的参考位置。,Primary&Secondary Flat Orientation,Primary Flat 主参考面规范化圆形硅片上长度最长的参考面，其取向通常是特定的晶体方向，也常为第一参考面。Secondary Flat 第二参
26、考面规范化硅片长度小于主参考面的平面。它相对于主参考面的位置标记该硅片导电类型和取向。又称第二参考面。,Notch,切口在硅片上加工的具有规定形状和尺寸的凹槽，切口由平行规定的低指数晶向并通过切口中心的直径来确定。该直径又称作取向基准轴。,Edge rounding,倒角硅片边缘通过研磨或腐蚀整形加工成一定角度，以消除硅片边缘尖锐状态，避免在后续加工中造成边缘损伤。当切片完成后，硅片有比较尖利的边缘，就需要进行倒角从而形成子弹式的光滑的边缘。倒角后的硅片边缘有低的中心应力，因而使之更牢固。这个硅片边缘的强化，能使之在以后的硅片加工过程中，降低硅片的碎裂程度。,Edge Profile,边缘轮廓
27、在边缘倒角的晶片，边缘经化学或机械加工整形，是对连接晶片正面与表面边界轮廓的一种描述。硅片边缘抛光是为了去除在硅片边缘残留的腐蚀坑，减低硅片边缘的应力，将颗粒灰尘的吸附降到最低。另一种方法是只对硅片边缘酸腐蚀。,标准边缘模版及特征点坐标值,Thickness,厚度通过硅片上一给定点垂直于表面方向穿过硅片的距离。,Flatness,平整度晶片背表面为理想平面时，例如，晶片背表面由真空吸盘吸附在一个理想、平坦的吸盘上，晶片正表面相对于一规定基准面的偏差，以TIR或FPD的最大值表示。晶片的平整度可描述为下面任何一种：a)总平整度；b)在所有局部区域测量的局部平整度的最大值；c)局部平整度等于或小于
28、规定的局部局域所占的百分比；,平坦度标准,TIRTotal Indicator Reading,总指示读数与基准平面平行的两个平面间的最小垂直距离。该两平面包含晶片正表面FQA内或规定的局部区域内的所有的点。,FPDFocal Plane Deviation,焦平面偏差晶片表面的一点平行于光轴到焦平面的距离。,Total Thickness Variation(TTV),总厚度变化在厚度扫描或一系列点的厚度测量中，所测硅片最大厚度与最小厚度的绝对差值。,Bow,弯曲度自由无夹持晶片中卫面的中心点和中卫面基准面间的偏离。中位面基准面是指定的小于晶片标称直径的直径圆周上的三个等距离点决定的平面。硅
29、片中心面凹凸变形的度量。与厚度无关，是硅片的一种体特质而不是表面特性。,Warp,翘曲度在质量合格区内，一个自由的，无夹持的硅片中位面相对参照平面硅片的最大和最小距离的差值，是硅片的一种体特质而不是表面特性。,Global&Site Flatness,Global Flatness 全局平坦度在FQA内，相对规定基准平面点的TIR或FPD的最大值。Site Flatness 局部平坦度在FQA内，局部区域内的TIR或FPD中的最大值。,Reference Plane,基准面由以下的一种方式确定的平面：a)晶片正表面上指定位置的三个点；b)用FQA内的所有的点对晶片正表面进行最小二乘法去拟合；c
30、)用局部区域内的所有的点对晶片正表面进行最小二乘法拟合；d)理想的背面(相当于与晶片接触的理想平坦的吸盘表面)；选择规定的基准面应考虑成像系统的能力，应根据晶片放置系统选用正表面或背表面为基准面。如果成像系统中晶片不能用方向夹具固定，应规定背面为基准面。,Sori,峰-谷差硅片在无吸盘吸附状态下，正表面与基准面的最大正偏差和最小负偏差之间的差值。基准面是对正面进行最小二乘法拟合得到的。,Flatness,Site,Site 局部区域硅抛光片前表面上的一种矩形局域。矩形的边平行和垂直主参考面或切口的等分角线。矩形的中心在FQA内。FQA（fixed quality area）合格质量区标称边缘去
31、除X后，所限定的硅抛光片表面的中心区域，该区域内各参数的值均符合规定值。,25 X 25 局部区域,Site Flatness,局部平坦度在FQA内，局部区域的TIR或FPD得最大值。,STIR,局部总指示读数,SFPD,局部焦平面偏差,平整度确定网络,Front Surface Chemistry,标准测试方法,VPD-ICP/MS or VPD-TXRF,Front Surface Inspection Characteristics,Scratches,划伤在切割、研磨、抛光过程中硅片表面被划伤所留下的痕迹，其长宽比大于1：5；Scratch-Macro抛光片在白炽灯和荧光灯下，深度等于
32、或大于0.12um的肉眼可见的划道。Scratches-Micro抛光片在荧光灯下，深度小于0.12um的肉眼看不见的划道。,Pits,蚀坑硅片表面的凹陷，有陡峭的倾斜侧面，该侧面以可分辨的方式与表面相交，和凹坑的圆滑侧面形成对照。在强光照射下观察时，目视可见的能逐个区分但不能除去的任何表面异常结构。,Haze,雾在抛光片和外延片上由微观表面不规则（如高密度小坑）引起的光散射现象。在硅片表面上能观察到窄束钨灯灯丝的影像，表面有雾存在。,Localized Light Scatterers(LLS),局部光散射体一种孤立的特性，例如硅片表面上的颗粒或蚀坑，相对于硅片表面散射强度，导致散射强度增加
33、，有时也称光电缺陷。（Light Point Defect：LPD）一般包括颗粒与COP(晶体原生坑)。,Contamination/Area,区域玷污硅片表面上肉眼可见的各种外来异物的统称。大多数情况下，玷污通过吹起（干燥氮气）、洗涤剂清洗或化学作用可以去除。在光照条件下检验呈现为：颜色变化、色斑、或由污迹、斑点、水迹等引起的云雾状外貌。,Edge Chips and Indents,Chip 崩边 硅片边缘或表面未贯穿的局部缺损区域。当崩边在硅片边缘产生时，其尺寸由径向深度和周边弦长给出。Indent 缺口上下贯穿硅片边缘的缺损。符合定义且径向深度和圆周长度 大于0.25mm包括退刀痕在内
34、的任何边缘异常结构。,Edge Cracks,边缘裂纹边缘延伸到硅片表面，可能贯穿，也可能不贯穿整个硅片厚度的解理或裂痕。,Cracks,Crows Feet,裂纹、鸦爪在（111）硅片上呈鸦爪形，（100）晶面上呈“十”字形特征的可能贯穿硅片厚度的解理或裂痕。符合定义且总长度大于0.25mm的任何异常结构。,Craters,火山口平滑中心区域的具有不规则的封闭山脉状表面织构。在漫射光下观察能逐个区分的任何表面异常结构。,Dimples,凹坑在适当的光照条件下，抛光片表面上肉眼可见的一种具有渐变斜面呈凹面状的浅坑。直径大于3mm的任何平滑表面凹陷。,Grooves,沟槽抛光过程没完全去除的边缘
35、光滑的划道。宽度大于0.13mm或长度大于0.25mm，包括退刀痕在内的任何边缘异常结构。,Mounds,小丘硅片表面出现的由一个或多个不规则小平面构成的无规则形状的凸起物。可能是材料体内缺陷或各种杂质玷污的延伸。符合定义且最大尺寸大于0.25mm的任何异常结构。,Orange Peel,桔皮在荧光照明下，硅片表面呈现的肉眼可见的形如桔皮状特征的大面积不规则粗糙表面。符合定义且在漫射光下目视可见的任何粗糙表面。,Saw marks,刀痕晶锭切割时，在硅片表面留下的圆弧状痕迹。漫射光下能观察到的任何表面不规则物。,Dopant Striation Rings,掺杂剂条纹圆环硅片表面上由于杂质浓度的局部变成呈现出的螺旋状特征。在漫射光下可观察出的任何结构。,Stains,条纹状玷污化学腐蚀后可观察到白色或棕褐色的条纹状色斑。这种条纹是化学作用形成的，除非进一步的研磨或抛光，一般不能除去。,rms Microroughness,Microroughness 微粗糙度在不规则物之间的间隔小于100um时的表面粗糙度分量；rms Microroughness均方根微粗糙度在求值长度L内得出的表面轮廓高度与平均线的偏差Z（x）的平方根。rms（均方根）微粗糙度Rq是常用于描述表面轮廓的几种统计度量之一。,Back Surface Visual Characteristics,
