Bab 2 : Pembuatan Wafer 2.1 Struktur bahan Terdapat 3 struktur bahan yang berbeza Hablur tunggal

1. Bab 2 : Pembuatan Wafer • 2.1 Struktur bahan • Terdapat 3 struktur bahan yang berbeza • Hablur tunggal • Atom disusun di dalam ulangan corak yang sama • Mempunyai sifat2 yg seragam berbanding dgn bhn polisilikon • Struktur ini membenarkan aliran elektron yg seragam dan boleh diramalkan dlm semikonduktor.

2. Polihablur Struktur bahan yang mengandungi banyak bahagian2 kecil hablur tunggal. Cth : Polisilikon • Amorfus Atom adalah rawak, tidak mempunyai pengulangan sunsunan atom Cth : SiO2 ( Kaca )

3. Sel unit • Ditakrifkan sebagai bahagian terkecil bagi sesuatu hablur yang akan membentuk keseluruhan struktur hablur berkenaan. • Struktur hablur juga dikenali sebagai kekisi. • Bahan berhablur mempunyai struktur hablur yang spesifik. • Atom Si mempunyai 16 atom tersusun dalam struktur intan • Hablur GaAs mempunyai 18 atom dalam sel unit yang dipanggil “ zinc blend”

4. 2.2 Orientasi hablur • Wafer boleh dipotong dari hablur pada sudut yang berbeza, dengan setiap sudut mewakili suatu satah yang berlainan. • Setiap hiris melalui hablur akan juga melalui setiap sel unit, mendedahkan satah spesifik dalam setiap sel unit. • Setiap satah adalah unik, berbeza dalam bilangan atom dan tenaga ikatan antara atom. • Ini menyebabkan sifat2 kimia, elektrikal dan fizikal bagi setiap satah adalah berbeza.

5. Terdapat 2 orientasi yang sering digunakan untuk wafer silikon. • < 100 > - digunakan untuk fabrikasi peranti dan litar MOS • < 111 > - digunakan untuk fabrikasi peranti dan litar dwikutub. • Satah hablur dapat ditentukan dengan menggunakan Indeks Miller. • Indeks x - 1 persilangan pada paksi-x • Indeks y - 1 persilangan pada paksi-y • Indeks z - 1 persilangan pada paksi-z < xyz >

6. Z Z Y Y X X < 111 > < 100 > Rajah 2.1 : Satah hablur

7. < 100 > < 111 > 60o 90o • Orentasi wafer boleh ditentukan dengan pemunaran. Pembelauan sinar-x atau pantulan cahaya. Broken Etched to reveal crystal defects Rajah 2.2 : Penunjuk orientasi wafer.

8. FABRIKASI WAFER SUMBER ASAS SILIKON GRED LOGAM SILIKON GRED ELEKTRONIK SILIKON GRED SEMIKONDUKTOR PEMOTONGAN DAN PENGILAPAN WAFER

9. 2.3 Fabrikasi Si wafer • Peranti dan litar semikonduktor dibentuk di dalam dan di atas permukaan wafer dari bahan semikonduktor, biasanya silikon. • Wafer2 tersebut mestilah mempunyai • paras kontaminasi rendah • di dop dengan paras kerintangan yang tertentu • struktur hablur yang tertentu • rata secara optikal • memenuhi spesifikasi mekanik dan kebersihan.

10. Silikon gred logam • Pasir biasa SiO2 boleh bertindak balas dengan karbon pada suhu tinggi untuk menghasilkan cecair Si dan karbon monoksida (CO). • Tidak memerlukan karbon berketulenan tinggi Cth : Arang, kok dan kayu • Suhu ~ 20000C SiO2 + 2C Si ( c ) + 2 CO ( g )

11. Elektrod karbon CO SiO2 + C Rajah 2.3 : Relau arka elektrik Si

12. Silikon bergred logam akan ditulenkan lagi dengan menukarkanya kepada SiHCl3 ( gas-triklorosilana ) dalam “ fluidized bed rector ”. • Tindakbalas ini melibatkan serbuk Si dan HCl. • Selain menghasilkan SiHCl3, halida Fe, Al & B juga dihasilkan di dalam rektor. • Untuk mengeluarkan halida Fe, Al & B, SiHCl3 dididihkan pada suhu 31.8oC • BCl ( suhu didih = 13oC ) • PCl ( suhu didih = 74oC ) 300OC Si(p) + 3HCl SiHCl3 ( g ) + H2 Catalyst

13. Hydrochloride Reactor,300oC Silicon powder Si + HCl TCS Rajah : Skimatik proses untuk menghasilkan triklorosilana (TCS) ketulenan tinggi. Condenser Purifier TCS with 99.9999999%

14. Silikon bergred elektronik • SiHCl3 tulen ditukarkan kepada silikon bergred semikonduktor dengan menggunakan proses pemendapan wap kimia ( chemical vapor deposition- CVD ) • Si akan dimendapkan secara seragam di atas rod silikon yang nipis dan panas; dan juga berketulenan tinggi - dikenali sebagai rod teras nipis. • Bagi menghasilkan rod silikon berdiameter besar memerlukan masa yang lama ( beratus-ratus jam ). • < 25 mm sehari 1100oC SiHCl3 ( g ) + H2 ( g ) Si( p) + 3HCl ( g )

15. Polisilikon H2 Garfit H2 dan TCS Gas hampas SiHCl3 + H2 Balang leloceng Rod teras nipis Rajah 2.4 : Pemandapan Si gred elektronik TCS cecair

16. Silikon gred semikonduktor • Wafer semikonduktor dipotong daripada hablur besar bahan semikonduktor • Hablur besar ini dikenali sebagai ingot • Yg ditumbuhkan daripada ketulan2 dan rod bahan intrinsik yang mempunyai struktur polihablur dan tidak di dop. • Proses penukaran ketulan polihablur ke hablur tunggal besar dengan orientasi yang betul dan mengandungi jumlah pendop yang betul dikenali sebagai pertumbuhan hablur.

17. Polisilikon Rod tanpa rekahan Pecahan kecil Zon pengapungan - Si FZ Czochralski - Si CZ Bridgeman - GaAs Dgn mangkuk pijar Tanpa mangkuk pijar

18. Rajah 2.5 : Foto rod dan ketulan polisilikon.

19. Kaedah Czochralski • Kelemahan teknik ini ialah bendasing boleh diperkenalkan ke dalam hablur dari krusible. • Silikon lebur bertindakbalas dengan silika membenarkan suatu kuantiti oksigen ( ~ 2 x 1018 cm-3) meresap ke dalam leburan. • Boron bendasing umum dalam silika , juga meresap dalam leburan • Kehelan dapat dikawal dengan mengawal • dinamik leburan • aliran perolakan dalam leburan disebabkan oleh cerun terma. • Aliran perolakan menyebabkan perubahan suhu ketara di antaramuka cecair-pepejal - yang membawa kepada pembentukan cacat dalam hablur.

20. Beberapa kaedah digunakan untuk mengawal suhu antaramuka • putaran krusible • merekabentuk semula geometri zon panas • penggunaan medan magnet ~ 0.5 T • membentuk daya Lorentz ( qv x B ) , dimana akan menukarkan pergerakan bendasing terion jauh dari antara muka cecair-pepejal. • Ini dapat mengurangkan kandungan bendasing dalam ingot.

21. Rajah 2.6 : Pertumbuhan hablur dari benih.

22. Foto pertumbuhan ingot kaedah CZ.

23. ws large -Kepekatan O2 tinggi dlm hablur -Pengurangan bahan pendop dibahagian tengah wafer - Bahan pendop tinggi di bahagian tengah wafer. Rajah 2.5 : Pencirian aliran leburan. -Kepekatan O2 tinggi, taburan pendop yang lebih baik secara radikal - Kepekatan O2 rendah dlm hablur

24. Kaedah zon-pengapungan • Kesulitan menahan bahagian leburan dari jatuh ke bawah, kaedah ini telah dihadkan kepada hablur yang mempunyai diameter yang kecil ( < 76 mm ) • Oleh kerana mangkuk pijar tidak terlibat dlm kaedah ini, paras kontaminasi oksigen rendah. • Kaedah ini berguna dlm penggunaan yang memerlukan kandungan O2 yang rendah. • Teknik ini tidak boleh digunakan untuk penumbuhan Ge hablur tunggal yang berdiameter besar disebabkan oleh tegangan permukaannya ( surface tension ) yang rendah.

25. Rajah 2.7 : Sistem pertumbuhan zon-pengapungan

26. Perbezaan antara teknik CZ dan FZ

27. Teknik Bridgman • Dlm teknik ini, sebahagian kecil bahan polihablur dileburkan dan akan bergerak disepanjang krusible dalam kadar tertentu. • Kelemahan teknik ini ialah persentuhan antara kursible dengan leburan memberikan ganguan pada dinding kursible. • Menghasilkan tegasan semasa pemejalan hablur dan menyebabkan sisihan pada struktur kekisi. • Masalah serius bagi Si yg ditumbuhkan menggunakan teknik ini. • Si mempunyai takat lebur yang tinggi • Dan juga mudah melekat pada dinding krusible.

28. Rajah 2.8 : Teknik Bridgman

29. Kaedah CZ pengkapsulan hablur cecair ( LEC ) • Kaedah ini digunakan untuk menumbuhkan GaAs & GaP ( berbetuk rod ). • Adalah pengubahsuaian daripada kaedah CZ standard. • Perlu kerana sifat pengewapan arsenik dalam leburan • Pada suhu pertumbuhan , Ga & As akan bertindakbalas dan As akan merewap - hasilkan hablur yang tak seragam • Dua penyelesaian • Tekanan dalam kebuk pertumbuhan diimbangi bagi menahan pengewapan As. • Lapisan boron trioksida ( B2O3 ) terapung diatas leburan untuk menahan As dari mengewap.

30. Rajah 2.11 : Sistem pertumbuhan hablur LEC.

31. 2.4 Hablur dan kualiti wafer • Ketaksempuranaan hablur dikenali sebagai cacat hablur. • Akan menyebabkan pertumbuhan lapisan SiO2 yang tak rata • Pemendapan filem epitaksi yang lemah. • Lapisan pendop yang tak sekata dalam wafer. • Cacat hablur menyebabkan kebocoran arus yang tak dikehendaki dan boleh menahan peranti daripada beroperasi pada voltan yang diperlukan. • Terdapat 3 kategori cacat hablur • Cacat titik • Kehelan • Cacat pertumbuhan

32. Cacat titik • Celahan-diri - apabila atom hos atau bendasing tersepit dalam struktur hablur. • Meyebabkan ketegangan dalam kekisi • Kekosongan - atom hilang dari kekisi • Fenomena semulajadi dalam hablur • Memberi kesan kepada proses resapan, dimana kadar resapan dopant adalah fungsi bilangan kekosongan. • Gabungan celahan-diri dan kekosongan dikenali sebagai cacat Frenkel • Jika ada suhu tinggi kedua2 cacat ini akan bergerak dalam kekisi.

33. Rajah 2.9 : Cacat hablur.

34. Kehelan • Ialah sel unit yang disalahletakan diantara dua satah di dalam hablur tunggal. • Contoh yang paling mudah ialah kehelan pinggir • Dimana wujud kehelan ini pada salah satu hujung satah • Kehadiran kehelan ini memberikan ketegangan kepada hablur. • Kehelan ini boleh dijanakan ke bahagian dalam wafer apabila wafer diproses pada suhu tinggi. • Kehelan dapat ditonjolkan dengan kaedah pemunaran khas permukaan wafer. • Wafer biasanya mempunyai ketumpatan sebanyak 200 ke 1000 kehelan per cm3.

35. Rajah 2.10 : Cacat kehelan.

36. Cacat pertumbuhan • Semasa pertumbuhan , pada keadaan tertentu boleh memberikan kecacatan pada hablur. • Iaitu gelinciran merujuk kepada gelinciran hablur pada satah hablur. • Masalah lain ialah twinning situasi dimana hablur tumbuh dalam dua arah berbeza pada antaramuka yg sama. Rajah 2.12 : Gelinciran hablur

37. Zon penapisan ( Refining zone ) • Penulenan bahan mula semikonduktor dapat dilakukan melalui pergerakan zon lebur ( spt. bridgeman & FZ ) ke atas ingot sebanyak beberapa kali laluan. • Pada antaramuka leburan dan pepejal, akan terdapat taburan bendasing di antara dua fasa ini. • kd atau koefisien taburan digunakan untuk menunjukan kuantiti ini. CS = Kepekatan bahan larut dalam pepejal CL = kepekatan bahan larut dalam cecair. kd = CS CL

38. Koefisien taburan bukan sahaja digunakan untuk mengawal proses zon penapisan di dalam kaedah Bridgman dan FZ, ia juga penting bagi teknik pertumbuhan hablur yang lain, seperti dalam kaedah CZ. • Dalam kaedah CZ, koefisien taburan digunakan utk memasukkan atom pendop di dalam leburan. • Maka nilai rintangan wafer yang tertentu dapat diperolehi. • Dapat dilakukan dengan menimbang berat leburan, tentukan berat bendasing yang diperlukan dan tambah berat bendasing yang telah dikira ke dalam leburan. • Nilai2 koefisien taburan bagi bendasing dalam Si Al As B O P Sb 0.002 0.3 0.8 0.25 0.35 0.023

39. Contoh : Satu rod ingot hablur Si telah ditumbuhkan menggunakan kaedah CZ, dan ingot ini perlu mempunyai kepekatan fosforus 1016 atom/cm3. (a) Cari nilai kepekatan atom P yang perlu ada di dlm leburan utk memberikan nilai kepekatan ini di dlm hablur semasa peringkat permulaan pertumbuhan. kd = 0.35 bagi P dalam Si. (b)Jika beban awal Si dalam mangkuk pijar ilah 5 kg, berapa gram P perlu ditambah bagi mendapatkan nilai kepekatan P 1016 atom/cm3. (Berat atom P ialah 31 , ketumpatan Si ialah 2.33 g/cm3)

40. Anggapakan keseluruhan proses pertumbuhan pada keadaan keseimbangan. CS = kdCL CL =1016 = 2.86 x 1016 atom/cm3 0.35 Ketumpatan leburan Si ialah 2.33 g/cm3 Maka , isipadu leburan = 5 x 103 = 2146 (cm)3 2.33 Jumlah bilangan P dalam leburan = 2.86 x 1016 ( cm-3 ) x 2146 ( cm ) = 6.14 x 1019 atom

41. 31 g P mengandungi 6.023 x 1023 atom Maka, jumlah P yang perlu ditambah ke dalam leburan = 31 x 6.14 x 1019 = 3.16 x 10-3 g P 6.02 x 1023 • Jika dilihat kepekatan Si lebih banyak didalam leburan, maka Si akan digunakan lebih kerap semasa pertumbuhan. • Leburan akan menjadi lebih kaya dengan P semasa proses berterusan, dan hablur akan lebih didopkan dengan P pada peringkat akhir pertumbuhan.

42. 2.5 Pemotongan & pengilapan wafer. • Memangkas hujung • Memangkas hujung hablur yang runcing ( tirus ) dengan gergaji. • Mengisar datar • Mengisar hablur ke diameter tertentu. • Pengisaran diameter ialah operasi mekanikal yang dijalankan dalam pengisaran tanpa pusat.

43. Rajah 2.13 : Proses pengisaran

44. Pemeriksaan orientasi hablur, kekonduksian dan kerintangan. • Orientasi wafer • Kebanyakan wafer ditumbuhkan sedikit terpesong daripada satah major bagi untuk beberapa sebab - seperti penanaman ion. • Jenis wafer • Guna penduga panas ( hot-point probe ). • Kerintangan wafer • Guna penduga empat titik ( four point probe ) • Diperiksa disepanjang paksi, disebabkan perubahan pendop semasa pertumbuhan.

45. Pengisaran datar • Untuk menunjukkan jenis kekonduksian dan satah hablur. • Datar berfungsi sebagai rujukan penglihatan kepada orientasi wafer, yg digunakan untuk meletakan topeng corak pertama ke atas wafer, supaya orientasi cip sentiasa pada satah hablur major.

46. Rajah 2.14 : Pengisaran datar ingot.

47. Rajah 2.15 : Kedudukan datar wafer.

48. Pemotongan wafer • Ingot dipotong kepada wafer2 individu . • Dipotong dengan menggunakan gergaji intan • Gergaji berbentuk sekeping logam nipis, bulat dengan satu lubang dipotong ditengah-tengahnya. • Bahagian dalam lubang merupakan pinggir memotong dan disaluti dengan intan. • Gergaji ini adalah tegar ( rigid ) tetapi nipis - utk mengurangkan saiz lebar potongan bagi menelakan pembasiran hablur semasa pemotongan • Bagi wafer 300mm - • gergaji dawai digunakan bagi memastikan permukaan rata dan mengelakan permukaan tirus (tapering)

49. Rajah 2.16 : Pemotong gergaji intan.

50. Rajah 2.17 : Pemotong dawai.