Bab 2 : Pembuatan Wafer

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.
• lt 100 gt - digunakan untuk fabrikasi peranti dan
  litar MOS
• lt 111 gt - 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

lt xyz gt
6
lt 111 gt
lt 100 gt
Rajah 2.1 Satah hablur
7

• Orentasi wafer boleh ditentukan dengan
  pemunaran. Pembelauan sinar-x atau pantulan
  cahaya.

lt 100 gt
lt 111 gt
60o
90o
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
Si

• Rajah 2.3 Relau arka elektrik

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
Condenser
Purifier
TCS with 99.9999999

• Rajah Skimatik proses untuk menghasilkan
  triklorosilana (TCS) ketulenan tinggi.

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 ).
• lt 25 mm sehari

1100oC
SiHCl3 ( g ) H2 ( g ) Si( p)
3HCl ( g )
15
Balang leloceng
Rod teras nipis
TCS cecair

• Rajah 2.4 Pemandapan Si gred
  elektronik

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.
-Kepekatan O2 tinggi, taburan pendop yang lebih
baik secara radikal
- Kepekatan O2 rendah dlm hablur

• Rajah 2.5 Pencirian aliran leburan.

24

• Kaedah zon-pengapungan
• Kesulitan menahan bahagian leburan dari jatuh ke
  bawah, kaedah ini telah dihadkan kepada hablur
  yang mempunyai diameter yang kecil ( lt 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.

51

• Penandaan wafer
• Bagi wafer berdiameter 200mm , datar akan di
  gantikan dengan notch.
• Ini bagi memberikan luas permukaan bagi fabrikasi
  peranti.
• Bagi membezakan orientasi wafer dan jenis
  kekonduksian, pengeluar wafer menggunakan laser
  untuk menulis kod wafer.
• Cth DZ211147KOE6
• 63987115SEG5

52

• Rajah 2.17 Notch ID

53

• Pengisaran pinggir
• Ialah proses mekanikal yang memberikan pinggir
  wafer berbentuk bulat.
• Ini bagi mengurangkan sumbing pinggir dan
  kerosakan semasa fabrikasi yang mana akan
  menyebabkan wafer pecah atau menerbitkan neukleus
  untuk garisan kehelan.

Rajah 2.1 Pengisaran pinggir wafer.
54

• Pengilapan kasar
• Pengisaran bahan las ( abrasive ) untuk
  menghilangkan kerosakan semasa proses pemotongan
  wafer.
• Adalah proses mekanikal konventional.
• Ketaksekataan ialah keperluan proses penayangan
  imej corak ke atas permukaan wafer.
• Jika tak datar imej yang ditayangkan akan menjadi
  herot.

55

• Pengilapan mekanikal-kimia ( Chemical-mechanical
  polishing - CMP )
• Langkah terakhir dalam proses pengilapan.
• Melibatkan gabungan pemunaran kinia dan gilap
  mekanikal.
• Menggunakan buburan ( slurry ) silika yang
  diampaikan didalam pemunar KOH ( potassium
  hydroxide )
• Titik2 tinggi diatas wafer dikeluarkan sehingga
  permukaan yang sangat datar diperolehi
• Jika permukaan dipanjangkan ke 10000 kaki, ia
  akan berubah hanya ? 2 inci di keseluruhan
  panjang.
• Kaedah ini juga digunkan bagi menyatahkan wafer
  (planarize ) wafer dalam proses fabrikasi peranti.

56

• Rajah 2.18 Proses CMP.

57

• Rajah 2.1 Ketebalan wafer.

58

• Pemprosesan sebelah belakang
• Dlm kebanyakan kes, hanya sebelah hadapan wafer
  yang mengalami proses CMP.
• Bahagian belakang wafer mungkin ditinggalkan
  kasar atau dipunar kepada permukaan yang terang.
• Untuk sesetengah peranti, bahagian belakang
  menerima proses khas untuk mencetuskan kerosakan
  hablur - yg dikenali sebagai kerosakan bahagian
  belakang ( backside damage ).
• Kerosakan bahagian belakang memyebabkan
  pertumbuhan kehelan yang menjalar ke dalam wafer.
• Kehelan ini akan berlagak sebagai perangkap
  cemaran ionik bergerak yang diperkenalkan ke
  dalam wafer semasa proses fabrikasi.
• Fenomena perangkap ini dipanggil gettering.

59

• Penilaian wafer
• Sebelum dibungkus, wafer ( atau sample ) akan
  diperiksa untuk beberapa parameter seperti yang
  telah dispesifikasikan oleh pelanggan.
• Menjadi tumpuan utama ialah masalah partikel,
  cemaran dan kabut.
• Masalah ini dikesan dengan menggunakan cahaya
  berkeamatan tinggi atau mesin pemeriksa automatik.

60

• Rajah 2.1 Spesifikasi wafer 200 mm yang
  tipikal.

61

• Pengoksidaan
• Wafer ditumbuhkan dengan lapisan SiO2 bagi
  melindungi wafer daripada cakaran dan cemaran
  semasa penghantaran.
• Pembungkusan
• Bahan pembungkusan adalah tak-statik,
  tak-menjanakan zarah, danperalatan dan operator
  dibumikan untuk mengalirkan cas statik yang
  menarik partikel kecil ke atas wafer.
• Dilakukan dalam bilik bersih.