,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,集成电路制造技术,原理与工艺,第,2,章 硅片的制备,1,绪论,用来制造,IC,的硅衬底材料有两种方法，一种是由石英砂经过冶炼、提纯，制备出高纯度多晶硅，然后由高纯多晶硅熔体拉制出单晶硅锭，再经过切片、磨片、抛光等工艺制备而成。另一种是在单晶衬底上通过,“,外延,”,工艺生长单晶硅外延片。这一章将介绍：,2.1,多晶硅的制备,2.2,单晶硅生长,2.3,硅片加工,2,2.1,多晶硅的制备,制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过,冶炼,获得多晶硅，再经一系列化学、物理的,提纯,工艺就制出半导体纯度的多晶硅。,电子级多晶硅纯度可达,11N,。,3,2.1.1,冶炼,冶炼是采用木炭或其它含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的含量在,98-99,之间，称为冶金级硅，也称为粗硅或硅铁。,SiO,2,+2C,Si,+2CO,主要杂质：,Fe,、,Al,、,C,、,B,、,P,、,Cu,要进一步提纯。,1600-1800,4,2.1.2,提纯,酸洗,(,hydrochlorination),硅不溶于酸，所以粗硅初步提纯是用,HCl,、,H,2,SO,4,、,王水、,等混酸泡洗至,i,含量,99.7%,以上。,化学提纯,Si,+3HCl SiHCl,3,+H,2,Si,+2Cl,2,SiCl,4,蒸馏提纯,(,distillation),利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯,物理提纯,先将酸洗过的硅氧化为,SiHCl,3,或,SiCl,4,，常温下,SiHCl,3,(,沸点,31.5),，与,SiCl,4,(,沸点,57.6),都是液态，蒸馏获得高纯的,SiHCl,3,或,SiCl,4,。,分解,(,discomposition),氢气易于净化，且在,Si,中溶解度极低，因此，多用,H,2,来还原,SiHCl,3,和,SiCl,4,，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。,SiCl,4,+2H,2,Si,+4HCl SiHCl,3,+H,2,Si,+3HCl,5,2.2,单晶硅生长,采用熔体生长法,制备单晶硅棒,多晶硅,熔体硅,单晶硅棒,按制备时有无使用,坩埚,又分为两类,有坩埚的：,直拉法,、,磁控直拉法,；,无坩埚的：,悬浮区熔法,。,6,2.2.1,直拉法,-,Czochralski,法,(CZ,法,),1918,年，切克劳斯基（,J.,Czochralski,）从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。,在,20,世纪,50,年代初期，,G.K.Teal,和,J.B.Little,采用类似的方法从熔融硅中拉制出了单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。,目前拉制的单晶硅锭直径已可达,450mm,（,18,英寸）。,图,2-1,直拉法生长单晶硅装置示意图,籽晶,熔融多晶硅,热屏蔽,水套,单晶硅,石英坩锅,碳加热部件,单晶拉伸与转动机械,7,单晶炉,四部分组成：,炉体部分,有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动部分,加热控温系统,有光学高温计、加热器、隔热装置等；,真空部分,有机械泵、扩散泵、测真空计等；,控制部分,电控系统等,图,2-2 TDR-A,型单晶炉照片,8,直拉法,-,Czochralski,法,(CZ,法,),在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当晶向的,籽晶,，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液,-,固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。,9,CZ,法工艺流程,准备,腐蚀清洗多晶,-,籽晶准备,-,装炉,-,真空操作,开炉,升温,-,水冷,-,通气,生长,引晶,-,缩晶,-,放肩,-,等径生长,-,收尾,停炉,降温,-,停气,-,停止抽真空,-,开炉,缩颈作用示意图,10,引晶,是将籽晶与熔体很好的接触。,缩晶,在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有,2-3mm,。,放肩,将晶体直径放大至需要的尺寸。,等径生长,拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。拉升速度、转速，以及温度决定晶体直径大小，缩晶与放肩处的直径也是由拉升速度、转速，以及温度控制。,收尾,结束单晶生长,。,生长,11,籽晶,是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶有相同的晶向；,籽晶,是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小熔体向晶体转化时必须克服的能垒（即界面势垒）,。,籽晶的作用,12,缩颈,缩颈,能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有,2-3mm,的颈部表面时就终止了。,为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。,13,提拉速度,，,晶体的质量对提拉速度很敏感，典型的拉杆提拉速度一般在,10m/s,左右。在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。,点缺陷结团,后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。,温度场,的分布应适当，实际上坩埚内熔体温度呈一定分布。,籽晶的质量,，晶格完好，表面无划痕、无氧化物。,缩颈,，目的是终止籽晶位错和缺陷，可多次缩颈,。,晶锭（棒）质量控制,14,CZ,法缺陷,直拉法生长单晶硅多是采用液相法掺杂，液相法掺杂受杂质分凝、杂质蒸发，以及坩埚污染影响大，因此，直拉法生长的单晶硅掺杂浓度的均匀性较差。,纵向 考虑杂质分凝,横向 温度场,坩埚影响，即氧的引入,SiO,2,Si+O,2,15,2.2.3,晶体掺杂,轻掺杂,（,n,-,Si,、,p,-,-,Si,）,杂质浓度在,10,14,10,16,/cm,3,之间，,多用于大功率整流器件；,中等掺杂,（,n,Si,、,p,Si,）,杂质浓度在,10,16,10,18,/cm,3,之间，,主要用于晶体管器件；,重掺杂,（,n,+,Si,p,+,Si,）,杂质浓度在,10,18,10,20,/cm,3,之间，,是外延用的单晶衬底。,16,液相掺杂,直接掺元素,母合金掺杂,气相掺杂,中子辐照（,NTD,）,掺杂,-,中子嬗变掺杂技术,掺杂方式,17,CZ,法拉制,Si,棒照片,18,2.2.4,磁控直拉法（,MCZ,法）,在直拉法单晶炉上附加了一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直径的，无氧的，均匀的单晶硅。,在,CZ,法单晶炉上加一强磁场，高传导熔体硅的流动因切割磁力线而产生洛仑兹力，这相当于增强了熔体的粘性，熔体对流受阻。,洛仑兹力,F=q,B,MCZ,单晶炉,19,2.2.5,悬浮区熔法,（,FZ,法）,悬浮区熔法，多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触的界面处生长单晶。,熔区的存在是由于融体表面张力的缘故，,悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒。,RF,气体入口,(,惰性,),熔融区,可移动,RF,线圈,多晶棒,籽晶,惰性气体出口,卡盘,卡盘,20,不同生长技术可获得的最小载流子浓度,三种方法比较,直拉法工艺成熟，可拉出大直径硅棒是目前采用最多的硅棒生产方法，但有氧。,磁控直拉法能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅棒。设备较直拉法设备复杂得多，造价也高得多，强磁场的存在使得生产成本也大幅提高。,悬浮区熔法与直拉法相比，去掉了坩埚，能拉制出无氧高阻单晶，当前,FZ,硅的电阻率可达,5000cm,以上,21,2.3,硅片制造,晶体生长,整形,切片,磨片倒角,刻蚀,抛光,清洗,检查,包装,22,硅锭径向研磨,定位边磨角,径向研磨,为研磨准备单晶锭,23,切 片,锯刃,内园切割机,24,磨片和倒角,25,用于去除硅片表面损伤的化学刻蚀,26,抛 光,上抛光垫,下抛光垫,硅片,磨料,27,硅片的表面平整度,Silicon wafer surface,28,不同晶向及导电类型的表示方法,硅片主要晶向、晶型的定位平边,用,X,射线衍射确定晶向，,X,射线被晶体衍射时，通过测量衍射线的方位可以确定出晶体取向,29,硅片规格及用途,按直径划分,按单晶生长方法划分,CZ,硅：二极管、外延衬底、太阳能电池、集成电路,MCZ,硅：用途和,CZ,硅相似，性能好于,CZ,硅,FZ,硅：高压大功率器件，可控整流器件,外延硅：晶体管，集成电路领域，如逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在集成电路制造中有更好的适用性,按掺杂情况划分,按用途划分,30,二极管级单晶硅片技术参数,（隆基硅产业集团产品规格）,项目,二极管级单晶硅片,生长方式,CZ/MCZ,导电类型,N,参杂剂,磷,P,晶向,电阻率（,.cm,）,5-100,电阻率径向不均匀性,15%,（,MCZ,）,直径（,mm,）,75-103,切方规格（,mm,）,N/A,少子寿命（,s,）,100,氧含量（,atoms/cm,3,）,110,18,610,17,(MCZ),碳含量（,atoms/cm,3,）,51016 110,16,(MCZ),位错密度（,m,2,）,100,硅片形态,磨片,硅片厚度（,m,）,150-600,厚度公差（,m,）,5,总厚度偏差（,m,）,10,弯曲度（,m,）,10,表面质量,无孔洞、无裂纹、无氧化花纹及用户其他要求,31,第一单元 内容总结,硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞 基本参数,111,晶面解理性,硅晶体缺陷 结团作用；缺陷的去除,硅中杂质；,固溶体；,固溶度,相图,硅单晶片制备 多晶硅制备；,直拉法,原理；提拉速度；分凝；,硅片制备流程；主要晶向、晶面的定位方式,32,