第一章衬底制备

集成电路制造技术,第一章Si单晶及Si片的制备2015年9月11日,主要内容,多晶硅的制备直拉法制备Si单晶Si片的制备,1.1.1半导体材料的类型1）元素半导体2）化合物半导体3）合金（固溶体）,元素半导体,C（金刚石）,Si,Ge,Sn,晶格结构：金刚石能带结构：间接带隙,Sn:0.08eVGe:0.67eVSi:1.12eVC:5.50eV,1.1多晶Si的制备,化合物半导体,-族：由A的B、Al、Ga、In与A的N、P、As、Sb形成，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。-族：由B的Zn、Cd、Hg与A族的O、S、Se、Te形成，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等,-族：SiC,1.1.1半导体材料的类型,合金半导体,二元合金半导体：Si1-xGex、Si1-xCx、Ge1-xSnx三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-XandAlYGa1-YAsXSb1-X,不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。,特点：1）组分可调；2）禁带宽度随组分连续可调；3）晶格常数随组分连续可调。,1.1.1半导体材料的类型,Si半导体的重要性,占地壳重量20%-25%；单晶直径最大：每3年增加1英吋，目前主流12英寸（300mm），最新18英吋（450mm）；SiO2:掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多层布线）、绝缘栅、MOS电容的介质材料；多晶硅（Poly-Si）：栅电极、杂质扩散源、互连线（比铝布线灵活）；,1.1.2Si单晶的起始材料-石英岩（高纯度硅砂-SiO2）SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g),冶金级硅：98%；Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态（沸点为32），利用分馏法去除杂质；SiHCl3(g)+H2Si(s)+3HCl(g)，电子级硅（片状多晶硅）,从石英砂到硅锭,多晶硅提纯I,过滤器,冷凝器,纯化器,反应室，300,SiHCl3(三氯氢硅，TGS)纯度:99.9999999%(9N),Si(固)+3HCl(气)SiHCl3(气)+H2(气),(220300),SiHCl3：沸点31.5Fe、Al和B被去除。,多晶硅提纯II,液态SiHCl3TGS,H2+SiHCl3Si+3HCl,工艺腔,1.2.1直拉法（CZ法）1）拉晶仪炉子石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑和加热石英坩埚旋转装置：顺时针转；加热装置：RF线圈；,1.2Si单晶的制备,柴可拉斯基拉晶仪,1）拉晶仪,拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；环境控制真空系统：气路系统：提供惰性气体；排气系统：电子控制及电源系统,2）拉晶过程,例，2.5及3英吋硅单晶制备熔硅：1415调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长）引晶（下种）籽晶预热：目的-避免对热场的扰动太大；位置-熔硅上方；与熔硅接触：温度太高-籽晶熔断；温度太低-籽晶不熔或不生长；合适温度-籽晶与熔硅可长时间接触，既不会进一步融化，也不会生长；,2）拉晶过程,收颈目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸；直径：2-3mm；长度：20mm；拉速：3.5mm/min放肩温度：降15-40；拉速：0.4mm/min；,2）拉晶过程,收肩当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速：2.5mm/min；等径生长拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在温度场保持相对固定；收尾熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。,直拉(CZ)法生长Si单晶示意,直拉(CZ)法生长的Si单晶锭,1.2Si单晶的制备,1.2.2悬浮区熔法也称FZ法，float-zone特点：可重复生长、提纯单晶；无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高；FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点：单晶直径不及CZ法。,直拉法vs区熔法,直拉法，更为常用(占75以上)便宜更大的圆片尺寸(400mm已生产)剩余原材料可重复使用位错密度：0104cm2区熔法高纯度的硅单晶(不使用坩锅)（电阻率2000W-mm）成本高，可生产圆片尺寸较小(150mm)主要用于功率器件位错密度：103105cm2,1.2Si单晶的制备,1.2.3水平区熔法布里吉曼法GaAs单晶,1.3Si片制备,衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。,1.3.1硅锭整型处理,定位边（参考面）150mm或更小直径,定位槽200mm或更大直径,2.2单晶Si制备,截掉头尾、直径研磨和定位边或定位槽。,1.3.2晶体定向,晶体具有各向异性器件一般制作在低米勒指数面的晶片上，如双极器件：111面；MOS器件：100面。晶体定向的方法1）光图像定向法（参考李乃平）腐蚀：要定向的晶面经研磨、腐蚀，晶面上出现许多由低指数小平面围成、与晶面具有一定对应关系的小腐蚀坑；光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平行光反映出不同的图像，从而确定晶面。,光图像定向法,1.3.2晶体定向,2）X射线衍射法方法：劳埃法；转动晶体法；原理：入射角应满足：n=2dsin；晶面米勒指数h、k、l应满足：h2+k2+l2=4n-1（n为奇数）h2+k2+l2=4n（n为偶数）,1.3.3晶面标识,原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；硅单晶的解理面：111；1）主参考面（主定位面，主标志面）起识别划片方向作用；作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；2）次参考面（次定位面，次标志面）识别晶向和导电类型,Si片晶面标识示意,1.3.4Si晶片加工（参考庄同曾）,切片、磨片、抛光1）切片将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、平行度、翘度，切片损耗占1/3。,切片(WaferSawing)示意,晶向标记定位槽,锯条,冷却液,硅锭,硅锭运动方向,金刚石覆层,2.2单晶Si制备,1.3.4Si晶片加工,2）磨片目的：使各片厚度一致；使各硅片各处厚度均匀；改善平整度。磨料：要求：其硬度大于硅片硬度。种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等,1.3.4Si晶片加工,3）抛光目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无损层的“理想”表面。方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光（CMP,chemical-mechanicalpolishing）机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细（0.1-0.5m），MgO、SiO2、ZrO；优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。,1.3.4Si晶片加工,化学抛光（化学腐蚀）a.酸性腐蚀典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(体积比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O注意腐蚀温度：T=30-5