Si单晶及Si片的制备教学课件PPT

1、集成电路制造技术集成电路制造技术 第一章第一章 si si单晶及单晶及sisi片的制备片的制备 2012年8月31日 主要内容 n多晶硅的制备多晶硅的制备 n直拉法制备直拉法制备sisi单晶单晶 nsisi片的制备片的制备 1.1 1.1 多晶多晶sisi的制备的制备 1.1.1 1.1.1 半导体材料的类型半导体材料的类型 n元素半导体：元素半导体：sisi、gege、c c（金刚石）（金刚石） n化合物半导体：化合物半导体：gaasgaas、sigesige 、sic sic 、gangan、 zno zno 、hgcdtehgcdte 族族族族族 n第2周期bc n n第3周期alsi

2、p s n第4周期zngage as se n第5周期cdinsn sb te n第6周期hgpb si si半导体的重要性半导体的重要性 n占地壳重量占地壳重量20%-25%20%-25%； n单晶直径最大，目前单晶直径最大，目前1616英吋（英吋（400mm400mm）, ,每每3 3年增年增 加加1 1英吋；英吋； nsiosio2 2: :掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多 层布线）、绝缘栅、层布线）、绝缘栅、mosmos电容的介质材料；电容的介质材料； n多晶硅（多晶硅（ poly-sipoly-si）：栅电极、杂质扩散源、互）：栅电极、杂质

3、扩散源、互 连线（比铝布线灵活）；连线（比铝布线灵活）； 1.1.2 si1.1.2 si单晶的起始材料单晶的起始材料-石英岩（高纯度硅砂石英岩（高纯度硅砂-sio-sio2 2） siosio2 2+sic+csi(s)+sio(g)+co(g),+sic+csi(s)+sio(g)+co(g), 冶金级硅：冶金级硅：98%98%； si(s)+3hcl(g) sihclsi(s)+3hcl(g) sihcl3 3(g)+h(g)+h2 2，三氯硅烷室温下呈液态三氯硅烷室温下呈液态 （沸点为（沸点为3232），利用分馏法去除杂质；），利用分馏法去除杂质； sihclsihcl3 3(g)+

4、h(g)+ h2 2si(s)+ 3hcl(g)si(s)+ 3hcl(g)，电子级硅（片状多晶硅）电子级硅（片状多晶硅） 从石英砂到硅锭 多晶硅提纯多晶硅提纯 i i 过过 滤滤 器器 冷凝器冷凝器 纯化器纯化器 反应室，反应室，300 hcl si si 硅粉硅粉 sihclsihcl3 3 ( (三氯氢硅三氯氢硅 ，tgs)tgs) 纯度纯度:99.9999999%(9n):99.9999999%(9n) si (固固) + 3hcl(气气) sihcl3(气气)+h2(气气) (220300) sihclsihcl3 3：沸点：沸点31.5 31.5 fefe、alal和和b b被去除

5、。被去除。 多晶硅提纯多晶硅提纯 iiii h2 液态sihcl3 tgs h2+sihcl3 h2+sihcl3si+3hcl 电子级硅 多晶硅 egs 工艺腔 1.2.1 1.2.1 直拉法（直拉法（czcz法）法） 1 1）拉晶仪）拉晶仪 炉子炉子 n石英坩埚：盛熔融硅液；石英坩埚：盛熔融硅液； n石墨基座：支撑和加热石墨基座：支撑和加热 石英坩埚石英坩埚 n旋转装置：顺时针转；旋转装置：顺时针转； n加热装置：加热装置：rfrf线圈；线圈； 1.2 si1.2 si单晶的制备单晶的制备 柴可拉斯基拉晶仪柴可拉斯基拉晶仪 1 1）拉晶仪）拉晶仪 拉晶装置拉晶装置 n籽晶夹持器：夹持籽晶（

6、单晶）；籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）； n旋转提拉装置：逆时针；旋转提拉装置：逆时针； 环境控制环境控制 n真空系统：真空系统： n气路系统：提供惰性气体；气路系统：提供惰性气体； n排气系统排气系统： 电子控制及电源系统电子控制及电源系统 2 2）拉晶过程）拉晶过程 例，例，2.52.5及及3 3英吋硅单晶制备英吋硅单晶制备 熔硅熔硅 n调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长）调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长） 引晶（下种）引晶（下种） n籽晶预热：目的籽晶预热：目的-避免对热场的扰动太大；避免对热场的扰动太大； 位置位置-熔硅上方；熔硅上方； n与熔硅接触：温度太高与熔硅接触：温

7、度太高-籽晶熔断；籽晶熔断； 温度太低温度太低-籽晶不熔或不生长；籽晶不熔或不生长； 合适温度合适温度-籽晶与熔硅可长时间接触，籽晶与熔硅可长时间接触， 既不会进一步融化，也不会生长；既不会进一步融化，也不会生长； 2 2）拉晶过程）拉晶过程 收颈收颈 n目的：抑制位错从籽晶目的：抑制位错从籽晶 向晶体延伸；向晶体延伸； n直径：直径：2-3mm2-3mm； n长度：长度：20mm20mm； n拉速：拉速：3.5mm/min3.5mm/min 放肩放肩 n温度：降温度：降15-4015-40； n拉速：拉速：0.4mm/min0.4mm/min； 2 2）拉晶过程）拉晶过程 收肩收肩 n当肩部

8、直径比所需直径小当肩部直径比所需直径小3-5mm3-5mm时，提高拉速：时，提高拉速： 2.5mm/min 2.5mm/min； 等径生长等径生长 n拉速：拉速：1.3-1.5mm/min1.3-1.5mm/min； n熔硅液面在温度场保持相对固定；熔硅液面在温度场保持相对固定； 收尾收尾 n 熔硅料为熔硅料为1.5kg1.5kg时，停止坩埚跟踪。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 1.2 si单晶的制备 1.2.2 1.2.2 悬浮区熔法悬浮区熔法 n也称也称fzfz法，法，float-zonefloat-zone n特点：特点： 可重复生长、

9、提纯单晶；可重复生长、提纯单晶； 无需坩埚、石墨托，污染无需坩埚、石墨托，污染 少，纯度较少，纯度较czcz法高；法高； fzfz单晶：单晶：高纯、高阻、高纯、高阻、 低氧、低碳；低氧、低碳； n缺点：缺点： 单晶直径不及单晶直径不及czcz法。法。 直拉法直拉法vsvs区熔法区熔法 u 直拉法，更为常用直拉法，更为常用(占占75以上以上) 便宜便宜 更大的圆片尺寸更大的圆片尺寸(400mm已生产已生产) 剩余原材料可重复使用剩余原材料可重复使用 位错密度：位错密度：0104cm2 u 区熔法区熔法 高纯度的硅单晶高纯度的硅单晶(不使用坩锅不使用坩锅)（电阻率（电阻率2000w w-mm） 成

10、本高，可生产圆片尺寸较小成本高，可生产圆片尺寸较小(150mm) 主要用于功率器件主要用于功率器件 位错密度：位错密度：103105cm2 1.2 si1.2 si单晶的制备单晶的制备 1.2.3 1.2.3 水平区熔法水平区熔法 n布里吉曼法布里吉曼法 gaas gaas单晶单晶 1.3 si1.3 si片制备片制备 n衬底制备包括：衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面整形、晶体定向、晶面标识、晶面 加工。加工。 1.3.1 1.3.1 硅锭整型处理硅锭整型处理 定位边（参考面）定位边（参考面） 150mm150mm或更小直径或更小直径 定位槽定位槽 200mm200mm或更大直径或

11、更大直径 2.2 单晶单晶si制备制备 n截掉头尾、截掉头尾、 n直径研磨和直径研磨和 n定位边或定位槽。定位边或定位槽。 1.3.2 1.3.2 晶体定向晶体定向 n晶体具有各向异性晶体具有各向异性 器件一般制作在低米勒指数面的晶片上，如器件一般制作在低米勒指数面的晶片上，如 双极器件：双极器件：111111面；面； mosmos器件：器件：100100面。面。 n晶体定向的方法晶体定向的方法 1 1）光图像定向法（参考李乃平）光图像定向法（参考李乃平） 腐蚀：腐蚀：要定向的晶面经研磨、腐蚀，晶面上出现许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多

12、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；小腐蚀坑； 光照：光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平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，从而确定晶面行光反映出不同的图像，从而确定晶面。 光图像定向法光图像定向法 1.3.2 1.3.2 晶体定向晶体定向 2 2）x x射线衍射法射线衍射法 n方法：方法：劳埃法；转动晶体法；劳埃法；转动晶体法； n原理：原理： 入射角入射角应满足：应满足：n=2dsinn=2dsin； 晶面米勒指数晶面米勒指数h h、k k、l l应满足：应满足： h h2 2+k+k2 2+l+l2 2=4n-1=4n-1（n n为

13、奇数）为奇数） h h2 2+k+k2 2+l+l2 2=4n=4n（n n为偶数）为偶数） 1.3.3 1.3.3 晶面标识晶面标识 n原理：原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；各向异性使晶片沿解理面易裂开； 硅单晶的解理面：硅单晶的解理面：111111 ； 1 1）主参考面）主参考面（主定位面，主标志面）（主定位面，主标志面） n起识别划片方向作用；起识别划片方向作用； n作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面； n作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗； 2 2）次参考面）次参考面（次定位面，次标志面）（次定位面

14、，次标志面） n识别晶向和导电类型识别晶向和导电类型 sisi片晶面标识示意片晶面标识示意 1.3.4 si si晶片加工（参考庄同曾）晶片加工（参考庄同曾） n切片、磨片、抛光切片、磨片、抛光 1 1）切片）切片 n将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一将已整形、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。定要求的单晶薄片。 n切片基本决定了晶片的晶向、平行度、翘度，切片切片基本决定了晶片的晶向、平行度、翘度，切片 损耗占损耗占1/31/3。 切片切片(wafer sawing)(wafer sawing)示意示意 晶向标记晶向标记 定位槽定位槽 锯条锯条 冷却液冷却液 硅锭

15、硅锭 硅锭运动方向硅锭运动方向 金刚石覆层金刚石覆层 2.2 单晶单晶si制备制备 1.3.4 si晶片加工晶片加工 2 2）磨片）磨片 n目的：目的： 使各片厚度一致；使各片厚度一致； 使各硅片各处厚度均匀；使各硅片各处厚度均匀； 改善平整度。改善平整度。 n磨料：磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。 种类：种类：alal2 2o o3 3、sicsic、zrozro、siosio2 2、mgomgo等等 1.3.4 si晶片加工晶片加工 3 3）抛光）抛光 n目的：目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及 无损层的无损层

16、的“理想理想”表面。表面。 n方 法 ：方 法 ： 机 械 抛 光 、 化 学 抛 光 、机 械 抛 光 、 化 学 抛 光 、 化 学 机 械 抛 光化 学 机 械 抛 光 （cmp,chemical-mechanical polishingcmp,chemical-mechanical polishing） 机械抛光机械抛光: :与磨片工艺原理相同，磨料更细（与磨片工艺原理相同，磨料更细（0.1-0.1- 0.5m0.5m），），mgomgo、siosio2 2、zrozro； 优点：优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。 1.3.4 si晶片加工晶片加工 化学抛光（化学腐蚀）化学抛光（化学腐蚀） a.a.酸性腐蚀酸性腐蚀 典型配方：典型配方：hf:hnohf:hno3 3:ch:ch3 3cooh=1:3:2(cooh=1:3:2(体积比体积比) ) 3si+4hno 3si+4hno3 3+18hf=3h+18hf=3h3 3sifsif6 6+4no+8h+4no+8h2 2o o 注意腐蚀温度：注意腐蚀温度：t=30-50,t=30-50,表面平滑；表面平滑； t25,