soc工艺课件 ch2硅片的制备

1、P1微电子制造工艺概论第2章 硅片制备P2本章主要内容 2.1多晶硅的制备 2.2单晶硅生长 2.3切制硅片P32.1多晶硅的制备单晶硅衬底材料制备：单晶硅衬底材料制备： 制备多晶硅，石英砂（硅石）通过冶炼冶炼得到冶金级硅（MGS：metallurgical grade silicon），再经过一系列的提纯提纯工艺得到电子级硅（EGS：electrical grade silicon），然后由电子级多晶硅熔体拉制拉制出单晶硅锭，再切片切片加工出硅片。 在单晶硅衬底上通过外延外延工艺生长出单晶硅外延层，得到外延片。P42.1.1多晶硅的制备冶炼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

2、英砂，得到硅。硅的含量在98-99之间，称为冶金级硅（MGS），也称为粗硅或硅铁。主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu 要进一步提纯。 16001800 C2SiO +2CSi+2COP5 酸洗（酸洗（hydrochlorinationhydrochlorination）：硅不溶于酸，粗硅初步提纯是用盐酸、王水、氢氟酸等混合强酸浸泡，去除粗硅中的铁、铝等主要杂质，清洗至硅纯度99.7%以上。（化学提纯）（化学提纯） 蒸馏提纯（蒸馏提纯（distillationdistillation） ：利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏（物理提纯）（物理提纯）来对其进行提纯。 先将酸洗过的硅氧化为S

3、iHCl3或 SiCl4，常温下SiHCl3 (沸点31.5)，与SiCl4( 沸点57.6)都是液态，蒸馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4。 Si+3HClSiHCl Si+3HClSiHCl3 3+H+H2 2 Si+2Cl Si+2Cl2 2SiClSiCl4 4 分解（分解（discompositiondiscomposition）：氢气易于净化，且在硅中溶解度极低，因此，多用H2来还原SiHCl3和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。 SiClSiCl4 4+2H+2H2 2Si+4HCl SiHClSi+4HCl SiHCl3 3+H+H2 2Si+3HClSi+3H

4、Cl 电子级硅EGS杂质：碳-ppm（百万分之几）；,族-ppb(十亿分之几)2.1.1多晶硅的制备提纯P62.1.1多晶硅的制备提纯西门子反应器P72.2 单晶硅生长采用熔体生长法制备单晶硅锭多晶硅熔体硅单晶硅锭 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 。 P882.2.1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

5、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P9四部分组成： 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、真空计、进气阀等； 控制部分： 显示器和控制面板等 ；图2-2 TDR-A型单晶炉照片2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P10在坩埚中放入电子级的多晶硅，加热使之熔融，用一个卡具夹住一块适当晶向的籽晶，悬浮在坩埚上。拉单晶时，将籽晶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。硅锭被拉出时，边旋转边提拉，而

6、坩埚向相反方向旋转。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P11缩颈作用示意图缩颈作用示意图CZ法主要工艺流程：法主要工艺流程： 准备腐蚀清洗多晶硅籽晶准备装炉 开炉抽真空通气升温水冷； 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；2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P12准备阶段：准备阶段： 清洗腐蚀多晶硅，除去表面沾污和氧化层，放入坩埚； 选择晶格完整性好的单晶，其晶向应与拉制单晶锭的晶向一致，籽晶表面应无氧化，无划伤； 将籽晶卡在拉杆卡具上；开炉阶段：开炉阶段： 将单晶生长室的真空度抽至高真空； 通入惰性气体以及所需掺杂气体； 打开加热器升

7、温； 打开水冷装置，通入冷却水循环；2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P13引晶引晶“引晶”，温度稳定时，籽晶与熔体接触，浸润良好时，缓慢提拉，硅在籽晶头部结晶。提拉法生长过程：提拉法生长过程：2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)缩颈缩颈“缩颈”，引晶后略降温，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般长于20mm。P14放肩放肩缩颈之后，略降温，让晶体逐渐长大到所需直径。收尾收尾随着晶体生长结束，采用稍升温，提高拉速，使晶体直径逐渐变小结束单晶生长。等径生长等径生长晶体达到所需直径后，提高拉速，使晶体直径

8、不再长大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变。典型拉经速率：每分钟几毫米。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P15籽晶的作用：籽晶的作用： 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）。缩颈：缩颈： 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。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P16停炉阶段：停炉阶段： 降温； 停止通气；

9、 停止抽真空； 停止通入冷却循环水； 开炉取出单晶锭。避免单晶硅锭在较高温度暴露在空气中，带来氧化和污染。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P17晶锭质量控制 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，这些环相对硅锭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。 2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P18掺杂方式

10、掺杂方式液相掺杂直接掺元素：单质，重掺杂；母合金掺杂：硅合金，轻掺杂和中等掺杂； 气相掺杂 中子辐照（NTD）掺杂中子嬗变掺杂技术2.2.3晶体掺杂P19分凝（分凝（segregation） 液相掺杂可直接在坩埚内加入杂质元素制造特定电阻率晶圆片。 对于固相液相的界面，由于杂质在不同相中的溶解度不一样，所以杂质在界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就是所谓杂质的分凝现象。 杂质分凝作用的大小描述分凝系数k，定义为杂质在固相中的溶解度与杂质在液相中的溶解度之比： k=Cs/Cl 2.2.3晶体掺杂液相掺杂P20例题： CZ法制备=1cm的 n-Si单晶50kg，掺As多少？ 由电阻-掺杂浓度曲线

11、，查出砷浓度nAs=6x1015/cm3，密度As=5.73g/cm3， si=2.33g/cm3 ，只需掺入的As的浓度： 砷的原子量为74.92，原子量的单位为1.6606x10-27，掺入砷的质量为： 称量误差1mg，浓度误差6%。采用母合金掺杂法，制备1：10的砷硅合金。2.2.3晶体掺杂液相掺杂31520SiAsAsSiW n50 106 10N=1.287 102.33atoms 2120W =1.661 1074.921.287 1016AsmgP21分凝系数与晶锭中掺杂浓度的关系 设晶体生长时，熔体初始重量为M0/g，初始掺杂浓度为C0(每克熔体中所含杂质重量)，若已知生长出的

12、晶体重量为M/g时，熔体中剩余杂质为S/g。 Cs和Cl分别表示界面附近固体和液体中杂质的平衡浓度。当晶体重量增加量为dM时，熔体中的杂质减小量： (1)sdSC dM此时，熔体中的掺杂浓度：0 (2)lSCMM将(1)(2)带入k0=Cs/C1得：00 (3)dSdMkSMM 已知初始杂质重量C0M0,则对(3)式两边进行积分有：00000 (4)SMC MdSdMkSMM求解上式并考虑公式(2)可得：010001 (5)ksMCk CMP222.2.3晶体掺杂液相掺杂分凝对杂质分布均匀性影响分凝对杂质分布均匀性影响在CZ法长晶中，若液体凝固速度极为缓慢，杂质在熔融液中始终均匀分布，且杂质在

13、固态晶体内扩散现象不明显，则晶锭内轴向杂质分布浓度P232.2.3晶体掺杂液相掺杂例题从含有0.01%磷或硼的熔料中拉制硅锭，计算：晶锭顶端磷或硼杂质的浓度？如果晶锭长1m，截面均匀，在何处两种杂质浓度分别是晶锭顶端处的2倍？解：硅原子密度为5x1022atoms/cm3，kP=0.35， kB=0.8 晶锭顶端磷的浓度为 晶锭顶端硼的浓度为 设在xP xB处，磷、硼杂质分别为 晶锭顶端杂质浓度的2倍，即Cx=2C0022183PC =5 100.35 0.0001=1.75 10atoms/cm（）022183C =5 100.8 0.0001=4 10atoms/cmB（）0.35 10.

14、8 12 0.00010.0001(1),0.662 0.00010.0001(1),0.97PPBBxxmxxmP24 采用Czochralski法生长的硅锭含有的硼原子浓度为1016 /cm3,那么比照硅锭中的浓度值其熔体中的硼浓度是多少？如果坩埚中硅的初始装量是80kg，那么应该加入多少克硼(原子量10g/mol)？(已知熔融硅的密度是2.5g/cm3,硼的分凝系数k0为0.8,一摩尔物质中所含原子数为6.02x1023 )解：由k0=Cs/Cl可得：1631630101.25 100.8slCcmCcmk熔体Si的体积为：343380 103.2 102.5 /SigVcmg cm则熔

15、体中硼原子数为：16343201.25 103.2 10 4 10BlSiNCVcmcm所以，应加入的硼的质量为：236.676.02 10/BBNmmgmol10g/mol可见，如此巨量的硅只需加入少量的硼就足够了。2.2.3晶体掺杂液相掺杂P252.2.3晶体掺杂液相掺杂母合金掺杂母合金掺杂 将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），再按所需的计量掺入合金。这种方法适于制备一般浓度的掺杂。 采用母合金掺杂方式的原因：掺入杂质剂量很小，如电阻率为1cm的n-Si，杂质为砷时，由电阻率-掺杂浓度曲线，砷杂质浓度6*1015/cm3,硅单位体积原子数5*1022/cm3，5千克硅，只需掺

16、入1毫克砷，计量很小，误差难免，如果采用砷硅合金的话，就能增加掺入计量，从而减小误差。P26蒸发蒸发 蒸发常数E 是指坩埚中熔体内的杂质从熔体表面蒸发到气相中的现象，用蒸发常数E来表征杂质蒸发的难易。 N=EACl 其中N为气相杂质浓度，A为液相面积。 杂质浓度分布与k、E有关。2.2.3晶体掺杂液相掺杂P272.2.3晶体掺杂液相掺杂分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法蒸发常数太大的杂质不能用液相掺杂方法蒸发常数太大的杂质不能用液相掺杂方法表2-1 硅中常见杂质的分凝系数和蒸发常数参数BAlGa In OPAsSb分凝系数0.800.00180.00723

17、.6*10-40.250.350.270.02蒸发常数510-610-410-3510-310-4510-3710-2P28 利用杂质的扩散机理，在用区熔法拉制硅单晶的过程中加入气相杂质氛围，并通过控制杂质气体的杂质含量和气体流量的方法控制单晶的电阻率。 在单晶炉内通入的惰性气体中加入一定量的含掺杂元素的杂质气体。在杂质气氛下，蒸发常数小的杂质部分溶入熔体硅中，掺入单晶体内。无坩埚生长单晶法，一般采用气相掺杂方法。 2.2.3晶体掺杂气相掺杂P29 中子嬗变掺杂（NTD：Neutron Transmutation Doping）又称中子辐照掺杂，是利用核反应进行掺杂的方法。 硅有三种同位素：2

18、8Si 92.28% , 29Si 4.67% ,30Si 3.05%，其中30Si有中子嬗变现象。 将纯净硅锭放在核反应堆中，用中子照射，使硅中的天然同位素30Si俘获中子后产生不稳定的31Si,经过半衰期(2.62h)的衰变生产不稳定的31P，从而实现对硅单晶的磷(n型)掺杂。2.2.3晶体掺杂中子嬗变掺杂30312.623131SiSi+SiP+e 中子半衰期小时P30 通过控制辐照中子的剂量，可获得不同掺杂浓度的n型硅，最大掺杂浓度，1.53x1021/cm3 ； 中子辐照而产生的快中子轰击位错、通量感生位错等辐照损伤缺陷。嬗变杂质后需要进行硅锭的热退火，退火条件通常为： 600，1小

19、时； 优点：无杂质分凝、杂质蒸发等现象，掺杂均匀性好； 缺点：只能用于制备n型硅锭。2.2.3晶体掺杂中子嬗变掺杂P31 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=qB MCZ单晶炉单晶炉2.2.4磁控直拉法（MCZ法） P32 悬浮区熔法，多晶与籽晶均由卡具夹着，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

20、的污染，因此能生长出无氧的，纯度更高的单晶硅锭。 悬浮区熔装置示意图悬浮区熔装置示意图2.2.4悬浮区熔法（FZ法） P33不同生长技术可获得的最小载流子浓度三种方法比较 直拉法直拉法工艺成熟，可拉出大直径硅锭，是目前采用最多的单晶硅锭生产方法，但有氧。 磁控直拉法磁控直拉法能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅锭。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。 悬浮区熔法悬浮区熔法与直拉法相比，去掉了坩埚，能拉制出高纯度、无氧高阻单晶，当前FZ硅的电阻率可达5000cm以上。2.2单晶硅生长 P342.3切制硅片切片工艺流程： 切断 滚磨 定晶向 切片 倒角 研磨 腐

21、蚀 抛光 清洗 检验切断切断：切除单晶硅碇的头部，尾部和超规格的部分。滚磨滚磨：单晶硅锭的外部表面不平整，直径也比抛光晶片大，通过滚磨获得较为精确的直径。P35定晶向：定晶向：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。 硅片主要晶向、掺杂类型的定位平边硅片主要晶向、掺杂类型的定位平边2.3.1切制硅片切片工艺P36切片切片：利用金刚石刀片把晶锭切成薄片，切片决定四个晶片参数为：表面晶向(如或)厚度(与晶片直径有关)锥度(晶片从一边到另一边的厚度变化)弯曲度(晶片中心向边沿所测得的晶片表面曲率)（111）（100）切片偏差小于1，但外延用（111）片应偏出

22、30.5。2.3硅片制造P37晶片边缘研磨（倒角）：将切割好的晶片的锐利边修整成圆弧形倒角的目的：防止硅片边缘破裂；防止热应力造成的缺陷；增加外延层和光刻胶在硅片边缘的平坦度。2.3硅片制造P38晶片表面研磨 用Al2O3和甘油的混合物研磨晶片的双面，使晶片厚度均匀。表面研磨的目的去除硅表面的切片刀痕和凹凸不平；使表面加工损伤达到一致；调节硅片厚度；提高平行度，使硅片各处厚度均匀；改善表面平坦度。2.3硅片制造P39200mm直径晶片的厚度及表面粗糙度在研磨过程中的变化2.3硅片制造P40清洗清洗: :使硅片达到几乎没有颗粒和沾污的程度。主要方法：湿法化学清洗、兆声清晰、干法清洗、刷片清洗、激光清洗等。硅片表面杂质分为：分子型、离子型、原子型。清洗顺序：去分子去离子去原子去离子水冲洗烘干抛光抛光：单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度的抛光面。抛光的设备：多片式抛光机，单片式抛光机。抛光的方式：先粗抛，去除损伤层，一般去除量约在10-20m；再精抛，改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1m以下。2.