IC工艺Ch-3硅单晶的生长与硅片加工

1、Chapter 3Single-Crystal Growth &Wafer Preparation硅单晶的生长与硅片加工硅单晶的生长与硅片加工 本章重点掌握：本章重点掌握：1、什么是什么是CZ-Si、FZ-Si、MCZ-Si、NTD-Si？基本工艺原理、材料特点和用途？基本工艺原理、材料特点和用途？2、GaAs等化合物半导体材料生长的工艺特点？等化合物半导体材料生长的工艺特点？3、什么是分凝效应？对材料工艺有什么影响？、什么是分凝效应？对材料工艺有什么影响？4、NTD-Si的制备中，高纯的制备中，高纯Si在反应堆中经热中在反应堆中经热中子辐照后，为什么还要进行退火处理？子辐照后，为什么

2、还要进行退火处理？5、晶片的加工的主要工艺流程是什么？、晶片的加工的主要工艺流程是什么？6、什么是杂质吸出工艺？什么是氧内吸出工艺？、什么是杂质吸出工艺？什么是氧内吸出工艺？期工艺原理和工艺过程是什么？期工艺原理和工艺过程是什么？7、材料参数测量？、材料参数测量？ 3.1Phase DiagramPhase-change, Solid Solubility & Segregation相图相变、固溶度与分凝3.1.1Phase Diagram (9-12页） 基本性质基本性质 Lever rule（杠杆法则）（杠杆法则） 相律相律 P+F=C+2 P:系统中的相数系统中的相数 F:自由度

3、自由度 C:组元数组元数 三相点三相点 无限互溶（无限互溶（F 2.3）SLCCCCWWMSLMLS3.1.2 Impurity Solid Solubility (12页、页、p.12-阅读阅读） 最大固溶度最大固溶度Frozen-inPrecipitationQuenching 3.1.3 Phenomenon of Segregation (13页、页、p.25）Equilibrium Segregation Coefficientk=CS/CL , (& k=CS1/CS2，or * ) 3.2高纯多晶硅的制备高纯多晶硅的制备地球上最多的元素是地球上最多的元素是Si，化合物是石

4、英砂（化合物是石英砂（SiO2），），与焦碳混合，在电炉中还原（与焦碳混合，在电炉中还原（16001800C）可以获得可以获得9599%的的工业粗硅（冶金级硅）工业粗硅（冶金级硅）。MGS（Metallurgical Grade Silicon）SiO2+2C=Si+2CO1、硅粉的酸洗、硅粉的酸洗HCl、王水、（HF+H2SO4）、蒸馏水2、中间化合物的精馏提纯与高纯多晶硅、中间化合物的精馏提纯与高纯多晶硅的还原的还原1）三氯氢硅法（SiHCl3，trichlorosilanesTCS）合成合成Si+3HClSiHCl3+H2通过控制温度、气压等，抑制SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl

5、、SiH4的产生 3、冷凝器， 4、回流管， 5、出料口精馏精馏还原（氢还原）还原（氢还原）SiHCl3+H211001200CSi+3SiCl4+2H2还原过程中的各种不完全 反应尾气化合物将影响纯度2）硅烷法（SiH4） a）合成法：SiCl4+4LiHSiH4+4LiCl b）硅化镁分解法：2Mg+Si Mg2SiMg2Si+4NH4Cl 液NH3SiH4 +2MgCl+4NH3硅烷热分解SiH4900CSi+2H2三氯氢硅法较经济效率高；硅烷法成本高，纯度高基基B的残留的残留！Electronic-grade Silicon （EGS） 3.3单晶硅的生长单晶硅的生长 3.3.1 Cz

6、ochralski (切克劳斯基）切克劳斯基）Growth（直拉法单晶生长，（直拉法单晶生长，Cz-Si）1、原理：在适当的温度梯度、气压、原理：在适当的温度梯度、气压下，熔融的硅在高度完美的籽晶（下，熔融的硅在高度完美的籽晶（Seed）的旋转牵引下可控地生长。的旋转牵引下可控地生长。2、Cz-Si生长工艺：生长工艺：（16-17页页）工艺控制：缩颈(Necking)；零位错生长温度场的分布；（缺陷、杂质、二次热缺陷）旋转速率；（温度场的均匀、杂质均匀）提升速率；（直径、缺陷、应力）弯月面的控制；（生长测控的特征面）气场的控制；（缺陷、杂质）冷却过程中的缺冷却过程中的缺陷；热历史对材陷；热历史

7、对材料和以后的器件料和以后的器件性质产生影响。性质产生影响。3、杂质分布的控制：、杂质分布的控制：1) 杂质的掺入杂质的掺入, (高掺杂高掺杂Si) ：0.001100 cm2) Segregation：1720页；页；P2324生长附面层与有效分凝系数生长附面层与有效分凝系数附面层：附面层：熔融体附面，杂质附面熔融体附面，杂质附面公式（2-11），Eq.(2-13)例2-1（20页）g=单晶硅重量/初始熔硅重量g=0，0.1，0.5，0.8；C0=1x1015 atoms/cm3，（B）=15.3，14.98，13.3，11.1，（P）=14.4，13.4， 9.72，4.46，impuri

8、tyAlAsBCCuFeOPSb3) O、C的控制的控制来源：？来源：？检测：检测：FTIR改善：改善：MCz （P2527）66页图页图3-17同时也改善横向均匀性同时也改善横向均匀性通常：通常：O：1018 cm-3 C：1017 cm-3用途用途: a)绝大多数分离器件绝大多数分离器件( ：110 cm)b)集成电路衬底集成电路衬底3.3.2 Float-zone (悬浮区熔法Fz-Si）1、目的：目的：获得低获得低O、C含量的含量的Si2、方法、方法F2.21(P.30、31)3、特点、特点 Fz的纵向均匀的纵向均匀性比性比Cz好些好些; 可以多次区熔可以多次区熔提纯提纯,获得探测获得

9、探测器级单晶硅器级单晶硅; 难以制备大直难以制备大直径单晶径单晶 掺杂浓度难以掺杂浓度难以控制控制4、NTD Si（Neutron Transmutation Doping，中子嬗变掺杂）1）掺杂：2）退火电激活、与辐照损伤的消除Fz-Si的O、C含量低于1016cm-3电阻率一般大于100cmp型（掺B）材料均匀性较好n型材料常以NTD方式获得（可得10 cm）的材料）用于大功率器件和探测器 3.4其它化合物半导体材料的晶体生长其它化合物半导体材料的晶体生长3.4.1.GaAs的的LEC （液封直拉法）（液封直拉法）（Liquid Encapsulated Czochralski Growt

10、h）原因：在高温下，原因：在高温下，Ga、As的蒸气压有很大的不的蒸气压有很大的不同（同（Ga：0.001atm；As：10atm）即：在晶体外保持即：在晶体外保持10atm的的As气压才能不使气压才能不使GaAs晶体中的晶体中的As分离分离逸出。逸出。Henrys Low：Pi=HNSi事实上，在事实上，在500C热处理时，热处理时， GaAs晶体近表晶体近表面（面（ m）的）的As已经会有严重的已经会有严重的逸出。逸出。B2O3籽晶优点：生长快、成本低；缺点：位错密度高（热应力大）措施：后热退火（Post-annealing）也适合于InP、GaP等材料的生长名词：HPLEC3.4.2Br

11、idgman GrowthHB法(Horizontal Bridgman)优点：装置“简单”；容易控制；缺陷密度较小；缺点：形成“D”型晶体，使用率低；不易得到高阻材料；与石英舟的接触面大；改进：VB or VGF Method(Vertical Bridgman；Vertical Gradient Freeze） VGF6in10McmDislocation： 25103cm-3 3.6晶片的加工晶片的加工3.6.1.器件对材料的要求3.6.2. Wafer Processing （6772页）（Slicing，Etching，and Polishing）1、去头、去尾、测试和分段(外观、纵

12、向均匀性）2、滚磨（ROUNDING）3、定向、磨参考面（Orientation）4、 Slicing（切片）（69页）内圆切割内圆切割Inner Diameter（ID Saw）晶棒晶棒（ingot）粘着粘着偏向（偏向（off-orientation）切片厚度？切片厚度？ m损伤层厚度损伤层厚度 m线切割（Wire Saw）5、倒角（Edge-rounded）边缘破裂、热应力缺陷、边缘平坦度6、Etching & Polishing（腐蚀与抛光）CMP（化学机械抛光）双面抛光（DSP）7、IdentificationMarking，Cleaning，Gettering，and Shi

13、ping 硅片加工流程回顾：测试、定位测试、定位定向切片定向切片倒角倒角外观整形外观整形后腐蚀后腐蚀清洗、包装清洗、包装抛光抛光晶棒粘着晶棒粘着切片切片硅片拆卸硅片拆卸清洗、检验清洗、检验磨片磨片 3.7晶片的杂质吸出工艺（5656页） 杂质吸除 Gettering (晶体工程） 外吸出外吸出（背吸除） 背面淀积多晶硅薄膜（12m），并在700C退火 内吸出内吸出 三段式氧吸除： 1100C氧外扩散10h； 750C氧成核4h多次； 1000C氧吸除4h多次 氢、氦微孔结构的吸杂作用 H、He注入退火成核吸杂 Do you really have the ideas about followings？1、什么是什么是CZ-Si、FZ-Si、MCZ-Si、NTD-Si？基本工艺原理、材料特点和用途？基本工艺原理、材料特点和用途？2、GaAs等化合物半导体材料生长的工艺特点？等化合物半导体材料生长的工艺特点？3、什么是分凝效应？对材料工艺有什么