半导体制造技术第四章课件

第四章硅和硅片制备第四章硅和硅片制备1学习目标：1.硅原材料怎样精炼成半导体级硅2.解释晶体结构和单晶硅的生长方法3.硅晶体的主要缺陷种类3.描述硅片制备的基本步骤4.对硅片供应商的7种质量标准5.外延对硅片的重要性。学习目标：2在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以及硅片和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正是对晶圆生产的一个挑战。在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以及硅片和用3物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体非晶：原子排列无序晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单元。单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。多晶体：晶胞排列不规律2.1硅的晶体结构物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体2.1硅的晶体结构4非晶原子排列非晶原子排列5三维结构的晶胞晶胞三维结构的晶胞晶胞6多晶和单晶结构多晶结构单晶结构多晶和单晶结构多晶结构单晶结构7晶体结构的原子排列Figure4.2

晶体结构的原子排列Figure4.289晶面（用密勒指数表示）硅晶圆中最常使用的晶面是<100>和<111>（100）晶面的晶圆用来制造MOS器件和电路（111）晶面的晶圆用来制造双极性器件和电路砷化镓技术使用（100）晶面的硅片9晶面（用密勒指数表示）硅晶圆中最常使用的晶面是<100>和9晶面密勒指数ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)Figure4.9

晶面密勒指数ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)10晶体缺陷①定义②晶体缺陷的影响半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。A：生长出不均匀的二氧化硅膜B：淀积的外延膜质量差C：掺杂层不均匀D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。晶体缺陷①定义②晶体缺陷的影响半导体器件需要高度完美的晶体，11硅中三种普遍的缺陷形式点缺陷：原子层面的局部缺陷位错：错位的晶胞层错：晶体结构的缺陷硅中三种普遍的缺陷形式点缺陷：原子层面的局部缺陷1213A：点缺陷形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致替位杂质空位Frenkel缺陷填隙杂质13A：点缺陷替位杂质空位Frenkel缺陷填隙杂质13B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因：晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因：晶体生长条件、晶14常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。C：层错常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两1516硅晶圆制备的四个阶段A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备芯片制造的第一阶段：材料准备芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备16硅晶圆制备的四个阶段A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼1617①冶炼SiO2+C→Si+CO↑或者得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。②酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。17①冶炼1718③精馏提纯将酸洗过的硅转化为SiHCl3或SiCl4，Si+3HCl（g）→SiHCl3↑+H2↑Si+2Cl2→SiCl4↑好处：常温下SiHCl3与SiCl4都是气态，SiHCl3的沸点仅为31℃18③精馏提纯1819④还原

多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氢气易于净化，且在Si中溶解度极低19④还原1920晶体生长定义:把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类：有坩埚的：直拉法、磁控直

拉法、液体掩盖直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。20晶体生长定义:按制备时有无使用坩埚分为两类：2021直拉法—Czochralski法（CZ法）起源1918年由Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。21直拉法—Czochralski法（CZ法）起源21一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅就像是籽晶的复制品坩锅里的硅被单晶炉加热，硅变成熔体籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。CZ直拉法的生长方法一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅就221）设备：石英坩埚、高频加热线圈等2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶3）晶体生长的结构与籽晶晶体结构一致1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等23半导体制造技术第四章课件24半导体制造技术第四章课件2526CZ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26CZ法工艺流程准备：26生长过程(掌握)1.籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是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。颈一般要长于20mm。生长过程(掌握)1.籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔273.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，<111>方向应有对称三条棱，<100>方向有对称的四条棱。4.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。5.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的28CZ法晶体提拉資料來源:http://CZ法晶体提拉資料來源:http://29优点：所生长单晶的直径较大优点：成本相对较低缺点：熔体与坩埚接触，易引入氧杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10-40ppm)SiO2=Si+O2（石英坩锅高温下）当单晶在300-600度冷却时，氧会被激活成为施主,因此能改变单晶的电阻率。直拉单晶在1200度退火使氧沉积，可使氧施主的浓度降至1014/厘米3,电阻率会发生明显的变化。（50欧.厘米的P硅掺入1014/厘米3的硼)掺杂时，沿轴向电阻率分布不均匀，对于k小于1的杂质，靠近籽晶的一端电阻率较高直拉法生长单晶的特点直拉法生长单晶的特点3031悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，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。31悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，多晶与单晶均由夹具31半导体制造技术第四章课件32两种方法的比较CZ法是较常用的方法价格便宜较大的晶圆尺寸(直径300mm)晶体碎片和多晶态硅再利用悬浮区熔法纯度较高(不用坩埚)价格较高，晶圆尺寸较小(150mm)高压大功率元件两种方法的比较CZ法是较常用的方法3334直拉法和区熔法晶体生长的比较34直拉法和区熔法晶体生长的比较34半导体制造技术第四章课件35硅片的制备晶体生长整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片的制备晶体生长整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装36定位边研磨径向研磨去掉两端整型处理：1.去掉两端；2.径向研磨；3.硅片定位边或定位槽定位边研磨径向研磨去掉两端整型处理：37切片（内圆切割机/线锯）内圆切割机切片（内圆切割机/线锯）内圆切割机38磨片和倒角粗略研磨；使用传统的浆料；移除表面大部分损伤产生平坦的表面减小位错的影响磨片和倒角粗略研磨；39刻蚀消除硅片表面的损伤和沾污将硝酸(水中浓度79%),氢氟酸(水中浓度49%),和纯醋酸

依照4:1:3比例混合.化学反应式:3Si+4HNO3+6HF3H2SiF6+4NO+8H2O刻蚀消除硅片表面的损伤和沾污40普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机械加化学，经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。抛光普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光41研磨液研磨垫压力晶圆夹具晶圆抛光研磨液研磨垫压力晶圆夹具晶圆抛光42UpperpolishingpadLowerpolishingpadWaferSlurryUpperpolishingpadLowerpolis43200mm的晶圆厚度和表面平坦度的变化76mm914mm晶圆切片之后边缘圆滑化之后76mm914mm12.5mm814mm<2.5mm750mm725mm几乎是零缺陷的表面粗磨之后刻蚀之后CMP之后200mm的晶圆厚度和表面平坦度的变化76mm914m44清洗硅片评估包装清洗45质量测量物理尺寸平整度微粗糙度氧含量晶体缺陷颗粒体电阻率质量测量物理尺寸46硅片要求硅片要求47物理尺寸：直径厚度晶向位置和尺寸定位边硅片变形

物理尺寸：48平整度：通过硅片的直线上的厚度变化。对光刻工艺很重要。有局部平整度和整体平整度之分平整度：49微粗糙度测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别，用均方根表示。用几种光学表面形貌分析仪的一种进行的。微粗糙度50氧含量少量的氧能起俘获中心的作用，束缚硅中的沾污物。然而过量的氧会影响硅的机械和电学特性。通过横断面检测。氧含量51晶体缺陷目前的要求是每平方厘米的晶体缺陷少于1000个。横断面技术史一种控制晶体体内微缺陷的方法。晶体缺陷52颗粒尺寸大于或等于0.08um。200mm的硅片表面每平方厘米少于0.13个颗粒。体电阻率依赖于杂质浓度。用四探针方法测量。颗粒53外延层单晶提高电路性能，降低闩锁效应通常没有沾污不同工艺的外延层厚度可以不同外延层单晶54外延层应用N型外延层pn+n+P型衬底电流n+深埋层p+p+SiO2Al•Cu•Si基极集电极发射极外延层应用N型外延层pn+n+P型衬底电流n+深埋层p+p+55外延层应用P型衬底N阱P阱STIn+n+USGp+p+金属1,Al•CuBPSGWP型外延层外延层应用P型衬底N阱P阱STIn+n+USGp+p+金属56小结硅原材料怎样精炼成半导体级硅晶体缺陷和晶面CZ直拉法硅片制备的基本步骤对硅片供应商的7种质量标准小结硅原材料怎样精炼成半导体级硅57第四章硅和硅片制备第四章硅和硅片制备58学习目标：1.硅原材料怎样精炼成半导体级硅2.解释晶体结构和单晶硅的生长方法3.硅晶体的主要缺陷种类3.描述硅片制备的基本步骤4.对硅片供应商的7种质量标准5.外延对硅片的重要性。学习目标：59在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以及硅片和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正是对晶圆生产的一个挑战。在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以及硅片和用60物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体非晶：原子排列无序晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单元。单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。多晶体：晶胞排列不规律2.1硅的晶体结构物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体2.1硅的晶体结构61非晶原子排列非晶原子排列62三维结构的晶胞晶胞三维结构的晶胞晶胞63多晶和单晶结构多晶结构单晶结构多晶和单晶结构多晶结构单晶结构64晶体结构的原子排列Figure4.2

晶体结构的原子排列Figure4.26566晶面（用密勒指数表示）硅晶圆中最常使用的晶面是<100>和<111>（100）晶面的晶圆用来制造MOS器件和电路（111）晶面的晶圆用来制造双极性器件和电路砷化镓技术使用（100）晶面的硅片9晶面（用密勒指数表示）硅晶圆中最常使用的晶面是<100>和66晶面密勒指数ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)Figure4.9

晶面密勒指数ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)67晶体缺陷①定义②晶体缺陷的影响半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。A：生长出不均匀的二氧化硅膜B：淀积的外延膜质量差C：掺杂层不均匀D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。晶体缺陷①定义②晶体缺陷的影响半导体器件需要高度完美的晶体，68硅中三种普遍的缺陷形式点缺陷：原子层面的局部缺陷位错：错位的晶胞层错：晶体结构的缺陷硅中三种普遍的缺陷形式点缺陷：原子层面的局部缺陷6970A：点缺陷形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致替位杂质空位Frenkel缺陷填隙杂质13A：点缺陷替位杂质空位Frenkel缺陷填隙杂质70B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因：晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因：晶体生长条件、晶71常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。C：层错常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两7273硅晶圆制备的四个阶段A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备芯片制造的第一阶段：材料准备芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备16硅晶圆制备的四个阶段A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼7374①冶炼SiO2+C→Si+CO↑或者得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。②酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。17①冶炼7475③精馏提纯将酸洗过的硅转化为SiHCl3或SiCl4，Si+3HCl（g）→SiHCl3↑+H2↑Si+2Cl2→SiCl4↑好处：常温下SiHCl3与SiCl4都是气态，SiHCl3的沸点仅为31℃18③精馏提纯7576④还原

多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氢气易于净化，且在Si中溶解度极低19④还原7677晶体生长定义:把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类：有坩埚的：直拉法、磁控直

拉法、液体掩盖直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。20晶体生长定义:按制备时有无使用坩埚分为两类：7778直拉法—Czochralski法（CZ法）起源1918年由Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。21直拉法—Czochralski法（CZ法）起源78一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅就像是籽晶的复制品坩锅里的硅被单晶炉加热，硅变成熔体籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。CZ直拉法的生长方法一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅就791）设备：石英坩埚、高频加热线圈等2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶3）晶体生长的结构与籽晶晶体结构一致1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等80半导体制造技术第四章课件81半导体制造技术第四章课件8283CZ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26CZ法工艺流程准备：83生长过程(掌握)1.籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是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。颈一般要长于20mm。生长过程(掌握)1.籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔843.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，<111>方向应有对称三条棱，<100>方向有对称的四条棱。4.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。5.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的85CZ法晶体提拉資料來源:http://CZ法晶体提拉資料來源:http://86优点：所生长单晶的直径较大优点：成本相对较低缺点：熔体与坩埚接触，易引入氧杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10-40ppm)SiO2=Si+O2（石英坩锅高温下）当单晶在300-600度冷却时，氧会被激活成为施主,因此能改变单晶的电阻率。直拉单晶在1200度退火使氧沉积，可使氧施主的浓度降至1014/厘米3,电阻率会发生明显的变化。（50欧.厘米的P硅掺入1014/厘米3的硼)掺杂时，沿轴向电阻率分布不均匀，对于k小于1的杂质，靠近籽晶的一端电阻率较高直拉法生长单晶的特点直拉法生长单晶的特点8788悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，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。31悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，多晶与单晶均由夹具88半导体制造技术第四章课件89两种方法的比较CZ法是较常用的方法价格便宜较大的晶圆尺寸(直径300mm)晶体碎片和多晶态硅再利用悬浮区熔法纯度较高(不用坩埚)价格较高，晶圆尺寸较小(150mm)高压大功率元件两种方法的比较CZ法是较常用的方法9091直拉法和区熔法晶体生长的比较34直拉法和区熔法晶体生长的比较91半导体制造技术第四章课件92硅片的制备晶体生长整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片的制备晶体生长整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装93定位边研磨径向研磨去掉两端整型处理：1.去掉两端；2.径向研磨；3.硅片定位边或定位槽定位边研磨径向研磨去掉两端整型处理：94切片（内圆切割机/线锯）内圆切割机切片（内圆切割机/线锯）内圆切割机95磨片和倒角粗略研磨；使用传统的浆料；移除表面大部分损伤产生平坦的表面减小位错的影响磨片和倒角粗略研磨；96刻蚀消除硅片表面的损伤和沾污将硝酸(水中浓度79%),氢氟酸(水中浓度49%),和纯醋酸

依照4:1:3比例混合.化学反应式:3Si+4HNO3+6HF3H2SiF6+4NO+8H2O刻蚀消除硅片表面的损伤和沾污97普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机械加化学，经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。抛光普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光98研磨液研磨垫压力晶圆夹具晶圆抛光研磨液研磨垫压力晶圆夹具晶圆抛光99UpperpolishingpadLowerpolishingpadWaferSlurryUpperpolishing