第一章 衬底制备

集成电路(jíchéng-diànlù)制造技术第一章Si单晶及Si片的制备(zhìbèi)2015年9月11日共三十四页主要(zhǔyào)内容多晶硅的制备(zhìbèi)直拉法制备Si单晶Si片的制备共三十四页1.1.1半导体材料(cáiliào)的类型1）元素半导体2）化合物半导体3）合金（固溶体）

元素(yuánsù)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:5.50eV1.1多晶Si的制备共三十四页化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形成(xíngchéng)，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形成，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等Ⅳ-Ⅳ族：SiC1.1.1半导体材料(cáiliào)的类型共三十四页合金(héjīn)半导体二元合金(héjīn)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半导体材料的类型共三十四页Si半导体的重要性①占地壳重量20%-25%；②单晶直径(zhíjìng)最大：每3年增加1英吋，目前主流12英寸（300mm），最新18英吋（450mm）；③SiO2: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；④多晶硅（Poly-Si）：栅电极、杂质扩散源、互

连线（比铝布线灵活）；共三十四页1.1.2Si单晶的起始材料--石英岩（高纯度硅砂--SiO2）①SiO2+SiC+C→Si(s)+SiO(g)+CO(g),冶金级硅：98%；②Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态（沸点为32℃），利用(lìyòng)分馏法去除杂质；③SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，电子级硅（片状多晶硅）从石英砂到硅锭共三十四页多晶硅提纯(tíchún)

I过滤器冷凝器纯化(chúnhuà)器反应室，300℃HClSi硅粉SiHCl3(三氯氢硅

，TGS)纯度:99.9999999%(9N)Si(固)+3HCl(气)－－→SiHCl3(气)+H2(气)(220~300℃)SiHCl3：沸点31.5℃Fe、Al和B被去除。共三十四页多晶硅提纯(tíchún)

IIH2液态(yètài)SiHCl3TGSH2+SiHCl3H2+SiHCl3→Si+3HCl电子级硅多晶硅EGS工艺腔共三十四页1.2.1直拉法（CZ法）1）拉晶仪①炉子石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑(zhīchēng)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(zhìbèi)共三十四页柴可拉斯基拉晶仪共三十四页1）拉晶仪②拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；③环境(huánjìng)控制真空系统：气路系统：提供惰性气体；排气系统：④电子控制及电源系统

共三十四页2）拉晶过程(guòchéng)

例，2.5及3英吋硅单晶制备①

熔硅：1415℃调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长）②

引晶（下种）籽晶预热：目的---避免对热场的扰动(rǎodòng)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；

共三十四页2）拉晶过程(guòchéng)③收颈目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸；直径(zhíjìng)：2-3mm；长度：>20mm；拉速：3.5mm/min

④放肩温度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；

共三十四页2）拉晶过程(guòchéng)⑤收肩当肩部(jiānbù)直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速：2.5mm/min；⑥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；⑦收尾熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。共三十四页直拉(CZ)法生长(shēngzhǎng)Si单晶示意共三十四页直拉(CZ)法生长(shēngzhǎng)的Si单晶锭共三十四页1.2Si单晶的制备(zhìbèi)1.2.2悬浮区熔法也称FZ法，float-zone特点(tèdiǎn)：①可重复生长、提纯单晶；②

无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高；③

FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点：

单晶直径不及CZ法。

共三十四页直拉法vs区熔法

直拉法，更为(ɡènɡwéi)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：0～104cm2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：103～105cm2共三十四页1.2Si单晶的制备(zhìbèi)1.2.3水平(shuǐpíng)区熔法布里吉曼法–GaAs单晶共三十四页1.3Si片制备(zhìbèi)衬底制备包括：整形(zhěngxíng)、晶体定向、晶面标识、晶面加工。共三十四页1.3.1硅锭整型处理(chǔlǐ)定位(dìngwèi)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。共三十四页1.3.2晶体(jīngtǐ)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(cānkǎo)李乃平）

①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；

②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。

共三十四页光图像(túxiànɡ)定向法共三十四页1.3.2晶体(jīngtǐ)定向

2）X射线衍射法方法：劳埃法；转动晶体法；原理：①入射角θ应满足(mǎnzú)：nλ=2dsinθ；②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）共三十四页1.3.3晶面标识(biāozhì)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(dǎodiàn)类型

共三十四页Si片晶面标识(biāozhì)示意共三十四页1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)（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(píngxíng)度、翘度，切片损耗占1/3。共三十四页切片(qiēpiàn)(WaferSawing)示意晶向标记(biāojì)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制备共三十四页1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)2）磨片目的：①

使各片厚度一致；②

使各硅片各处(ɡèchǔ)厚度均匀；③

改善平整度。

磨料：

①

要求：其硬度大于硅片硬度。②

种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等共三十四页1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)3）抛光目的：进一步消除表面缺陷(quēxiàn)，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）①

机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细（0.1-0.5μm），MgO、SiO2、ZrO；

优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。共三十四页1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)②化学抛光（化学腐蚀）a.酸性腐蚀典型(diǎnxíng)配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(体积比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO↑+8H2O注意腐蚀温度：T=30-50℃,表面平滑；T<25℃,表面不平滑。b.碱性腐蚀：KOH、NaOH特点：1）适于大直径（>75mm）;2）不需搅拌；3）表面无损伤。缺点：平整度差共三十四页1.3.3晶片加工(jiāgōng)③化学机械抛光（CMP，ChemicalMechanicalPolishing:)现代工艺(gōngyì)采用特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。典型抛光液：SiO2+NaOHSi+2NaOH+H2O=Na2S