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1、第四章 硅片制备,本章研究目的：研究硅片的制备过程，即 沙子 硅片 包括：硅的提纯 单晶硅生长 硅片制备,本章主要内容：,硅的提纯硅晶体结构和晶向单晶硅生长晶体缺陷和硅中杂质硅片制备,以下是订购硅晶圆时，所需说明的规格：项目 说明晶面 100、111、1101o外径(吋)3 4 5 6厚度(微米)300450 450600 550650 600750(25)杂质 p型、n型阻值(-cm)0.01(低阻值)100(高阻值)制作方式 CZ、FZ(高阻值)拋光面 单面、双面平坦度(埃)3003,000,常用的Si、Ge、GaAs选用的指标主要有：晶圆片的直径；晶片的平整度；晶格的完整性；纯度；晶向；
2、导电类型（P型或N型）；电阻率；例：晶向无缺陷的单晶硅片8英寸硅片，硅片厚度约700ump 型硅片，电阻率为10-50cm,准备工作衬底选择,4.1 硅的提纯,半导体级硅（SGS）或电子级硅：用来做硅片的高纯硅被称为半导体级硅（SGS）或电子级硅。纯度：99.9999999%,硅的提纯过程,1.用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS）2.通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯硅烷3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产半导体级硅（SGS）,1.用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS）,SiO2和碳（用煤和焦炭）加热到大约2000oC 冶金级硅纯度98%含大量杂质：铝、铁,2.通过化学反应将冶金级硅提纯生
3、成三氯硅烷,（1）冶金级硅磨成粉末，在催化剂的情况下，高温度与HCl反应。,（2）蒸馏提纯 SiHCl3和其中的杂质一起沸腾并由于沸点不同而分离。SiHCl3沸点31.40C,冶金级硅的提纯,3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产半导体级硅（SGS）,西门子反应器,生长的多晶硅,4.2 晶体结构和晶向,集成电路的衬底采用什么结构？集成电路的衬底采用什么晶向？,固体分为：非晶体 多晶体 晶体,非晶,多晶,单晶,制作集成电路的衬底材料,非晶：没有重复结构，多晶：部分重复结构 单晶：完全重复结构，制造集成电路的衬底材料。,晶向,晶面,晶面,4.3 单晶硅生长,多晶硅 单晶硅晶体生长：把多晶块
4、转变成一个大单晶，并给予正确的晶向和适量的N型或P型掺杂。,单晶硅生长方法,目前主要有两种不同的生长方法：直拉法（CZ法）区熔法,直拉法（CZ法）,85%的单晶都是通过直拉法生长的。,直拉单晶炉,直拉单晶炉,熔融物质再结晶必备的条件：,降温结晶中心-籽晶:单晶硅，无位错，晶向正，电阻率高，表面没有任何损伤和杂质沾污,单晶拉制过程,1.清洁处理-炉膛、多晶硅、籽晶、掺杂剂、坩埚等等2.装炉-装多晶硅、掺杂剂3.抽真空4.回充保护性气体5.加热融化-15000C左右6.单晶拉制7.关炉降温,单晶生长的过程：（1）下种（2）缩颈；（3）放肩；（4）等颈生长；（5）收尾。,单晶锭,直拉法中的掺杂,方式
5、：掺杂杂质加入到粉碎的硅粉中。方法：元素掺杂 合金掺杂,区熔法,制备过程：1）将掺杂好的多晶硅棒和籽晶一起竖直固定在区熔炉内，多晶棒底部和籽晶接触；2）抽真空或通入惰性气体；3）射频线圈通电流将多晶硅熔化；4）融化区从多晶硅底部区域开始，然后慢慢地向上移动，形成单晶硅；5）反复多次，使硅棒沿籽晶生长成具有预期电学性能的单晶硅。,直拉法特点：优点：工艺成熟，能较好地拉制低位错、大直径的硅单晶。缺点：是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染。杂质污染：氧、碳应用：生长大直径低电阻率的硅单晶。,直拉法与区熔法比较,区熔法特点：,优点：氧、碳含量低。缺点：硅棒直径小，不能生长大直径的单晶；并且掺杂困
6、难。应用：生长高纯度单晶硅；或单晶硅进一步提纯。,区熔法的掺杂,1、芯体掺杂 适合扩散系数比较大的杂质；2、气体掺杂 PH3、AsCl3、BCl33、小球掺杂 适合分凝系数较小的杂质4、中子嬗变掺杂 n型轻掺杂,两种生长方法的比较：,4.4 硅中的晶体缺陷和杂质,本节目的：讨论晶体中的各种缺陷和杂质，以及它们在晶体中扮演的角色。,缺陷分类：,点缺陷 线缺陷位错 面缺陷层错 体缺陷,一、点缺陷,自间隙原子、空位、替位杂质、间隙杂质弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷本征缺陷，非本征缺陷,1.有益：掺杂原子的替位型缺陷2.无益：金属杂质沾污的填隙缺陷,点缺陷在晶体中扮演的角色,二、位错,一维缺陷；单晶内部一组
7、晶胞排错位置所制。,刃位错,螺位错,位错分类,原生位错：是晶体中固有的位错。诱生位错：是指在芯片加工过程中引入的位错，其数量远远大于原生位错。,大致可分为三个方面：高温工艺过程引入的位错掺杂过程中引入的位错晶体的物理损伤引入的位错,产生位错的原因,在单晶硅生长过程中，应该避免位错的出现。,位错对晶体的影响,位错是应力存在的标志。杂质容易聚集在位错线附近，沿位错线沉积。,1.有源区：无论是原生的还是诱生的缺陷对器件特性都是不利的，因此在芯片制造过程中都应该尽量避免。2.非有源区：可以利用这些缺陷进行杂质的吸杂。,杂质的吸杂,吸杂：晶体中的杂质和缺陷扩散并被捕获在吸杂位置的过程。两种方法：本征吸杂
8、-利用硅片中固有的氧原子 非本征吸杂-引入应变或损伤区。,三、面缺陷层错,二维缺陷氧化层错外延层错,六角密排晶格,面心立方晶格,硅中杂质,有意的掺杂：作用：n型半导体、p型半导体无意的掺杂：重金属、碱金属、非金属 影响:导致半导体制造中器件成品率减少。,5.5 硅片制备,硅片制备是指将单晶棒经过切片、磨片、抛光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。,晶园(Wafer),晶棒成長 切片(Slicing)研磨(Lapping),清洗(Cleaning)拋光(Polishing)檢查(Inspection),硅片制备流程,一.整型处理二.切片三.磨片和倒角四.腐蚀五.抛光六.清洗七.硅片评估八.包装
9、,一.整型处理,包括切片之前对单晶锭的所有准备步骤：1.去掉两端2.径向研磨3.硅片定位边或定位槽,定位边 定位槽,定位边,二.切片,200mm的硅片用用有金刚石涂层的内园切割机把晶片从晶体上切下来；300mm的硅片用线锯切割。,内园与线切割机,三.磨片和倒角,磨片-是一个传统的磨料研磨工艺，对硅片进行双面机械磨片以去除切片时留下的损伤，以达到硅片两面高度的平行及平坦。用垫片和带有磨料的浆料利用旋转的压力来完成-机械作用。,倒角,-边缘抛光休整，使硅片边缘获得光滑的半径周线。为解决硅片边缘碎裂所引起的表面质量下降，以及光刻涂胶和外延的边缘凸起等问题的边缘弧形工艺。普遍采用的是用倒角机以成型的砂轮磨削硅片边缘，直到硅片边缘形状与轮的形状一致为止。,倒角,四.刻蚀（腐蚀）,目的是除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层，改善表面质量和提高表面平整度。化学方法；腐蚀20微米的硅；,五.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。抛光的目的是使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。机械作用+化学作用。,抛光设备,抛光后硅片,200mm硅片加工过程中厚度和表面粗糙度的变化,六.清洗,硅片几何尺寸最终检测,七.硅片评估,八.包装,
