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1、微电子工艺基础第三单元 微电子制造工艺,微电子学院 戴显英 2019年3月4日,1、单晶硅片的制备,2,硅的重要性,储量丰富，便宜；（27.6） SiO2性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长； 较大的禁带宽度（1.12eV），较宽工作温度范围； 95%以上是Si集成电路。,1、单晶硅片的制备,3, 石英砂（SiO2)冶金级硅 (MGS) HCl与MGS粉反应形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷） 利用汽化和冷凝提纯TCS TCS与H2反应形成多晶硅 (EGS) 熔融EGS和拉单晶硅锭,1.1 电子级多晶硅的制备,从石英砂到硅锭-点石成金,4,纯度:98%,Si单晶的起始材料-石英
2、岩（高纯度硅砂-SiO2）,1.1 电子级多晶硅的制备,5,硅提纯 I,SiHCl3：沸点31.5 Fe、Al和B被去除。,1.1 电子级多晶硅的制备,6,多晶硅提纯 II,液态SiHCl3 TGS,H2+SiHCl3Si+3HCl,工艺腔,1.1 电子级多晶硅的制备,7,1.2.1 直拉法（Czochralski，CZ法）,1.2 单晶硅的制备,8,CZ法系统的主要设备,1.2 单晶硅的制备,1: 石英坩埚, 2: 石墨坩埚, 3 : 加热器, 4 :电源系统 5：旋转与升降装置， 6：真空系统。,9,柴可拉斯基拉晶仪,10,拉晶过程,熔硅 调节坩埚位置 引晶（下种） 收颈 目的： 抑制位错
3、从籽晶向晶体延伸 放肩 收肩 等径生长 收尾,1.2 单晶硅的制备,11,拉晶过程,例，2.5及3英吋硅单晶制备 熔硅 调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长） 引晶（下种） 籽晶预热：目的-避免对热场的扰动太大； 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；,12,拉晶过程,收颈 目的：抑制位错从籽晶 向晶体延伸； 直径：2-3mm； 长度：20mm； 拉速：3.5mm/min 放肩 温度：降15-40； 拉速：0.4mm/min；,13, 收肩 当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高
4、拉速： 2.5mm/min； 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； 收尾 熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。,拉晶过程,14,直拉(CZ)法生长单晶示意图,1.2 单晶硅的制备,15,1.2.2 区熔法,1.2 单晶硅的制备,16,1.2.3 水平区熔法 （布里吉曼法）,生长GaAs单晶,1.2 单晶硅的制备,17,1.2.4 直拉法vs区熔法,直拉法，更为常用(占75以上) 成本低 尺寸大(300mm已生产) 剩余原材料可重复使用 位错密度：0104cm2 区熔法 成本高 尺寸较小(150mm) 高纯度的硅单晶(不使用坩锅)（电阻率2000W-mm）
5、 位错密度：103105cm2,18,从硅锭到硅片,1.3 硅片的制备,19,1.3.1 硅锭整型处理,定位边（参考面） 150mm或更小直径,定位槽 200mm或更大直径,截掉头尾、 直径研磨、 定位边或 定位槽,1.3 硅片的制备,20,识别晶向、导电类型 及划片方向； 硅片（晶锭）机械 加工定位的参考面； 硅片装架的接触位置。,定位边或定位槽的作用,1.3 硅片的制备,21,1.3.2 切片(Wafer Sawing),1.3 硅片的制备,22,机械研磨(Lapping),粗抛光 常规的使用研磨剂（ Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO）进行浆料研磨 去除大多数表面损伤 获得平整
6、的表面,1.3.3 硅片抛光,1.3 硅片的制备,23,化学腐蚀(Etch),去除圆片表面的缺陷 HNO3(重量比浓度79%)、HF (重量比浓度49%)和纯CH3COOH配成4:1:3溶液 腐蚀化学反应 3Si+4HNO3+6HF3H2SiF6+4NO+8H2O,2.2 单晶Si制备,1.3.3 硅片抛光,1.3 硅片的制备,24,化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing: CMP),2.2 单晶Si制备,1.3 硅片的制备,1.3.3 硅片抛光,25,200mm硅圆片厚度和表面粗糙度的变化,锯片后,倒角后,机械研磨后,化学腐蚀后,CMP后,2.2 单晶Si制备,
