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1、1,集成电路制造技术 原理与工艺,第2章 硅片的制备,2,绪论,用来制造IC的硅衬底材料有两种方法，一种是由石英砂经过冶炼、提纯，制备出高纯度多晶硅，然后由高纯多晶硅熔体拉制出单晶硅锭，再经过切片、磨片、抛光等工艺制备而成。另一种是在单晶衬底上通过“外延”工艺生长单晶硅外延片。这一章将介绍： 2.1 多晶硅的制备 2.2 单晶硅生长 2.3 硅片加工,3,2.1 多晶硅的制备,制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学、物理的提纯工艺就制出半导体纯度的多晶硅。 电子级多晶硅纯度可达11N。,4,2.1.1 冶炼,冶炼是采用木炭或其它
2、含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的含量在98-99之间，称为冶金级硅，也称为粗硅或硅铁。 SiO2+2C Si+ 2CO 主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。,1600-1800,5,2.1.2 提纯,酸洗(hydrochlorination) 硅不溶于酸，所以粗硅初步提纯是用HCl、 H2SO4、王水、等混酸泡洗至i含量99.7%以上。化学提纯 Si + 3HCl SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 SiCl4 蒸馏提纯(distillation) 利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯物理提纯 先将酸洗过的硅氧化为SiHCl3或 SiCl
3、4，常温下SiHCl3 (沸点31.5)，与SiCl4( 沸点57.6)都是液态，蒸馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4。 分解(discomposition) 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低，因此，多用H2来还原SiHCl3和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。 SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl SiHCl3 + H2 Si + 3HCl,6,2.2 单晶硅生长,采用熔体生长法制备单晶硅棒 多晶硅熔体硅单晶硅棒 按制备时有无使用坩埚又分为两类 有坩埚的：直拉法、磁控直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 。,7,2.2.1直拉法-Czochralski法(CZ法),1918
4、年，切克劳斯基（J. Czochralski）从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。 在20世纪50年代初期，G. K. Teal和J. B. Little采用类似的方法从熔融硅中拉制出了单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。 目前拉制的单晶硅锭直径已可达450mm（18英寸）。,图2-1直拉法生长单晶硅装置示意图,8,单晶炉,四部分组成： 炉体部分 有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动部分 加热控温系统 有光学高温计、加热器、隔热装置等； 真空部分 有机械泵、扩散泵、测真空计等； 控制部分 电控系统等,图2-2 TDR-A型单晶炉照片,9,直拉法-Czochralski法(CZ法),在坩埚中放入多晶
5、硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当晶向的籽晶，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液-固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。,10,CZ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,缩颈作用示意图,11,引晶 是将籽晶与熔体很好的接触。 缩晶 在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有2-3mm。 放肩 将晶体直径放大至需要的尺寸。 等径生长 拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。拉升速度、转速，以及温度决定晶体直径大小，缩晶与放肩处的
6、直径也是由拉升速度、转速，以及温度控制。 收尾 结束单晶生长。,生长,12,籽晶是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶有相同的晶向； 籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小熔体向晶体转化时必须克服的能垒（即界面势垒）。,籽晶的作用,13,缩颈,缩颈 能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的颈部表面时就终止了。 为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。,14,提拉速度，晶体的质量对提拉速度很敏感，典型的拉杆提拉速度一般在10m/s左右。在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。点缺陷结团后多为位错
7、环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。 温度场的分布应适当，实际上坩埚内熔体温度呈一定分布。 籽晶的质量，晶格完好，表面无划痕、无氧化物。 缩颈，目的是终止籽晶位错和缺陷，可多次缩颈。,晶锭（棒）质量控制,15,CZ法缺陷,直拉法生长单晶硅多是采用液相法掺杂，液相法掺杂受杂质分凝、杂质蒸发，以及坩埚污染影响大，因此，直拉法生长的单晶硅掺杂浓度的均匀性较差。 纵向 考虑杂质分凝 横向 温度场 坩埚影响，即氧的引入 SiO2Si+O2,16,2.2.3 晶体掺杂,轻掺杂（ n-Si、p-Si） 杂质浓度在10141016/cm3之间， 多用于大功率整流器件； 中等掺杂（nSi、pSi
8、） 杂质浓度在10161018/cm3之间， 主要用于晶体管器件； 重掺杂（n+Si p+Si） 杂质浓度在10181020 /cm3之间， 是外延用的单晶衬底。,17,液相掺杂 直接掺元素 母合金掺杂 气相掺杂 中子辐照（NTD）掺杂 -中子嬗变掺杂技术,掺杂方式,18,CZ法拉制Si棒照片,19,2.2.4磁控直拉法（MCZ法）,在直拉法单晶炉上附加了一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直径的，无氧的，均匀的单晶硅。 在CZ法单晶炉上加一强磁场，高传导熔体硅的流动因切割磁力线而产生洛仑兹力，这相当于增强了熔体的粘性，熔体对流受阻。 洛仑兹力 F=qB,MCZ单晶炉,20,2.2
9、.5悬浮区熔法（FZ法）,悬浮区熔法，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。,21,不同生长技术可获得的最小载流子浓度,三种方法比较,直拉法工艺成熟，可拉出大直径硅棒是目前采用最多的硅棒生产方法，但有氧。 磁控直拉法能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅棒。设备较直拉法设备复杂得多，造价也高得多，强磁场的存在使得生产成本也大幅提高。 悬浮区熔法与直拉法相比，去掉了坩埚，能拉制出无氧高阻单晶，当前FZ硅的电阻率可达5000cm
10、以上,22,2.3 硅片制造,23,硅锭径向研磨,24,切 片,25,磨片和倒角,26,用于去除硅片表面损伤的化学刻蚀,27,抛 光,28,硅片的表面平整度,Silicon wafer surface,29,不同晶向及导电类型的表示方法,硅片主要晶向、晶型的定位平边 用X射线衍射确定晶向，X射线被晶体衍射时，通过测量衍射线的方位可以确定出晶体取向,30,硅片规格及用途,按直径划分 按单晶生长方法划分 CZ硅：二极管、外延衬底、太阳能电池、集成电路 MCZ硅：用途和CZ硅相似，性能好于CZ硅 FZ硅：高压大功率器件，可控整流器件 外延硅：晶体管，集成电路领域，如逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在集成电路制造中有更好的适用性 按掺杂情况划分 按用途划分,31,二极管级单晶硅片 技术参数（隆基硅产业集团产品规格）,32,第一单元 内容总结,硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞 基本参数 111晶面解理性 硅晶体缺陷 结团作用；缺陷的去除 硅中杂质；固溶体；固溶度 相图 硅单晶片制备 多晶硅制备；直拉法原理；提拉速度；分凝； 硅片制备流程；主要晶向、晶面的定位方式,
