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1、集成电路制造技术集成电路制造技术第一章第一章 Si Si单晶及单晶及SiSi片的制备片的制备2012年8月31日主要内容n多晶硅的制备多晶硅的制备n直拉法制备直拉法制备SiSi单晶单晶nSiSi片的制备片的制备1.1 1.1 多晶多晶SiSi的制备的制备1.1.1 1.1.1 半导体材料的类型半导体材料的类型n元素半导体：元素半导体：SiSi、GeGe、C C（金刚石）（金刚石）n化合物半导体：化合物半导体：GaAsGaAs、SiGeSiGe 、SiC SiC 、GaNGaN、 ZnO ZnO 、HgCdTeHgCdTe 族族族族族n第2周期BC Nn第3周期AlSi P Sn第4周期ZnGa
2、Ge As Sen第5周期CdInSn Sb Ten第6周期HgPb Si Si半导体的重要性半导体的重要性n占地壳重量占地壳重量20%-25%20%-25%；n单晶直径最大，目前单晶直径最大，目前1616英吋（英吋（400mm400mm）, ,每每3 3年增年增 加加1 1英吋；英吋；nSiOSiO2 2: :掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多 层布线）、绝缘栅、层布线）、绝缘栅、MOSMOS电容的介质材料；电容的介质材料；n多晶硅（多晶硅（ Poly-SiPoly-Si）：栅电极、杂质扩散源、互）：栅电极、杂质扩散源、互 连线（比铝布线灵活）；连线
3、（比铝布线灵活）；1.1.2 1.1.2 SiSi单单晶晶的的起起始始材材料料-石石英英岩岩（高高纯纯度度硅硅砂砂-SiO-SiO2 2）SiOSiO2 2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g),+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金级硅：冶金级硅：98%98%； Si(s)+3HCl(g) Si(s)+3HCl(g) SiHClSiHCl3 3(g)+H(g)+H2 2，三三氯氯硅硅烷烷室室温温下下呈呈液液态态（沸沸点为点为3232），利用分馏法去除杂质；），利用分馏法去除杂质； SiHClSiHCl3 3(g)+ H(g)+ H2 2Si(s)+ 3HCl(g)
4、Si(s)+ 3HCl(g)，电子级硅（片状多晶硅）电子级硅（片状多晶硅）从石英砂到硅锭多晶硅提纯多晶硅提纯 I I过过滤滤器器冷凝器冷凝器纯化器纯化器反应室，反应室，300HClSi Si 硅粉硅粉SiHClSiHCl3 3 ( (三氯氢硅三氯氢硅 ，TGS)TGS)纯度纯度:99.9999999%(9N):99.9999999%(9N)Si(固固)+3HCl(气气)SiHCl3(气气)+H2(气气)(220300)SiHClSiHCl3 3：沸点：沸点31.5 31.5 FeFe、AlAl和和B B被去除。被去除。多晶硅提纯多晶硅提纯 IIIIH2液态SiHCl3TGSH2+SiHCl3H
5、2+SiHCl3Si+3HCl电子级硅多晶硅EGS工艺腔1.2.1 1.2.1 直拉法（直拉法（CZCZ法）法）1 1）拉晶仪）拉晶仪炉子炉子n石英坩埚：盛熔融硅液；石英坩埚：盛熔融硅液；n石墨基座：支撑和加热石墨基座：支撑和加热 石英坩埚石英坩埚n旋转装置：顺时针转；旋转装置：顺时针转；n加热装置：加热装置：RFRF线圈；线圈； 1.2 Si1.2 Si单晶的制备单晶的制备柴可拉斯基拉晶仪柴可拉斯基拉晶仪1 1）拉晶仪）拉晶仪拉晶装置拉晶装置n籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；n旋转提拉装置：逆时针；旋转提拉装置：逆时针；环境控制环境控制n真空系统：真空系统：n气路
6、系统：提供惰性气体；气路系统：提供惰性气体；n排气系统排气系统：电子控制及电源系统电子控制及电源系统 2 2）拉晶过程）拉晶过程 例，例，2.52.5及及3 3英吋硅单晶制备英吋硅单晶制备熔硅熔硅n调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长）调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长）引晶（下种）引晶（下种）n籽晶预热：目的籽晶预热：目的-避免对热场的扰动太大；避免对热场的扰动太大； 位置位置-熔硅上方；熔硅上方；n与熔硅接触：温度太高与熔硅接触：温度太高-籽晶熔断；籽晶熔断； 温度太低温度太低-籽晶不熔或不生长；籽晶不熔或不生长； 合适温度合适温度-籽晶与熔硅可长时间接触，籽晶与熔硅可长时间接触
7、， 既不会进一步融化，也不会生长；既不会进一步融化，也不会生长； 2 2）拉晶过程）拉晶过程收颈收颈n目的：抑制位错从籽晶目的：抑制位错从籽晶 向晶体延伸；向晶体延伸；n直径：直径：2-3mm2-3mm；n长度：长度：20mm20mm；n拉速：拉速：3.5mm/min3.5mm/min放肩放肩n温度：降温度：降15-4015-40；n拉速：拉速：0.4mm/min0.4mm/min； 2 2）拉晶过程）拉晶过程 收肩收肩n当肩部直径比所需直径小当肩部直径比所需直径小3-5mm3-5mm时，提高拉速：时，提高拉速： 2.5mm/min 2.5mm/min； 等径生长等径生长n拉速：拉速：1.3-
8、1.5mm/min1.3-1.5mm/min；n熔硅液面在温度场保持相对固定；熔硅液面在温度场保持相对固定； 收尾收尾n 熔硅料为熔硅料为1.5kg1.5kg时，停止坩埚跟踪。时，停止坩埚跟踪。 直拉(CZ)法生长Si单晶示意直拉(CZ)法生长的Si单晶锭1.2 Si单晶的制备1.2.2 1.2.2 悬浮区熔法悬浮区熔法n也称也称FZFZ法，法，float-zonefloat-zonen特点：特点：可重复生长、提纯单晶；可重复生长、提纯单晶；无需坩埚、石墨托，污染无需坩埚、石墨托，污染 少，纯度较少，纯度较CZCZ法高；法高；FZFZ单晶：单晶：高纯、高阻、高纯、高阻、 低氧、低碳；低氧、低碳
9、；n缺点：缺点： 单晶直径不及单晶直径不及CZCZ法。法。 直拉法直拉法vsvs区熔法区熔法 u直拉法，更为常用直拉法，更为常用(占占75以上以上)便宜便宜更大的圆片尺寸更大的圆片尺寸(400mm已生产已生产)剩余原材料可重复使用剩余原材料可重复使用位错密度：位错密度：0104cm2u区熔法区熔法高纯度的硅单晶高纯度的硅单晶(不使用坩锅不使用坩锅)（电阻率（电阻率2000W W-mm）成本高，可生产圆片尺寸较小成本高，可生产圆片尺寸较小(150mm)主要用于功率器件主要用于功率器件位错密度：位错密度：103105cm21.2 Si1.2 Si单晶的制备单晶的制备1.2.3 1.2.3 水平区熔
10、法水平区熔法n布里吉曼法布里吉曼法 GaAs GaAs单晶单晶1.3 Si1.3 Si片制备片制备n衬底制备包括：衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。工。1.3.1 1.3.1 硅锭整型处理硅锭整型处理定位边（参考面）定位边（参考面）150mm150mm或更小直径或更小直径定位槽定位槽200mm200mm或更大直径或更大直径2.2单晶单晶Si制备制备n截掉头尾、截掉头尾、n直径研磨和直径研磨和n定位边或定位槽。定位边或定位槽。1.3.2 1.3.2 晶体定向晶体定向 n晶体具有各向异性晶体具有各向异性 器件一般制作在低米勒指数面的晶片上，如器件一般
11、制作在低米勒指数面的晶片上，如 双极器件：双极器件：111111面；面； MOSMOS器件：器件：100100面。面。n晶体定向的方法晶体定向的方法 1 1）光图像定向法（参考李乃平）光图像定向法（参考李乃平） 腐腐蚀蚀：要要定定向向的的晶晶面面经经研研磨磨、腐腐蚀蚀，晶晶面面上上出出现现许许多多由由低低指指数数小小平平面面围围成成、与与晶晶面面具具有有一一定定对对应应关关系系的的小腐蚀坑；小腐蚀坑； 光照：光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平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，从而确定晶面行光反映出不同的图像，从而确定晶面。 光图像定向法光图像定向法1.3.2
12、 1.3.2 晶体定向晶体定向 2 2）X X射线衍射法射线衍射法n方法：方法：劳埃法；转动晶体法；劳埃法；转动晶体法；n原理：原理： 入射角入射角应满足：应满足：n=2dsinn=2dsin； 晶面米勒指数晶面米勒指数h h、k k、l l应满足：应满足： h h2 2+k+k2 2+l+l2 2=4n-1=4n-1（n n为奇数）为奇数） h h2 2+k+k2 2+l+l2 2=4n=4n（n n为偶数）为偶数）1.3.3 1.3.3 晶面标识晶面标识n原理：原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；各向异性使晶片沿解理面易裂开； 硅单晶的解理面：硅单晶的解理面：111111； 1 1）主参考
13、面）主参考面（主定位面，主标志面）（主定位面，主标志面）n起识别划片方向作用；起识别划片方向作用；n作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；n作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；2 2）次参考面）次参考面（次定位面，次标志面）（次定位面，次标志面）n识别晶向和导电类型识别晶向和导电类型 SiSi片晶面标识示意片晶面标识示意1.3.4 Si Si晶片加工（参考庄同曾）晶片加工（参考庄同曾）n切片、磨片、抛光切片、磨片、抛光1 1）切片）切片n将将已已整整形形、定定向向的的单单晶晶用用切切割割的的方方法法加加工工成成符
14、符合合一一定定要求的单晶薄片。要求的单晶薄片。n切切片片基基本本决决定定了了晶晶片片的的晶晶向向、平平行行度度、翘翘度度，切切片片损损耗占耗占1/31/3。切片切片(Wafer Sawing)(Wafer Sawing)示意示意晶向标记晶向标记定位槽定位槽锯条锯条冷却液冷却液硅锭硅锭硅锭运动方向硅锭运动方向金刚石覆层金刚石覆层2.2单晶单晶Si制备制备1.3.4 Si晶片加工晶片加工2 2）磨片）磨片n目的：目的： 使各片厚度一致；使各片厚度一致； 使各硅片各处厚度均匀；使各硅片各处厚度均匀； 改善平整度。改善平整度。 n磨料：磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。 种类
15、：种类：AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、ZrOZrO、SiOSiO2 2、MgOMgO等等 1.3.4 Si晶片加工晶片加工3 3）抛光）抛光n目目的的：进进一一步步消消除除表表面面缺缺陷陷，获获得得高高度度平平整整、光光洁洁及及无损层的无损层的“理想理想”表面。表面。n方方 法法 ： 机机 械械 抛抛 光光 、 化化 学学 抛抛 光光 、 化化 学学 机机 械械 抛抛 光光（CMP,chemical-mechanical polishingCMP,chemical-mechanical polishing） 机机械械抛抛光光: :与与磨磨片片工工艺艺原原理理相相同同，磨磨料料更更细
16、细（0.1-0.1-0.5m0.5m），），MgOMgO、SiOSiO2 2、ZrOZrO； 优点：优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。1.3.4 Si晶片加工晶片加工化学抛光（化学腐蚀）化学抛光（化学腐蚀）a.a.酸性腐蚀酸性腐蚀典型配方：典型配方：HF:HNOHF:HNO3 3:CH:CH3 3COOH=1:3:2(COOH=1:3:2(体积比体积比) ) 3Si+4HNO 3Si+4HNO3 3+18HF=3H+18HF=3H3 3SiFSiF6 6+4NO+8H+4NO+8H2 2O O注意腐蚀温度：注意腐蚀温度：T=30-50,T=30-50,表面平滑；表面平滑； T25, T75mm75mm）; ; 2 2）不需搅拌；）不需搅拌； 3 3）表面无损伤。）表面无损伤。n缺点：平整度差缺点：平整度差 1.3.3 晶片加工晶片加工化学机械抛光（化学机械抛光（CMPCMP，Chemical Mechanical Polishing:) )n特点：特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。兼有机械与化学抛光两者的优点。n典型抛光液：典型抛光液：SiOSiO2 2+ NaOH+ NaOH Si+ 2NaOH+H Si+ 2NaOH+H2 2O=NaO=Na2 2SiOSiO3 3+2H+2H2 2
