1、集成电路制造技术,第一章 Si单晶及Si片的制备2012年8月31日,主要内容,多晶硅的制备 直拉法制备Si单晶 Si片的制备,1.1 多晶Si的制备,1.1.1 半导体材料的类型 元素半导体：Si、Ge、C（金刚石） 化合物半导体：GaAs、SiGe 、SiC 、GaN、 ZnO 、HgCdTe,族 族 族 族 族 第2周期 B C N 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga Ge As Se 第5周期 Cd In Sn Sb Te 第6周期 Hg Pb,Si半导体的重要性,占地壳重量20%-25%； 单晶直径最大，目前16英吋（400mm）,每3年增 加1英吋； SiO2:掩蔽
2、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； 多晶硅（ Poly-Si）：栅电极、杂质扩散源、互 连线（比铝布线灵活）；,1.1.2 Si单晶的起始材料-石英岩（高纯度硅砂-SiO2） SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金级硅：98%； Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态（沸点为32），利用分馏法去除杂质； SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g)，电子级硅（片状多晶硅）,从石英砂到硅锭,多晶硅提纯 I,过 滤 器,冷凝器,纯化器,反应室，300,SiHCl3 (三氯氢硅 ，TGS)
3、 纯度:99.9999999%(9N),Si (固) + 3HCl(气) SiHCl3(气)+H2(气),(220300),SiHCl3：沸点31.5 Fe、Al和B被去除。,多晶硅提纯 II,液态SiHCl3 TGS,H2+SiHCl3Si+3HCl,工艺腔,1.2.1 直拉法（CZ法） 1）拉晶仪 炉子 石英坩埚：盛熔融硅液； 石墨基座：支撑和加热石英坩埚 旋转装置：顺时针转； 加热装置：RF线圈；,1.2 Si单晶的制备,柴可拉斯基拉晶仪,1）拉晶仪,拉晶装置 籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）； 旋转提拉装置：逆时针； 环境控制 真空系统： 气路系统：提供惰性气体； 排气系统： 电子控制及电
4、源系统,2）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；,2）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；,2）拉晶过程, 收肩 当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速： 2.5mm/min； 等径生长 拉速：1.3-1.5mm
5、/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。,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 悬浮区熔法 也称FZ法，float-zone 特点： 可重复生长、提纯单晶； 无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳； 缺点：单晶直径不及CZ法。,直拉法vs区熔法,直拉法，更为常用(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：0104cm2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
6、)主要用于功率器件位错密度：103105cm2,1.2 Si单晶的制备,1.2.3 水平区熔法 布里吉曼法 GaAs单晶,1.3 Si片制备,衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。,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,2.2 单晶Si制备,截掉头尾、 直径研磨和 定位边或定位槽。,1.3.2 晶体定向,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（参考李乃平）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
7、定对应关系的小腐蚀坑；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。,光图像定向法,1.3.2 晶体定向,2）X射线衍射法 方法：劳埃法；转动晶体法； 原理：入射角应满足：n=2dsin；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）,1.3.3 晶面标识,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
8、电类型,Si片晶面标识示意,1.3.4 Si晶片加工（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、平行度、翘度，切片损耗占1/3。,切片(Wafer Sawing)示意,晶向标记 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,1.3.4 Si晶片加工,2）磨片 目的： 使各片厚度一致； 使各硅片各处厚度均匀； 改善平整度。 磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。 种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等,1.3.4 Si晶片加工,3）抛光 目的：进一步消除表面缺陷，获得
9、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-mechanical polishing） 机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细（0.1-0.5m），MgO、SiO2、ZrO；优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。,1.3.4 Si晶片加工,化学抛光（化学腐蚀） a.酸性腐蚀 典型配方：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；T75mm）;2）不需搅拌；3）表面无损伤。 缺点：平整度差,1.3.3 晶片加工,化学机械抛光（CMP，Chemical Mechanical Polishing:) 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=Na2SiO3+2H2,
