第五章硅片制備ppt課件

1、第四章第四章 硅片制備硅片制備本章研究目的：研究硅片的制備過程，本章研究目的：研究硅片的制備過程，即即 沙子沙子 硅片硅片 包括：包括： 硅的提純硅的提純 單晶硅生長單晶硅生長 硅片制備硅片制備本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：硅的提純硅的提純硅晶體結(jié)構(gòu)和晶向硅晶體結(jié)構(gòu)和晶向單晶硅生長單晶硅生長晶體缺陷和硅中雜質(zhì)晶體缺陷和硅中雜質(zhì)硅片制備硅片制備 以下是訂購硅晶圓時，所需說明的規(guī)格：以下是訂購硅晶圓時，所需說明的規(guī)格： 工程工程 說明說明晶面晶面 100、111、 110 1o外徑外徑(吋吋) 3 4 5 6厚度厚度(微米微米) 300450 450600 550650 600750(25)雜質(zhì)雜質(zhì)

2、 p型、型、n型型阻值阻值(-cm) 0.01 (低阻值低阻值) 100 (高阻高阻值值)制作方式制作方式 CZ、FZ (高阻值高阻值)拋光面拋光面 單面、雙面單面、雙面平坦度平坦度(埃埃) 300 3,000 常用的常用的SiSi、GeGe、GaAsGaAs選用的指標(biāo)主要有：選用的指標(biāo)主要有： 晶圓片的直徑；晶片的平整度；晶格的完整性；純度；晶圓片的直徑；晶片的平整度；晶格的完整性；純度；晶向；導(dǎo)電類型晶向；導(dǎo)電類型P P型或型或N N型）；電阻率；型）；電阻率； 例：例：晶向無缺陷的單晶硅片晶向無缺陷的單晶硅片8 8英寸硅片，硅片厚度約英寸硅片，硅片厚度約700um700ump p 型硅片

3、，電阻率為型硅片，電阻率為10-50cm10-50cm準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作襯底選擇襯底選擇4.1 硅的提純硅的提純半導(dǎo)體級硅半導(dǎo)體級硅SGS或電子級硅：或電子級硅： 用來做硅片的高純硅被稱為半導(dǎo)體級硅用來做硅片的高純硅被稱為半導(dǎo)體級硅SGS或電子級硅?；螂娮蛹壒?。 純度：純度：99.9999999%硅的提純過程硅的提純過程1.用碳加熱硅石制備冶金級硅用碳加熱硅石制備冶金級硅MGS）2. 通過化學(xué)反應(yīng)將冶金級硅提純生成三氯通過化學(xué)反應(yīng)將冶金級硅提純生成三氯硅烷硅烷3.利用西門子法，通過三氯硅烷和氫氣反應(yīng)利用西門子法，通過三氯硅烷和氫氣反應(yīng)來生產(chǎn)半導(dǎo)體級硅來生產(chǎn)半導(dǎo)體級硅SGS）1.用碳加熱硅石制備冶

4、金級硅用碳加熱硅石制備冶金級硅MGS） SiO2和碳用煤和焦炭加熱到大約和碳用煤和焦炭加熱到大約2000oC 冶金級硅純度冶金級硅純度98% 含大量雜質(zhì)：鋁、鐵含大量雜質(zhì)：鋁、鐵COSiSiOC2222.通過化學(xué)反應(yīng)將冶金級硅提純生成三氯通過化學(xué)反應(yīng)將冶金級硅提純生成三氯硅烷硅烷（1冶金級硅磨成粉末，在催化劑的情況下，高溫度與HCl反應(yīng)。)()()(3)(23gHlSiHClgHClsSi （2 2蒸餾提純蒸餾提純 SiHCl3SiHCl3和其中的雜質(zhì)一起沸騰并由于沸和其中的雜質(zhì)一起沸騰并由于沸點不同而分離。點不同而分離。 SiHCl3SiHCl3沸點沸點31.40C31.40C 冶金級硅的提

5、純冶金級硅的提純3.利用西門子法，通過三氯硅烷和氫氣利用西門子法，通過三氯硅烷和氫氣反應(yīng)來生產(chǎn)半導(dǎo)體級硅反應(yīng)來生產(chǎn)半導(dǎo)體級硅SGS）西門子反應(yīng)器西門子反應(yīng)器 4.2 晶體結(jié)構(gòu)和晶向晶體結(jié)構(gòu)和晶向集成電路的襯底采用什么結(jié)構(gòu)？集成電路的襯底采用什么結(jié)構(gòu)？集成電路的襯底采用什么晶向？集成電路的襯底采用什么晶向？固體分為：固體分為： 非晶體非晶體 多晶體多晶體 晶體晶體非晶非晶多晶多晶單晶單晶制作集成電路的襯底材料制作集成電路的襯底材料非晶：沒有重復(fù)結(jié)構(gòu)非晶：沒有重復(fù)結(jié)構(gòu) ，多晶：部分重復(fù)結(jié)構(gòu)多晶：部分重復(fù)結(jié)構(gòu) 單晶：完全重復(fù)結(jié)構(gòu)，制造集成電路單晶：完全重復(fù)結(jié)構(gòu)，制造集成電路的襯底材料。的襯底材料。晶

6、向晶向晶面晶面晶面晶面4.3 單晶硅生長單晶硅生長多晶硅多晶硅 單晶硅單晶硅晶體生長：把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶體生長：把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，并給予正確的晶向和適量的晶，并給予正確的晶向和適量的N型型或或P型摻雜。型摻雜。單晶硅生長方法單晶硅生長方法目前主要有兩種不同的生長方法：目前主要有兩種不同的生長方法：直拉法直拉法CZCZ法）法）區(qū)熔法區(qū)熔法 直拉法直拉法CZ法）法） 85% 85%的單晶都的單晶都是通過直拉法是通過直拉法生長的。生長的。旋轉(zhuǎn)卡盤籽晶生長晶體射頻加熱線圈熔融硅直拉單晶爐直拉單晶爐直拉單晶爐直拉單晶爐熔融物質(zhì)再結(jié)晶必備的條件：熔融物質(zhì)再結(jié)晶必備的條件：降溫降溫結(jié)晶中心結(jié)晶

7、中心 -籽晶籽晶: 單晶硅，無位錯，晶向正，電阻單晶硅，無位錯，晶向正，電阻率高，表面沒有任何損傷和雜質(zhì)沾率高，表面沒有任何損傷和雜質(zhì)沾污污單晶拉制過程單晶拉制過程1.清潔處理-爐膛、多晶硅、籽晶、摻雜劑、坩堝等等2.裝爐-裝多晶硅、摻雜劑3.抽真空4.回充保護(hù)性氣體5.加熱融化-15000C左右6.單晶拉制7.關(guān)爐降溫單晶生長的過程：單晶生長的過程：（1下種下種（2縮頸；縮頸；（3放肩；放肩；（4等頸生長；等頸生長；（5收尾。收尾。 單晶錠單晶錠直拉法中的摻雜直拉法中的摻雜 方式：摻雜雜質(zhì)加入到粉碎的硅粉中。方式：摻雜雜質(zhì)加入到粉碎的硅粉中。 方法：方法： 元素?fù)诫s元素?fù)诫s 合金摻雜合金摻雜

8、區(qū)熔法區(qū)熔法制備過程：制備過程：1將摻雜好的多晶硅棒和將摻雜好的多晶硅棒和籽晶一起豎直固定在區(qū)熔籽晶一起豎直固定在區(qū)熔爐內(nèi)，多晶棒底部和籽晶爐內(nèi)，多晶棒底部和籽晶接觸；接觸；2抽真空或通入惰性氣體；抽真空或通入惰性氣體；3射頻線圈通電流將多晶射頻線圈通電流將多晶硅熔化；硅熔化；4融化區(qū)從多晶硅底部區(qū)融化區(qū)從多晶硅底部區(qū)域開始，然后慢慢地向上域開始，然后慢慢地向上移動，形成單晶硅；移動，形成單晶硅；5反復(fù)多次，使硅棒沿籽反復(fù)多次，使硅棒沿籽晶生長成具有預(yù)期電學(xué)性晶生長成具有預(yù)期電學(xué)性能的單晶硅。能的單晶硅。通入惰性氣體惰性氣體（氬氣）上卡盤多晶硅棒下卡盤熔融區(qū)籽晶滑動射頻線圈行進(jìn)方向直拉法特點：

9、直拉法特點：優(yōu)點：工藝成熟，能較好地拉制低位優(yōu)點：工藝成熟，能較好地拉制低位錯、大直徑的硅單晶。錯、大直徑的硅單晶。 缺點：是難以避免來自石英坩堝和加缺點：是難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜質(zhì)污染。熱裝置的雜質(zhì)污染。雜質(zhì)污染：氧、碳雜質(zhì)污染：氧、碳應(yīng)用：生長大直徑低電阻率的硅單晶。應(yīng)用：生長大直徑低電阻率的硅單晶。直拉法與區(qū)熔法比較直拉法與區(qū)熔法比較區(qū)熔法特點：區(qū)熔法特點：優(yōu)點：氧、碳含量低。優(yōu)點：氧、碳含量低。缺點：硅棒直徑小，不能生長大直徑的單缺點：硅棒直徑小，不能生長大直徑的單晶；并且摻雜困難。晶；并且摻雜困難。應(yīng)用：生長高純度單晶硅；或單晶硅進(jìn)一應(yīng)用：生長高純度單晶硅；或單晶硅進(jìn)一步

10、提純。步提純。區(qū)熔法的摻雜區(qū)熔法的摻雜1、芯體摻雜、芯體摻雜 適合擴(kuò)散系數(shù)比較大的雜質(zhì)；適合擴(kuò)散系數(shù)比較大的雜質(zhì)；2、氣體摻雜、氣體摻雜 PH3、AsCl3、BCl33、小球摻雜、小球摻雜 適合分凝系數(shù)較小的雜質(zhì)適合分凝系數(shù)較小的雜質(zhì)4、中子嬗變摻雜、中子嬗變摻雜 n型輕摻雜型輕摻雜PSinSi3115311403014兩種生長方法的比較：兩種生長方法的比較：直拉法直拉法區(qū)熔法區(qū)熔法直徑直徑大直徑（大直徑（300mm）小直徑小直徑（150mm）雜質(zhì)含量雜質(zhì)含量高高低低電阻率電阻率低低高高成本成本低低高高 4.4 硅中的晶體缺陷和雜質(zhì)硅中的晶體缺陷和雜質(zhì)本節(jié)目的：討論晶體中的各種缺陷和雜本節(jié)目的

11、：討論晶體中的各種缺陷和雜質(zhì)，以及它們在晶體中扮演的角色。質(zhì)，以及它們在晶體中扮演的角色。缺陷分類：缺陷分類： 點缺陷點缺陷 線缺陷線缺陷位錯位錯 面缺陷面缺陷層錯層錯 體缺陷體缺陷一、點缺陷一、點缺陷自間隙原子、空位、替位雜質(zhì)、間隙雜質(zhì)自間隙原子、空位、替位雜質(zhì)、間隙雜質(zhì)弗倫克爾缺陷、肖特基缺陷弗倫克爾缺陷、肖特基缺陷本征缺陷，非本征缺陷本征缺陷，非本征缺陷1.有益：摻雜原子的替位型缺陷有益：摻雜原子的替位型缺陷2.無益：金屬雜質(zhì)沾污的填隙缺陷無益：金屬雜質(zhì)沾污的填隙缺陷點缺陷在晶體中扮演的角色點缺陷在晶體中扮演的角色二、位錯二、位錯 一維缺陷；單晶內(nèi)部一組晶胞排錯位置所制。一維缺陷；單晶內(nèi)

12、部一組晶胞排錯位置所制。刃位錯刃位錯螺位錯螺位錯位錯分類位錯分類原生位錯：是晶體中固有的位錯。原生位錯：是晶體中固有的位錯。誘生位錯：是指在芯片加工過程中引入誘生位錯：是指在芯片加工過程中引入的位錯，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生位錯。的位錯，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生位錯。大致可分為三個方面：大致可分為三個方面：高溫工藝過程引入的位錯高溫工藝過程引入的位錯摻雜過程中引入的位錯摻雜過程中引入的位錯晶體的物理損傷引入的位錯晶體的物理損傷引入的位錯產(chǎn)生位錯的原因產(chǎn)生位錯的原因在單晶硅生長過程中，應(yīng)該避免位錯在單晶硅生長過程中，應(yīng)該避免位錯的出現(xiàn)。的出現(xiàn)。位錯對晶體的影響位錯對晶體的影響位錯是應(yīng)力存在的標(biāo)志。位錯是應(yīng)力

13、存在的標(biāo)志。雜質(zhì)容易聚集在位錯線附雜質(zhì)容易聚集在位錯線附近，沿位錯線沉積。近，沿位錯線沉積。1.有源區(qū)：無論是原生的還是誘生的缺陷對有源區(qū)：無論是原生的還是誘生的缺陷對器件特性都是不利的，因此在芯片制造過程器件特性都是不利的，因此在芯片制造過程中都應(yīng)該盡量避免。中都應(yīng)該盡量避免。2.非有源區(qū)：可以利用這些缺陷進(jìn)行雜質(zhì)的非有源區(qū)：可以利用這些缺陷進(jìn)行雜質(zhì)的吸雜。吸雜。雜質(zhì)的吸雜雜質(zhì)的吸雜吸雜：吸雜： 晶體中的雜質(zhì)和缺陷擴(kuò)散并被捕獲在晶體中的雜質(zhì)和缺陷擴(kuò)散并被捕獲在吸雜位置的過程。吸雜位置的過程。兩種方法：本征吸雜兩種方法：本征吸雜 -利用硅片中固有的氧原子利用硅片中固有的氧原子 非本征吸雜非本征

14、吸雜 -引入應(yīng)變或損傷區(qū)。引入應(yīng)變或損傷區(qū)。三、面缺陷三、面缺陷層錯層錯 二維缺陷二維缺陷氧化層錯氧化層錯外延層錯外延層錯六角密排晶格六角密排晶格面心立方晶格面心立方晶格 硅中雜質(zhì)硅中雜質(zhì)有意的摻雜：有意的摻雜： 作用：作用： n型半導(dǎo)體、型半導(dǎo)體、 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體無意的摻雜：重金屬、堿金屬、非金屬無意的摻雜：重金屬、堿金屬、非金屬 影響影響:導(dǎo)致半導(dǎo)體制造中器件成品導(dǎo)致半導(dǎo)體制造中器件成品率減少。率減少。5.5 5.5 硅片制備硅片制備 硅片制備是指將單晶棒經(jīng)過切片、磨片、拋光等硅片制備是指將單晶棒經(jīng)過切片、磨片、拋光等一系列的工序加工成用來做芯片的薄片。一系列的工序加工成用來做芯片的薄

15、片。 晶園晶園(Wafer)(Wafer) 晶棒成長晶棒成長 切片切片(Slicing) (Slicing) 研磨研磨(Lapping) (Lapping) 清洗清洗(Cleaning) (Cleaning) 拋光拋光(Polishing) (Polishing) 檢查檢查(Inspection) (Inspection) 硅片制備流程硅片制備流程一一. .整型處理整型處理二二. .切片切片三三. .磨片和倒角磨片和倒角四四. .腐蝕腐蝕五五. .拋光拋光六六. .清洗清洗七七. .硅片評估硅片評估八八. .包裝包裝一一. .整型處理整型處理 包括切片之前對單晶錠的所有準(zhǔn)備步驟：1.去掉兩端2

16、.徑向研磨3.硅片定位邊或定位槽 定位邊定位邊 定位槽定位槽定位邊定位邊二二. .切片切片 200mm的硅片用用有金剛石涂層的內(nèi)園的硅片用用有金剛石涂層的內(nèi)園切割機把晶片從晶體上切下來；切割機把晶片從晶體上切下來；300mm的硅片用線鋸切割。的硅片用線鋸切割。三三.磨片和倒角磨片和倒角磨片磨片-是一個傳統(tǒng)的磨料研磨工藝，是一個傳統(tǒng)的磨料研磨工藝，對硅片進(jìn)行雙面機械磨片以去除切片時對硅片進(jìn)行雙面機械磨片以去除切片時留下的損傷，以達(dá)到硅片兩面高度的平留下的損傷，以達(dá)到硅片兩面高度的平行及平坦。行及平坦。用墊片和帶有磨料的漿料利用旋轉(zhuǎn)的壓用墊片和帶有磨料的漿料利用旋轉(zhuǎn)的壓力來完成力來完成-機械作用。機械作用。四四. 刻蝕腐蝕）刻蝕腐蝕）目的是除去切磨后硅片表面的損傷層和沾目的是除去切磨后硅片表面的損傷層和沾污層，改善表面質(zhì)量和提高表面平整度。污層，改善表面質(zhì)量和提高表面平整度?；瘜W(xué)方法；