第五章硅片制备.ppt

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1、第四章第四章 硅片制备硅片制备本章研究目的：研究硅片的制备过程，本章研究目的：研究硅片的制备过程，即即沙子沙子硅片硅片包括：包括：硅的提纯硅的提纯单晶硅生长单晶硅生长硅片制备硅片制备本章主要内容：本章主要内容：硅的提纯硅的提纯硅晶体结构和晶向硅晶体结构和晶向单晶硅生长单晶硅生长晶体缺陷和晶体缺陷和硅中杂质硅中杂质硅片制备硅片制备以下是订购硅晶圆时，所需说明的规格：以下是订购硅晶圆时，所需说明的规格：项目项目说明说明晶面晶面100、111、1101o外径外径(吋吋)3456厚度厚度(微米微米)300450450600550650600750(25)杂质杂质p型、型、n型型阻值阻值(-cm)0.0

2、1(低阻值低阻值)100(高高阻值阻值)制作方式制作方式CZ、FZ(高阻值高阻值)拋光面拋光面单面、双面单面、双面平坦度平坦度(埃埃)3003,000 常用的常用的SiSi、GeGe、GaAsGaAs选用的指标主要有：选用的指标主要有：晶圆片的直径；晶片的平整度；晶格的完整性；纯度；晶晶圆片的直径；晶片的平整度；晶格的完整性；纯度；晶向；导电类型（向；导电类型（P P型或型或N N型）；电阻率；型）；电阻率；例：例：晶向无缺陷的单晶硅片晶向无缺陷的单晶硅片8 8英寸硅片，硅片厚度约英寸硅片，硅片厚度约700um700ump p 型硅片，电阻率为型硅片，电阻率为10-50cm10-50cm准备工

3、作准备工作衬底选择衬底选择4.1 硅的提纯硅的提纯半导体级硅（半导体级硅（SGS）或电子级硅：）或电子级硅：用来做硅片的高纯硅被称为半导体级硅用来做硅片的高纯硅被称为半导体级硅（SGS）或电子级硅。）或电子级硅。纯度：纯度：99.9999999%硅的提纯过程硅的提纯过程1.用碳加热硅石制备用碳加热硅石制备冶金级硅冶金级硅（MGS）2.通过化学反应将冶金级硅通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯提纯生成三氯硅烷硅烷3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产来生产半导体级硅半导体级硅（SGS）1.用碳加热硅石制备冶金级硅（用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS）SiO

4、2和碳（用煤和焦炭）加热到大约和碳（用煤和焦炭）加热到大约2000oC冶金级硅纯度冶金级硅纯度98%含大量杂质：铝、铁含大量杂质：铝、铁2.通过化学反应将冶金级硅通过化学反应将冶金级硅提纯提纯生成三氯生成三氯硅烷硅烷（1）冶金级硅磨成粉末，在催化剂的）冶金级硅磨成粉末，在催化剂的情况下，高温度与情况下，高温度与HCl反应。反应。（2 2）蒸馏提纯）蒸馏提纯SiHCl3和其中的杂质一起沸腾并由于沸和其中的杂质一起沸腾并由于沸点不同而分离。点不同而分离。SiHCl3沸点沸点31.40C冶金级硅的提纯冶金级硅的提纯3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产半导体级

5、硅（反应来生产半导体级硅（SGS）西门子反应器西门子反应器生长的多晶硅生长的多晶硅生长的多晶硅生长的多晶硅 4.2 晶体结构和晶向晶体结构和晶向集成电路的衬底采用什么结构？集成电路的衬底采用什么结构？集成电路的衬底采用什么晶向？集成电路的衬底采用什么晶向？固体分为：固体分为：非晶体非晶体多晶体多晶体晶体晶体非晶非晶多晶多晶单晶单晶制作集成电路的衬底材料制作集成电路的衬底材料非晶：非晶：没有重复结构没有重复结构，多晶：多晶：部分重复结构部分重复结构单晶：单晶：完全重复结构，制造集成电路完全重复结构，制造集成电路的衬底材料。的衬底材料。晶向晶向晶面晶面晶面晶面4.3 单晶硅生长单晶硅生长多晶硅多晶

6、硅单晶硅单晶硅晶体生长晶体生长：把多晶块转变成一个大单把多晶块转变成一个大单晶，并给予晶，并给予正确的晶向和适量的正确的晶向和适量的N N型或型或P P型掺杂型掺杂。单晶硅生长方法单晶硅生长方法目前主要有两种不同的生长方法：目前主要有两种不同的生长方法：直拉法（直拉法（CZ法）法）区熔法区熔法 直拉法（直拉法（CZ法）法）85%85%的单晶都的单晶都是通过直拉法是通过直拉法生长的。生长的。直拉单晶炉直拉单晶炉直拉单晶炉直拉单晶炉熔融物质再结晶必备的条件：熔融物质再结晶必备的条件：降温降温结晶中心结晶中心-籽晶籽晶:单晶硅，无位错，晶向正，电阻率单晶硅，无位错，晶向正，电阻率高，表面没有任何损伤

7、和杂质沾污高，表面没有任何损伤和杂质沾污单晶拉制过程单晶拉制过程1.清洁处理清洁处理-炉膛、多晶硅、籽晶、掺杂剂、炉膛、多晶硅、籽晶、掺杂剂、坩埚等等坩埚等等2.装炉装炉-装多晶硅、掺杂剂装多晶硅、掺杂剂3.抽真空抽真空4.回充保护性气体回充保护性气体5.加热融化加热融化-15000C左右左右6.单晶拉制单晶拉制7.关炉降温关炉降温单晶生长的过程：单晶生长的过程：（1）下种）下种（2）缩颈；）缩颈；（3）放肩；）放肩；（4）等颈生长；）等颈生长；（5）收尾。）收尾。单晶锭单晶锭直拉法中的掺杂直拉法中的掺杂方式：掺杂杂质加入到粉碎的硅粉中。方式：掺杂杂质加入到粉碎的硅粉中。方法：方法：元素掺杂元

8、素掺杂合金掺杂合金掺杂区熔法区熔法制备过程：制备过程：1）将掺杂好的多晶硅棒和籽晶）将掺杂好的多晶硅棒和籽晶一起竖直固定在区熔炉内，多一起竖直固定在区熔炉内，多晶棒底部和籽晶接触；晶棒底部和籽晶接触；2）抽真空或通入惰性气体；）抽真空或通入惰性气体；3）射频线圈通电流将多晶硅熔）射频线圈通电流将多晶硅熔化；化；4）融化区从多晶硅底部区域开）融化区从多晶硅底部区域开始，然后慢慢地向上移动，形始，然后慢慢地向上移动，形成单晶硅；成单晶硅；5）反复多次，使硅棒沿籽晶生）反复多次，使硅棒沿籽晶生长成具有预期电学性能的单晶长成具有预期电学性能的单晶硅。硅。直拉法特点：直拉法特点：优点：优点：工艺成熟，能

9、较好地拉制低位错、大工艺成熟，能较好地拉制低位错、大直径的硅单晶。直径的硅单晶。缺点：缺点：是难以避免来自石英坩埚和加热装置是难以避免来自石英坩埚和加热装置的的杂质污染杂质污染。杂质污染：杂质污染：氧、碳氧、碳应用：生长大直径低电阻率的硅单晶。应用：生长大直径低电阻率的硅单晶。直拉法与区熔法比较直拉法与区熔法比较区熔法特点：区熔法特点：优点：优点：氧、碳含量低。氧、碳含量低。缺点：缺点：硅棒直径小，硅棒直径小，不能生长大直径的单不能生长大直径的单晶晶；并且掺杂困难。；并且掺杂困难。应用：应用：生长高纯度单晶硅；或单晶硅进一生长高纯度单晶硅；或单晶硅进一步提纯。步提纯。区熔法的掺杂区熔法的掺杂1

10、、芯体掺杂、芯体掺杂适合扩散系数比较大的杂质；适合扩散系数比较大的杂质；2、气体掺杂、气体掺杂PH3、AsCl3、BCl33、小球掺杂、小球掺杂适合分凝系数较小的杂质适合分凝系数较小的杂质4、中子嬗变掺杂、中子嬗变掺杂n型轻掺杂型轻掺杂两种生长方法的比较：两种生长方法的比较：直拉法直拉法区熔法区熔法直径直径大直径大直径（300mm）小直径小直径（150mm）杂质含量杂质含量高高低低电阻率电阻率低低高高成本成本低低高高 4.4 硅中的硅中的晶体缺陷和杂质晶体缺陷和杂质本节目的：讨论晶体中的各种缺陷和杂本节目的：讨论晶体中的各种缺陷和杂质，以及它们在晶体中扮演的角色。质，以及它们在晶体中扮演的角色

11、。缺陷分类：缺陷分类：点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷位错位错面缺陷面缺陷层错层错体缺陷体缺陷一、点缺陷一、点缺陷自间隙原子、空位、替位杂质、间隙杂质自间隙原子、空位、替位杂质、间隙杂质弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷弗伦克尔缺陷、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：掺杂原子的有益：掺杂原子的替位型缺陷替位型缺陷2.无益：金属杂质沾污的无益：金属杂质沾污的填隙缺陷填隙缺陷点缺陷在晶体中扮演的角色点缺陷在晶体中扮演的角色二、位错二、位错一维缺陷；单晶内部一组晶胞排错位置所制。一维缺陷；单晶内部一组晶胞排错位置所制。刃位错刃位错螺位错螺位错位错分类位错分类原生位错：原生位错：是晶体中固有的

12、位错。是晶体中固有的位错。诱生位错：诱生位错：是指在芯片加工过程中引入是指在芯片加工过程中引入的位错，其数量远远大于原生位错。的位错，其数量远远大于原生位错。大致可分为三个方面：大致可分为三个方面：高温工艺过程引入的位错高温工艺过程引入的位错掺杂过程中引入的位错掺杂过程中引入的位错晶体的物理损伤引入的位错晶体的物理损伤引入的位错产生位错的原因产生位错的原因在单晶硅生长过程中，应该避免位错在单晶硅生长过程中，应该避免位错的出现。的出现。位错对晶体的影响位错对晶体的影响位错是应力存在的标志。位错是应力存在的标志。杂质容易聚集在位错线附杂质容易聚集在位错线附近，沿位错线沉积。近，沿位错线沉积。1.有

13、源区：有源区：无论是原生的还是诱生的缺陷对无论是原生的还是诱生的缺陷对器件特性都是不利的，因此在芯片制造过程器件特性都是不利的，因此在芯片制造过程中都应该尽量避免。中都应该尽量避免。2.非有源区：非有源区：可以利用这些缺陷进行杂质的可以利用这些缺陷进行杂质的吸杂。吸杂。杂质的吸杂杂质的吸杂吸杂：吸杂：晶体中的杂质和缺陷扩散并被捕获在晶体中的杂质和缺陷扩散并被捕获在吸杂位置的过程。吸杂位置的过程。两种方法：两种方法：本征吸杂本征吸杂-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杂非本征吸杂-引入应变或损伤区。引入应变或损伤区。三、面缺陷三、面缺陷层错层错二维缺陷二维缺陷氧化层错氧化层错外

14、延层错外延层错六角密排晶格六角密排晶格面心立方晶格面心立方晶格 硅中杂质硅中杂质有意的掺杂：有意的掺杂：作用：作用：n型半导体、型半导体、p型半导体型半导体无意的掺杂：无意的掺杂：重金属、碱金属、非金属重金属、碱金属、非金属影响影响:导致半导体制造中器件成品率导致半导体制造中器件成品率减少。减少。5.5 5.5 硅片制备硅片制备硅片制备硅片制备是是指将单晶棒经过切片、磨指将单晶棒经过切片、磨片、抛光等一系列的工序加工成用来片、抛光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。做芯片的薄片。晶晶园园(Wafer)Wafer)晶棒成長 切片(Slicing)研磨(Lapping)清洗(Cleaning)拋

15、光(Polishing)檢查(Inspection)硅片制备流程硅片制备流程一一.整型处理整型处理二二.切片切片三三.磨片和倒角磨片和倒角四四.腐蚀腐蚀五五.抛光抛光六六.清洗清洗七七.硅片评估硅片评估八八.包装包装一一.整型处理整型处理 包括切片之前对单晶锭的所有准备步骤：包括切片之前对单晶锭的所有准备步骤：1.1.去掉两端去掉两端2.2.径向研磨径向研磨3.3.硅片定位边硅片定位边或定位槽或定位槽 定位边定位边 定位槽定位槽定位边定位边二二.切片切片 200mm的硅片用的硅片用用有金刚石涂层的内园用有金刚石涂层的内园用有金刚石涂层的内园用有金刚石涂层的内园切割机把晶片从晶体上切下来；切割机

16、把晶片从晶体上切下来；切割机把晶片从晶体上切下来；切割机把晶片从晶体上切下来；300mm的硅片用线锯切割。的硅片用线锯切割。内园与线切割机内园与线切割机三三.磨片和倒角磨片和倒角磨片磨片-是一个传统的磨料研磨工艺，是一个传统的磨料研磨工艺，对硅片进行对硅片进行双面机械磨片双面机械磨片以去除切片时以去除切片时留下的损伤，以达到硅片两面高度的平留下的损伤，以达到硅片两面高度的平行及平坦。行及平坦。用垫片和带有磨料的浆料利用旋转的压用垫片和带有磨料的浆料利用旋转的压力来完成力来完成-机械作用机械作用。倒角倒角 -边缘抛光休整边缘抛光休整，使硅片边缘获得光滑，使硅片边缘获得光滑的半径周线。为解决硅片边

17、缘碎裂所引的半径周线。为解决硅片边缘碎裂所引起的表面质量下降，以及光刻涂胶和外起的表面质量下降，以及光刻涂胶和外延的边缘凸起等问题的边缘弧形工艺。延的边缘凸起等问题的边缘弧形工艺。普遍采用的是用倒角机以成型的砂轮磨削普遍采用的是用倒角机以成型的砂轮磨削硅片边缘，直到硅片边缘形状与轮的形硅片边缘，直到硅片边缘形状与轮的形状一致为止。状一致为止。倒角倒角四四.刻蚀（腐蚀）刻蚀（腐蚀）目的是除去切磨后硅片表面的目的是除去切磨后硅片表面的损伤层和沾损伤层和沾污层污层，改善表面质量和提高表面平整度。，改善表面质量和提高表面平整度。化学方法；化学方法；腐蚀腐蚀20微米的硅；微米的硅；五五.抛光抛光 普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。表面缺陷。抛光的目的是使硅片表面真正达到抛光的目的是使硅片表面真正达到高度平整、高度平整、光洁如镜的理想表面。光洁如镜的理想表面。机械作用机械作用+化学作用化学作用。抛光设备抛光设备抛光后硅片抛光后硅片200mm硅片加工过程中厚度和表面粗糙度的变化硅片加工过程中厚度和表面粗糙度的变化六六.清洗清洗硅片几何尺寸最终检测七七.硅片评估硅片评估八八.包装包装