半导体工艺2

1第四章第四章硅和硅片的制备硅和硅片的制备2本章目标本章目标„„硅材料精炼成半导体级硅硅材料精炼成半导体级硅（（semiconductorgradesiliconsemiconductorgradesiliconSGSSGS））„„晶体结构和生长方法晶体结构和生长方法„„硅晶体的主要缺陷及种类硅晶体的主要缺陷及种类„„硅片制备硅片制备„„硅片质量的七个标准硅片质量的七个标准„„外延外延34.14.1引言引言4.2半导体级硅制备半导体级硅的过程(SGS)步骤描述反应式1制备冶金级硅石SiC(s)+SiO2(s)ÆSi(l)+SiO(g)+CO(g)2化学反应提纯生成(SiHCl3)Si(s)+3HCl(g)ÆSiHCl3(g)+H2(g)+heat3生产半导体级硅(SGS)2SiHCl3(g)+2H2(g)Æ2Si(s)+6HCl(g)4SiHCl3Polycrystallinesiliconrod多晶硅棒西门子工艺提纯的材料有很高纯度99.9999999%(共９个９)54.34.3晶体结构晶体结构„„非晶材料（不能使用）非晶材料（不能使用）材料不仅有高材料不仅有高纯度，必须是单晶材料纯度，必须是单晶材料„„晶胞晶胞„„多晶和单晶结构多晶和单晶结构„„晶向晶向6晶体的原子排列晶体的原子排列Figure4.27非晶原子结构（非晶原子结构（AmorphousAtomicAmorphousAtomicStructureStructure））Figure4.38３－Ｄ３－Ｄ结构的晶胞（结构的晶胞（UnitCellin3UnitCellin3--DDStructureStructure））UnitcellFigure4.49面心立方晶胞（面心立方晶胞（FacedFaced--centeredcenteredCubic(FCC)UnitCellCubic(FCC)UnitCell））Figure4.510硅硅晶胞晶胞FCCFCC金刚石结构金刚石结构(SiliconUnit(SiliconUnitCell:FCCDiamondStructure)Cell:FCCDiamondStructure)Figure4.611多晶和单晶（多晶和单晶（PolycrystallineandPolycrystallineandMonocrystallineStructuresMonocrystallineStructures））PolycrystallinestructureMonocrystallinestructureFigure4.7124.44.4晶向晶向ZXY1110Figure4.813MillerIndicesofCrystalPlanesMillerIndicesofCrystalPlanesZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)Figure4.9144.54.5单晶硅的生长（单晶硅的生长（GrowthGrowth））„„CZ(CzochralskiCZ(Czochralski切克劳斯基）切克劳斯基）„„CZCZ拉单晶炉拉单晶炉„„DopingDoping„„ImpurityControlImpurityControl„„区熔法区熔法FloatFloat--ZoneZone„„追求更大硅锭的原因追求更大硅锭的原因15CrystalseedMoltenpolysiliconHeatshieldWaterjacketSinglecrystalsiliconQuartzcrucibleCarbonheatingelementCrystalpullerandrotationmechanismCZCrystalPullerCZCrystalPullerFigure4.1016SiliconIngotGrownbyCZSiliconIngotGrownbyCZMethodMethod17CZCrystalPullerCZCrystalPullerPhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSicrystalpuller18掺杂浓度术语掺杂浓度术语DopantDopantConcentrationNomenclatureConcentrationNomenclatureConcentration(Atoms/cm3)DopantMaterialType1014(VeryLightlyDoped)1014to1016(LightlyDoped)1016to1019(Doped)1019(HeavilyDoped)五价Pentavalentnn--n-nn+三价Trivalentpp--p-pp+Table4.2纯纯SiSi电阻率电阻率2.52.5××101055欧姆欧姆..cmcm19硅中电阻率和掺杂浓度之间的关系硅中电阻率和掺杂浓度之间的关系20区熔法（区熔法（FloatZoneFloatZone））晶体生长晶体生长RF气体入口Gasinlet(inert)熔融区MoltenzoneTravelingRFcoil多晶硅（硅）棒rod籽晶SeedcrystalInertgasoutChuck卡盘ChuckFigure4.1121硅片尺寸的变化硅片尺寸的变化规模经济学规模经济学2000年1992年1987年1981年1975年1965年50mm100mm125mm150mm200mm300mm2吋4吋5吋6吋8吋12吋22WaferDimensions&AttributesWaferDimensions&AttributesTable4.3Diameter(mm)Thickness(μm)Area(cm2)Weight(grams/lbs)Weight/25Wafers(lbs)150675±20176.7128/0.061.5200725±20314.1653.08/0.123300775±20706.86127.64/0.287400825±201256.64241.56/0.53132388die200-mmwafer232die300-mmwaferIncreaseinNumberofChipsIncreaseinNumberofChipsonLargerWaferDiameteronLargerWaferDiameter目的：降低成本目的：降低成本24300mm300mm硅片尺寸和晶向要求的发展硅片尺寸和晶向要求的发展ParameterUnitsNominalSomeTypicalTolerancesDiametermm300.00±0.20Thickness(centerpoint)μm775±25Warp(max)μm100Nine-PointThicknessVariation(max)μm10NotchDepthmm1.00+0.25,-0.00NotchAngleDegree90+5,-1BackSurfaceFinishBrightEtched/PolishedEdgeProfileSurfaceFinishPolishedFQA(FixedQualityArea–radiuspermittedonthewafersurface)mm147Table4.4254.64.6硅晶体中的缺陷硅晶体中的缺陷DefectsDefectsAcrystaldefectAcrystaldefect微缺陷微缺陷((microdefectmicrodefect)isany)isanyinterruptionintherepetitivenatureoftheinterruptionintherepetitivenatureoftheunitcellcrystalstructure.unitcellcrystalstructure.Threegeneraltypesofcrystaldefectsinsilicon:Threegeneraltypesofcrystaldefectsinsilicon:1.1.点缺陷点缺陷--LocalizedcrystaldefectatLocalizedcrystaldefectattheatomicleveltheatomiclevel2.2.位错位错--DisplacedunitcellsDisplacedunitcells３．层错３．层错--DefectsincrystalstructureDefectsincrystalstructure（（没有缺陷的晶体是不可能的）没有缺陷的晶体是不可能的）26成品率成品率YieldYieldFigure4.14Yield=66gooddie88totaldie=75%Reductionindefectdensityisacriticalaspectforincreasingwaferyield.27三种点缺陷三种点缺陷PointDefectsPointDefects掺杂也是一种缺陷：填隙原子(a)Vacancydefect(b)Interstitialdefect(c)FrenkeldefectFigure4.1528硅中的杂质硅中的杂质„„IIIIII族，受主杂质族，受主杂质„„VV族，施主杂质，族，施主杂质，„„集成电路中，主要是替位式固溶体集成电路中，主要是替位式固溶体„„外来原子造成晶格形变外来原子造成晶格形变29位错DislocationsinUnitCellsFigure4.1630层错层错CrystalSlipCrystalSlip(GrossDefects)(GrossDefects)(a)(b)(c)RedrawnfromSorabK.Ghandi,VLSIFabricationPrinciples:SiliconandGalliumArsenide,2ndedition,NewYork,Wiley,1994,page49Figure4.1731CrystalTwinPlanesCrystalTwinPlanes孪生平面孪生平面(GrossDefects)(GrossDefects)XX’RedrawnfromSorabK.Ghandi,VLSIFabricationPrinciples:SiliconandGalliumArsenide,2ndedition,NewYork,Wiley,1994,page55Figure4.1832硅单晶片参数对电子器件的影响硅单晶片参数对电子器件的影响材料参数材料参数对电子器件的影响对电子器件的影响位错位错增加漏电流，降低少子寿命增加漏电流，降低少子寿命影响双极增益影响双极增益层错层错增加漏电流，造成击穿增加漏电流，造成击穿降低栅氧化层质量降低栅氧化层质量金属杂质金属杂质增加漏电流，增加漏电流，降低栅氧化层质量降低栅氧化层质量降低少子寿命，影响双极增益降低少子寿命，影响双极增益电阻率电阻率影响阈值电压，影响击穿电压影响阈值电压，影响击穿电压方向性方向性影响表面电荷，影响开启电压影响表面电荷，影响开启电压33材料参数材料参数对电子器件的影响对电子器件的影响DD--缺陷（空位）缺陷（空位）降低栅氧化层质量，造成击穿降低栅氧化层质量，造成击穿AA--缺陷（间隙）缺陷（间隙）增加漏电流，降低少子寿命增加漏电流，降低少子寿命影响双极增益影响双极增益氧沉淀氧沉淀影响吸杂效果，影响力学性影响吸杂效果，影响力学性能，热施主的影响能，热施主的影响平坦度平坦度影响器件线宽度，影响器件线宽度，影响开启电压影响开启电压翘曲度翘曲度影响器件线宽度，影响器件线宽度，影响开启电压影响开启电压34晶体生长晶体生长整型整型切片切片磨片倒角磨片倒角腐蚀腐蚀抛光抛光清洗清洗检查检查包装包装4.74.7硅片制备的基本步骤硅片制备的基本步骤Figure4.1935FlatgrindDiametergrindPreparingcrystalingotforgrinding硅锭径向研磨硅锭径向研磨Figure4.2036硅片标识IdentifyingFlatsP-type(111)P-type(100)N-ty