第三章-硅和硅片制备

东南大学无锡分校东南大学无锡分校第三章硅和硅片制备东南大学无锡分校晶体生长东南大学无锡分校§3.1半导体级硅semiconductor-gradesilicon，SGS高纯度硅，纯度99.9999999%一、半导体级硅矿石→SGS↑沙子、石英东南大学无锡分校二、半导体级硅的制备制备半导体级硅(SGS)的过程步骤过程描述反应方程式1用碳加热硅石至2100℃左右来制备冶金级硅(MGS)（杂质大约2%）SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)2通过化学反应将冶金级硅进一步提纯为三氯硅烷(SiHCl3)Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)+heat3利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产半导体级硅(SGS)2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)东南大学无锡分校三、硅的晶体结构东南大学无锡分校1.晶向晶列：晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线系上晶向：空间点阵中各阵点列的方向（连接点阵中任意结点列的直线方向）（一族晶列所指的方向，可由连接晶列中相邻格点的矢量的方向来标记）晶向指数：uvw东南大学无锡分校2.晶向族---等效晶向晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用uvw表示100110111东南大学无锡分校3.晶面晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面（在点阵中由结点构成的平面）晶面指数：（hlk）硅晶圆中最常使用的晶面是(100)和(111)（100）晶面的晶圆用来制造MOS器件和电路（111）晶面的晶圆用来制造双极性器件和电路ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)砷化镓技术使用（100）晶面的硅片东南大学无锡分校4.晶体缺陷(1)定义在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断，实际晶体中原子排列与理想晶体的差别。(2)晶体缺陷的影响A：生长出不均匀的二氧化硅膜B：淀积的外延膜质量差C：掺杂层不均匀D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。东南大学无锡分校(3)硅中三种普遍的缺陷形式点缺陷：原子层面的局部缺陷位错：错位的晶胞层错：晶体结构的缺陷%100每个圆片的芯片数每个圆片的完好芯片数成品率芯片成品率每个圆片芯片数圆片成本芯片成本芯片面积单位面积缺陷数芯片成品率14)(芯片面积芯片成本f芯片面积圆片直径芯片面积圆片直径每个圆片的芯片数2/22（工艺参数α约为3）东南大学无锡分校11A：点缺陷形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致替位杂质空位Frenkel缺陷填隙杂质东南大学无锡分校B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因：晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏东南大学无锡分校C：层错常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和孪晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。东南大学无锡分校四、硅晶圆制备的四个阶段A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备芯片制造的第一部分：材料准备芯片制造的第二部分：晶体生长和晶圆制备东南大学无锡分校15①冶炼SiO2+C→Si+CO↑或者得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。②酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。)()()()()(2gCOgSiOfSisSiOsSiC东南大学无锡分校③精馏提纯将酸洗过的硅转化为SiHCl3或SiCl4，Si+3HCl（g）→SiHCl3↑+H2↑Si+2Cl2→SiCl4↑好处：常温下SiHCl3与SiCl4都是气态，SiHCl3的沸点仅为31℃④还原多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氢气易于净化，且在Si中溶解度极低东南大学无锡分校§3.2单晶硅生长定义:把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类：有坩埚的：直拉法、磁控直拉法、液体掩盖直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。晶体生长：半导体级多晶硅转变为单晶硅硅锭东南大学无锡分校一、CZ（Czochralski）法（直拉法）1.起源1918年由Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。2.设备石英坩埚、高频加热线圈等3.材料半导体多晶材料和掺杂物、籽晶晶体生长的结构与籽晶晶体结构一致东南大学无锡分校东南大学无锡分校4.直拉法目的实现均匀掺杂和复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径，限制杂质引入。5.关键参数（1）拉伸速率（2）晶体旋转速度6.关键问题（1）掺杂：得到所需电阻率（2）氧杂质：少量可以吸附金属杂质东南大学无锡分校7.CZ法工艺流程（1）准备：腐蚀清洗多晶→籽晶准备→装炉→真空操作（2）开炉：升温→水冷→通气（3）生长：引晶→缩晶→放肩→等径生长→收尾（4）停炉：降温→停气→停止抽真空→开炉东南大学无锡分校8.CZ法生长过程(1)籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。(2)引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。(3)放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，111方向应有对称三条棱，100方向有对称的四条棱。(4)等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。(5)收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。东南大学无锡分校资料来源：直拉法晶体提拉东南大学无锡分校9.直拉法生长单晶的特点优点：所生长单晶的直径较大优点：成本相对较低缺点：熔体与坩埚接触，易引入氧杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10-40ppm)SiO2=Si+O2（石英坩锅高温下）当单晶在300-600度冷却时，氧会被激活成为施主,因此能改变单晶的电阻率。直拉单晶在1200度退火使氧沉积，可使氧施主的浓度降至1014/厘米3,电阻率会发生明显的变化。（50欧.厘米的P硅掺入1014/厘米3的硼)掺杂时，沿轴向电阻率分布不均匀，对于k小于1的杂质，靠近籽晶的一端电阻率较高东南大学无锡分校二、FZ（FloatZoning）法（区熔法）东南大学无锡分校在操作过程中，利用射频加热器使一小区域的多晶棒熔融。射频加热器自底部籽晶往上扫过整个多晶棒，由此熔融带也会扫过整个多晶棒。当悬浮熔区上移时，在再结晶处长出单晶且以籽晶方向延伸生长。该方法可生产比直拉法更高阻值的物质，主要用于需要高阻率材料的器件，如高功率、高压等器件。东南大学无锡分校CZ法与FZ法比较CZ法–成本更低，更普遍–硅片尺寸更大–材料可重复使用FZ法–单晶纯度更高–成本更高，硅片尺寸偏小–主要用于功率器件东南大学无锡分校直拉法和区熔法晶体生长的比较东南大学无锡分校液体掩盖直拉法东南大学无锡分校三、追求更大直径硅锭的原因2009200019921987198119751965直径：50mm100mm125mm150mm200mm300mm450mm2″4″5″6″8″12″18″成本降低，利润升高1、设备利用率提高2、单个芯片成本降低3、成品率提高东南大学无锡分校§3.3硅片的制备晶体生长整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片制备的基本工艺步骤东南大学无锡分校籽晶坩埚加热器多晶硅1.单晶生长2.单晶硅锭3.单晶去头和径向研磨4.定位边研磨5.硅片切割磨料磨头抛光台6.倒角7.粘片8.硅片刻蚀9.抛光10.硅片检查东南大学无锡分校一、单晶锭生成二、整型处理Flatgrind（定位边研磨）Diametergrind（径向研磨）Preparingcrystalingotforgrinding（为研磨准备单晶锭）东南大学无锡分校硅片鉴别方法（SEMI标准）---定位边双级集成电路工艺CMOS集成电路工艺d＜200mm东南大学无锡分校定位槽定位槽被刻印的标识数字硅片定位槽和激光刻印d≥200mm对300mm硅片来讲，对激光刻印达成了一个标准，激光刻印于硅片背面靠近边缘的没有利用的区域（3mm）。东南大学无锡分校三、切片传统的：刀锯片、砂轮片先进的：激光切割、内圆切割、超声切割、电子束切割、多线切割锯刃内圆切割机东南大学无锡分校线切割东南大学无锡分校四、磨片和倒角磨片：在研磨机上，用白刚玉或金刚砂等配制的研磨液将硅片研磨成一定厚度和光洁度的工艺。有单面研磨和双面研磨两种方式。东南大学无锡分校倒角：为解决硅片边缘碎裂所引起的表面质量下降，以及光刻涂胶和外延的边缘凸起等问题的边缘弧形工艺。东南大学无锡分校倒角倒角的目的：1、防止晶圆边缘碎裂2、防止热应力集中3、增加外延层/光刻胶层在晶圆边缘的平坦度倒角形状：圆弧、梯形东南大学无锡分校五、刻蚀——除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层，改善表面质量和提高表面平整度的工艺。通常，腐蚀硅表面20μm东南大学无锡分校六、抛光——化学机械化平坦化（ChemicalMechanicalPlanarization，CMP）——除去整型残留的表面和边缘损伤及沾污，并获得一定厚度的高平整度的光滑表面研磨液研磨垫压力晶圆夹具晶圆东南大学无锡分校双面硅片抛光上抛光垫下抛光垫硅片磨料东南大学无锡分校200mm硅片厚度和表面粗糙度变化76mm914mm晶圆切片之后边缘圆滑化之后76mm914mm12.5mm814mm2.5mm750mm725mm几乎是零缺陷的表面粗磨之后刻蚀之后CMP之后东南大学无锡分校七、清洗八、硅片评估年(标准尺寸)1995(0.35m)1998(0.25m)2000(0.18m)2004(0.13m)硅片直径(mm)200200300300位置平整度(m)位置尺寸(mmxmm)0.23(22x22)0.17(26x32)0.1226x320.0826x36上表面粗糙度(RMS)(nm)0.20.150.10.1氧含量(ppm)242232231.5221.5体微缺陷(缺陷数/cm2)50001000500100单元面积颗粒数(#/cm2)0.170.130.0750.055外延层厚度(%uniformity)(m)3.0(5%)2.0(3%)1.4(2%)1.0(2%)硅片要求九、包装东南大学无锡分校质量测量1.物理尺寸直径厚度晶向位置和尺寸定位边硅片变形2.平整度通过硅片的直线上的厚度变化3.微粗糙度硅片表面最高点和最低点的高度差别，用均方根表示4.氧含量（通过横断面检测）5.晶体缺陷要求：每平方厘米的晶体缺陷少于1000个6.颗粒（尺寸大于或等于0.08um）200mm的硅片表面每平方厘米少于0.13个颗粒7.体电阻率（依赖于杂质浓度，用四探针方法测量）东南大学无锡分校硅片要求Year(CriticalDimension)1995(0.35m)1998(0.25m)2000(0.18m