第一章襯底制備高等教學(xué)

1、集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)第一章第一章 si si單晶及單晶及sisi片的制備片的制備2015年9月11日1行業(yè)學(xué)習(xí)主要內(nèi)容n多晶硅的制備多晶硅的制備n直拉法制備直拉法制備sisi單晶單晶nsisi片的制備片的制備2行業(yè)學(xué)習(xí)1.1.1 1.1.1 半導(dǎo)體材料的類型半導(dǎo)體材料的類型1）元素半導(dǎo)體）元素半導(dǎo)體 2）化合物半導(dǎo)體）化合物半導(dǎo)體 3）合金（固溶體）合金（固溶體） p元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體c c（金剛石）（金剛石）,si, ge, sn,si, ge, sn 晶格結(jié)構(gòu)：金剛石晶格結(jié)構(gòu)：金剛石能帶結(jié)構(gòu)：間接帶隙能帶結(jié)構(gòu)：間接帶隙sn: 0.08 evsn: 0.08 evge: 0.6

2、7 evge: 0.67 evsi: 1.12 evsi: 1.12 ev c: 5.50 ev c: 5.50 ev1.1 1.1 多晶多晶sisi的制備的制備3行業(yè)學(xué)習(xí)p化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體-族：由族：由aa的的b b、alal、gaga、inin與與aa的的n n、p p、asas、sbsb形成，形成， 如如gaasgaas、inpinp、gangan、bnbn、alnaln、gapgap、insbinsb等等1515種。種。-族：由族：由bb的的znzn、cdcd、hghg與與aa族的族的o o、s s、sese、tete形成，形成， 如如znozno、znszns、cdscds、

3、cdtecdte、hgshgs、hgsehgse、hgtehgte等等-族：族：sicsic1.1.1 1.1.1 半導(dǎo)體材料的類型半導(dǎo)體材料的類型4行業(yè)學(xué)習(xí)p合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體二元合金半導(dǎo)體：二元合金半導(dǎo)體：sisi1-x1-xgegex x、 sisi1-x1-xc cx x、gege1-x1-xsnsnx x三元合金半導(dǎo)體：三元合金半導(dǎo)體：alalx xgaga1-x1-xasas、alalx xgaga1-x1-xn n、 ininx xgaga1-x1-xasas、inin1-x1-xalalx xasas等等四元合金半導(dǎo)體：四元合金半導(dǎo)體：ininy ygaga1-y1-yasa

4、sx xp p1-x1-x and al and aly ygaga1-y1-yasasx xsbsb1-x1-x 不是化合物；不是化合物；由二元化合物和一種或兩種普通元素組成三元或四元合金由二元化合物和一種或兩種普通元素組成三元或四元合金（固溶體）半導(dǎo)體。（固溶體）半導(dǎo)體。特點：特點：1 1）組分可調(diào)；）組分可調(diào)； 2 2）禁帶寬度隨組分連續(xù)可調(diào)；）禁帶寬度隨組分連續(xù)可調(diào)； 3 3）晶格常數(shù)隨組分連續(xù)可調(diào)。）晶格常數(shù)隨組分連續(xù)可調(diào)。1.1.1 1.1.1 半導(dǎo)體材料的類型半導(dǎo)體材料的類型5行業(yè)學(xué)習(xí) si si半導(dǎo)體的重要性半導(dǎo)體的重要性n占地殼重量占地殼重量20%-25%20%-25%；n單

5、晶直徑最大：每單晶直徑最大：每3 3年增加年增加1 1英吋，目前主流英吋，目前主流1212英英寸（寸（300mm300mm），最新），最新1 18 8英吋（英吋（4 45 50mm0mm）；）；nsiosio2 2: :掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)（多掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)（多 層布線）、絕緣柵、層布線）、絕緣柵、mosmos電容的介質(zhì)材料；電容的介質(zhì)材料；n多晶硅（多晶硅（ poly-sipoly-si）：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散源、互）：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散源、互 連線（比鋁布線靈活）；連線（比鋁布線靈活）；6行業(yè)學(xué)習(xí)1.1.2 si1.1.2 si單晶的起始材料單晶的起始材料-石英

6、巖（高純度硅砂石英巖（高純度硅砂-sio-sio2 2）siosio2 2+sic+csi(s)+sio(g)+co(g),+sic+csi(s)+sio(g)+co(g), 冶金級硅：冶金級硅：98%98%； si(s)+3hcl(g) sihclsi(s)+3hcl(g) sihcl3 3(g)+h(g)+h2 2，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)三氯硅烷室溫下呈液態(tài)（沸點為（沸點為3232），利用分餾法去除雜質(zhì)；），利用分餾法去除雜質(zhì)； sihclsihcl3 3(g)+ h(g)+ h2 2si(s)+ 3hcl(g)si(s)+ 3hcl(g)，電子級硅（片狀多晶硅）電子級硅（片狀多晶硅）從石英

7、砂到硅錠7行業(yè)學(xué)習(xí)多晶硅提純多晶硅提純 i i過過濾濾器器冷凝器冷凝器純化器純化器反應(yīng)室，反應(yīng)室，300hclsi si 硅粉硅粉sihclsihcl3 3 ( (三氯氫硅三氯氫硅 ，tgs)tgs)純度純度:99.9999999%(9n):99.9999999%(9n)si (固固) + 3hcl(氣氣) sihcl3(氣氣)+h2(氣氣)(220300)sihclsihcl3 3：沸點：沸點31.5 31.5 fefe、alal和和b b被去除。被去除。8行業(yè)學(xué)習(xí)多晶硅提純多晶硅提純 ii iih2液態(tài)sihcl3tgsh2+sihcl3h2+sihcl3si+3hcl電子級硅多晶硅egs

8、工藝腔9行業(yè)學(xué)習(xí)1.2.1 1.2.1 直拉法（直拉法（czcz法）法）1 1）拉晶儀）拉晶儀爐子爐子n石英坩堝：盛熔融硅液；石英坩堝：盛熔融硅液；n石墨基座：支撐和加熱石墨基座：支撐和加熱 石英坩堝石英坩堝n旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；n加熱裝置：加熱裝置：rfrf線圈；線圈； 1.2 si1.2 si單晶的制備單晶的制備10行業(yè)學(xué)習(xí)柴可拉斯基拉晶儀柴可拉斯基拉晶儀11行業(yè)學(xué)習(xí)1 1）拉晶儀）拉晶儀拉晶裝置拉晶裝置n籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；n旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；環(huán)境控制環(huán)境控制n真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)：n氣路系統(tǒng)：提供惰性氣

9、體；氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；n排氣系統(tǒng)排氣系統(tǒng)：電子控制及電源系統(tǒng)電子控制及電源系統(tǒng) 12行業(yè)學(xué)習(xí)2 2）拉晶過程）拉晶過程 例，例，2.52.5及及3 3英吋硅單晶制備英吋硅單晶制備 熔硅：熔硅：14151415n調(diào)節(jié)坩堝位置；（注意事項：熔硅時間不易長）調(diào)節(jié)坩堝位置；（注意事項：熔硅時間不易長） 引晶（下種）引晶（下種）n籽晶預(yù)熱：目的籽晶預(yù)熱：目的-避免對熱場的擾動太大；避免對熱場的擾動太大； 位置位置-熔硅上方；熔硅上方；n與熔硅接觸：溫度太高與熔硅接觸：溫度太高-籽晶熔斷；籽晶熔斷； 溫度太低溫度太低-籽晶不熔或不生長；籽晶不熔或不生長； 合適溫度合適溫度-籽晶與熔硅可長時間接觸，籽

10、晶與熔硅可長時間接觸， 既不會進(jìn)一步融化，也不會生長；既不會進(jìn)一步融化，也不會生長； 13行業(yè)學(xué)習(xí)2 2）拉晶過程）拉晶過程收頸收頸n目的：抑制位錯從籽晶目的：抑制位錯從籽晶 向晶體延伸；向晶體延伸；n直徑：直徑：2-3mm2-3mm；n長度：長度：20mm20mm；n拉速：拉速：3.5mm/min3.5mm/min 放肩放肩n溫度：降溫度：降15-4015-40；n拉速：拉速：0.4mm/min0.4mm/min； 14行業(yè)學(xué)習(xí)2 2）拉晶過程）拉晶過程 收肩收肩n當(dāng)肩部直徑比所需直徑小當(dāng)肩部直徑比所需直徑小3-5mm3-5mm時，提高拉速：時，提高拉速： 2.5mm/min 2.5mm/m

11、in； 等徑生長等徑生長n拉速：拉速：1.3-1.5mm/min1.3-1.5mm/min；n熔硅液面在溫度場保持相對固定；熔硅液面在溫度場保持相對固定； 收尾收尾n 熔硅料為熔硅料為1.5kg1.5kg時，停止坩堝跟蹤。時，停止坩堝跟蹤。 15行業(yè)學(xué)習(xí)直拉(cz)法生長si單晶示意16行業(yè)學(xué)習(xí)直拉(cz)法生長的si單晶錠17行業(yè)學(xué)習(xí)1.2 si單晶的制備1.2.2 1.2.2 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法n也稱也稱fzfz法，法，float-zonefloat-zonen特點：特點：可重復(fù)生長、提純單晶；可重復(fù)生長、提純單晶； 無需坩堝、石墨托，污染無需坩堝、石墨托，污染 少，純度較少，純度較cz

12、cz法高；法高； fzfz單晶：單晶：高純、高阻、高純、高阻、 低氧、低碳；低氧、低碳；n缺點：缺點： 單晶直徑不及單晶直徑不及czcz法。法。 18行業(yè)學(xué)習(xí)直拉法直拉法vsvs區(qū)熔法區(qū)熔法 u 直拉法，更為常用直拉法，更為常用(占占75以上以上) 便宜便宜 更大的圓片尺寸更大的圓片尺寸(400mm已生產(chǎn)已生產(chǎn)) 剩余原材料可重復(fù)使用剩余原材料可重復(fù)使用 位錯密度：位錯密度：0104cm2u 區(qū)熔法區(qū)熔法 高純度的硅單晶高純度的硅單晶(不使用坩鍋不使用坩鍋)（電阻率（電阻率2000w w-mm） 成本高，可生產(chǎn)圓片尺寸較小成本高，可生產(chǎn)圓片尺寸較小(150mm) 主要用于功率器件主要用于功率器

13、件 位錯密度：位錯密度：103105cm219行業(yè)學(xué)習(xí)1.2 si1.2 si單晶的制備單晶的制備1.2.3 1.2.3 水平區(qū)熔法水平區(qū)熔法n布里吉曼法布里吉曼法 gaas gaas單晶單晶20行業(yè)學(xué)習(xí)1.3 si1.3 si片制備片制備n襯底制備包括：襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識、晶面整形、晶體定向、晶面標(biāo)識、晶面加工。加工。21行業(yè)學(xué)習(xí)1.3.1 1.3.1 硅錠整型處理硅錠整型處理定位邊（參考面）定位邊（參考面）150mm150mm或更小直徑或更小直徑定位槽定位槽200mm200mm或更大直徑或更大直徑2.2 單晶單晶si制備制備n截掉頭尾、截掉頭尾、n直徑研磨和直徑研磨和n

14、定位邊或定位槽。定位邊或定位槽。22行業(yè)學(xué)習(xí)1.3.2 1.3.2 晶體定向晶體定向 n晶體具有各向異性晶體具有各向異性 器件一般制作在低米勒指數(shù)面的晶片上，如器件一般制作在低米勒指數(shù)面的晶片上，如 雙極器件：雙極器件：111111面；面； mos mos器件：器件：100100面。面。n晶體定向的方法晶體定向的方法 1 1）光圖像定向法（參考李乃平）光圖像定向法（參考李乃平） 腐蝕：腐蝕：要定向的晶面經(jīng)研磨、腐蝕，晶面上出現(xiàn)許要定向的晶面經(jīng)研磨、腐蝕，晶面上出現(xiàn)許多由低指數(shù)小平面圍成、與晶面具有一定對應(yīng)關(guān)系的多由低指數(shù)小平面圍成、與晶面具有一定對應(yīng)關(guān)系的小腐蝕坑；小腐蝕坑； 光照：光照：利用

15、這些小腐蝕坑的宏觀對稱性，正入射平利用這些小腐蝕坑的宏觀對稱性，正入射平行光反映出不同的圖像，從而確定晶面行光反映出不同的圖像，從而確定晶面。 23行業(yè)學(xué)習(xí)光圖像定向法光圖像定向法24行業(yè)學(xué)習(xí)1.3.2 1.3.2 晶體定向晶體定向 2 2）x x射線衍射法射線衍射法n方法：方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動晶體法；勞埃法；轉(zhuǎn)動晶體法；n原理：原理： 入射角入射角應(yīng)滿足：應(yīng)滿足：n=2dsinn=2dsin； 晶面米勒指數(shù)晶面米勒指數(shù)h h、k k、l l應(yīng)滿足：應(yīng)滿足： h h2 2+k+k2 2+l+l2 2=4n-1=4n-1（n n為奇數(shù)）為奇數(shù)） h h2 2+k+k2 2+l+l2 2=4n=4n

16、（n n為偶數(shù)）為偶數(shù)）25行業(yè)學(xué)習(xí)1.3.3 1.3.3 晶面標(biāo)識晶面標(biāo)識n原理：原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開；各向異性使晶片沿解理面易裂開； 硅單晶的解理面：硅單晶的解理面：111111 ； 1 1）主參考面）主參考面（主定位面，主標(biāo)志面）（主定位面，主標(biāo)志面）n起識別劃片方向作用；起識別劃片方向作用；n作為硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；作為硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；n作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；2 2）次參考面）次參考面（次定位面，次標(biāo)志面）（次定位面，次標(biāo)志面）n識別晶向和導(dǎo)電類型識別晶向和導(dǎo)電類型 26行業(yè)學(xué)習(xí)si

17、si片晶面標(biāo)識示意片晶面標(biāo)識示意27行業(yè)學(xué)習(xí)1.3.4 si si晶片加工（參考莊同曾）晶片加工（參考莊同曾）n切片、磨片、拋光切片、磨片、拋光1 1）切片）切片n將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求的單晶薄片。定要求的單晶薄片。n切片基本決定了晶片的晶向、平行度、翹度，切片切片基本決定了晶片的晶向、平行度、翹度，切片損耗占損耗占1/31/3。28行業(yè)學(xué)習(xí)切片切片(wafer sawing)(wafer sawing)示意示意晶向標(biāo)記晶向標(biāo)記定位槽定位槽鋸條鋸條冷卻液冷卻液硅錠硅錠硅錠運動方向硅錠運動方向金剛石覆層金剛石覆層2.2 單晶

18、單晶si制備制備29行業(yè)學(xué)習(xí)1.3.4 si晶片加工晶片加工2 2）磨片）磨片n目的：目的： 使各片厚度一致；使各片厚度一致； 使各硅片各處厚度均勻；使各硅片各處厚度均勻； 改善平整度。改善平整度。 n磨料：磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。 種類：種類：alal2 2o o3 3、sicsic、zrozro、siosio2 2、mgomgo等等 30行業(yè)學(xué)習(xí)1.3.4 si晶片加工晶片加工3 3）拋光）拋光n目的：目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的無損層的“理想理想”表面。表面。n方 法 ：方 法 ： 機(jī) 械 拋 光 、 化 學(xué) 拋 光 、機(jī) 械 拋 光 、 化 學(xué) 拋 光 、 化 學(xué) 機(jī) 械 拋 光化 學(xué) 機(jī) 械 拋 光（cmp,chemical-mechanical polishingcmp,chemical-mechanical polishing） 機(jī)械拋光機(jī)械拋光: :與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)（與