第一章硅材料及襯底制備

第一章硅材料及襯底制備1本章重點(diǎn)：1.半導(dǎo)體材料的主要特點(diǎn)2.硅的晶體結(jié)構(gòu)3.硅單晶材料的加工制造過程4.直拉法生長單晶過程5.集成電路的發(fā)展對(duì)硅片的要求2半導(dǎo)體材料目前用于制造半導(dǎo)體器件的材料有：

元素半導(dǎo)體（SiGe）化合物半導(dǎo)體（GaAs

InSb銻化銦）本征半導(dǎo)體：

不含任何雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，其純度在99.999999%（8~10個(gè)9）。摻雜半導(dǎo)體：

半導(dǎo)體材料對(duì)雜質(zhì)的敏感性非常強(qiáng)，例如在Si中摻入千萬分之一的磷(P)或者硼（B），就會(huì)使電阻率降低20萬倍。3硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子4共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+45雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴N型半導(dǎo)體（主要載流子為電子[+]，電子半導(dǎo)體）P型半導(dǎo)體（主要載流子為空穴[-]，空穴半導(dǎo)體）6N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi7空穴P型半導(dǎo)體硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且可以移動(dòng)82.負(fù)電阻溫度系數(shù)Si：T=300Kρ=2x105

ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效應(yīng)絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體1012—1022Ω.cm10-6—1012Ω.cm≤10-6Ω.cm⒈電阻率ρ:電阻率可在很大范圍內(nèi)變化1.1、

半導(dǎo)體的主要特征2x105Ωcm0.2Ωcm2x105B10-5P10-5硅9

4.光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。10

1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。

5.具有光生伏特效應(yīng)11物質(zhì)分為晶體(單晶，多晶)和非晶體單晶體:由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。

（1）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，而非由外觀判斷；（2）周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征多晶體：小區(qū)域內(nèi)原子周期性排列，整體不規(guī)則非晶體：原子排列無序1.2半導(dǎo)體材料硅的結(jié)構(gòu)特征12晶體的特點(diǎn)1）均勻性,原子周期性排列.2）各向異性,也叫非均質(zhì)性.(各個(gè)方向上物理和化學(xué)性質(zhì)不同)3）有明顯確定的熔點(diǎn)4）有特定的對(duì)稱性5）使X射線產(chǎn)生衍射13硅的晶體結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)每個(gè)原子周圍有四個(gè)最鄰近的原子，這四個(gè)原子處于正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)電子為該兩個(gè)原子所共有，并形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵夾角：109?28’14<100>,<111>平面是單晶晶圓中最常用的方向。<100>的晶圓較常用來作金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路，而<111>方向的晶圓則通常用來制造雙極型晶體管和集成電路，因?yàn)?lt;111>方向的原子表面密度高，故該面較為堅(jiān)固且比較適合高功率的元件。15晶體的缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）161.5半導(dǎo)體硅材料及硅襯底晶片的制備制備原材料－－多晶硅（polysilicon）多晶硅按純度分類可以分為冶金級(jí)（工業(yè)硅）、太陽能級(jí)、電子級(jí)。

1、冶金級(jí)硅（MG）：是硅的氧化物在電弧爐中被碳還原而成。一般含Si為90-95%以上，高達(dá)99.8%以上。2、太陽級(jí)硅(SG)：純度介于冶金級(jí)硅與電子級(jí)硅之間，至今未有明確界定。一般認(rèn)為含Si在99.99%–99.9999%（4～6個(gè)9）。主要用于太陽能電池芯片的生產(chǎn)制造3、電子級(jí)硅（EG）：一般要求含Si>99.9999%以上，超高純達(dá)到99.9999999%～99.999999999%（9～11個(gè)9）。其導(dǎo)電性介于10-4–1010

歐厘米。主要用于半導(dǎo)體芯片制造。17多晶硅的制備單晶硅制備單晶硅性能測(cè)試單晶硅加工，形成晶圓18多晶硅的制備方法四氯化硅還原法三氯氫硅氫還原法硅烷熱分解法19石英砂的主要成份是二氧化硅從沙到冶金級(jí)硅(MGSmetallurgicalgrade(MG)silicon純度98％～99％)MGS粉末放進(jìn)反應(yīng)爐和氯化氫反應(yīng)生三氯硅烷(TCS)經(jīng)由氣化和凝結(jié)過程純化三氯硅烷三氯硅烷和氫氣反應(yīng)生成電子級(jí)硅材料(EGS)EGS熔化和晶體提拉制備單晶硅

直拉法懸浮區(qū)熔法四氯化硅還原法

（從砂到硅）20四氯化硅還原法

（從砂到硅）

加熱(2000

°C)SiO2

+

C

?

Si

+CO2

砂

碳冶金級(jí)矽二氧化碳21制備TCS（三氯硅烷）Si+HCl

TCS

矽粉末氯化氫過濾器冷凝器純化器99.9999999%純度的三氯矽烷反應(yīng)器,300

C22加熱(1100

°C)SiHCl3

+H2

?

Si

+3HCl

三氯矽烷

氫氣電子級(jí)矽材料氯化氫電子級(jí)硅材料23反應(yīng)室液態(tài)三氯矽烷H2載送氣體的氣泡氫和三氯矽烷製程反應(yīng)室TCS+H2EGS+HCl電子級(jí)矽材料24電子級(jí)硅材料資料來源:http:///semiconductors/_polysilicon.html251.直拉法：晶體主流生長技術(shù)

1）設(shè)備：石英坩堝、高頻加熱線圈等

2）材料：半導(dǎo)體多晶材料和摻雜物、籽晶

3）條件：（1）結(jié)晶溫度（2）結(jié)晶中心單晶硅的制備1.7直拉法生長硅單晶2627直拉法:切克洛斯基(CZ)法石墨坩堝單晶矽矽棒單晶矽種晶石英坩堝加熱線圈1415°C融熔的矽2829查克洛斯基法晶體提拉資料來源:

http:///semiconductors/_crystalgrowing.html30懸浮區(qū)熔法(FZMethod)加熱線圈多晶矽棒單晶矽種晶加熱線圈移動(dòng)融熔矽31兩種方法的比較查克洛斯基(CZ)法是較常用的方法價(jià)格便宜較大的晶圓尺寸(直徑300mm)懸浮區(qū)熔法(FZMethod)純度較高(不用坩堝)價(jià)格較高,晶圓尺寸較小(150mm)32直拉法是生長元素和III-V族化合物半導(dǎo)體體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩堝內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。33一塊具有所需要晶向的單晶硅作為籽晶來生長硅錠，生長的單晶硅就像是籽晶的復(fù)制品坩鍋里的硅被單晶爐加熱，硅變成熔體籽晶與熔體表面接觸，并旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與坩鍋的旋轉(zhuǎn)方向相反。隨著籽晶在直拉過程中離開熔體，熔體上的液體會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Χ岣?。隨著籽晶從熔體中拉出，與籽晶有同樣晶向的單晶就生長出來。34工藝過程(掌握)1.籽晶熔接:加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發(fā)一定時(shí)間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊2.引晶和縮頸：當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸。此時(shí)要控制好溫度，當(dāng)籽晶與熔體液面接觸，浸潤良好時(shí)，可開始緩慢提拉，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結(jié)晶，這一步驟叫“引晶”，又稱“下種”?！翱s頸”是指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長于20mm353.放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。在放肩時(shí)可判別晶體是否是單晶，否則要將其熔掉重新引晶。單晶體外形上的特征—棱的出現(xiàn)可幫助我們判別，<111>方向應(yīng)有對(duì)稱三條棱，<100>方向有對(duì)稱的四條棱。4.等徑生長：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速不變。5.收晶：晶體生長所需長度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。36一單晶硅的切割1切斷：目的是切除單晶硅棒的頭部、尾部及超出客戶規(guī)格的部分，將單晶硅棒分段成切片設(shè)備可以處理的長度2直徑滾磨：把不均勻的直徑變得均勻一致3晶體定向定面、電導(dǎo)率和電阻率的檢查

1）檢查是否得到所需要的晶向晶面

2）檢查半導(dǎo)體被摻雜后的電導(dǎo)率，以保證摻雜類型的正確。4切片硅單晶的加工3738二硅單晶的研磨

1目的：去除切片中殘留的表面損傷，晶圓表面完全平整；2磨片：研磨晶圓，精調(diào)到半導(dǎo)體使用的要求。39化學(xué)機(jī)械研磨製程研磨液研磨墊壓力晶圓夾具晶圓4041

指將切割成的晶片，銳利的邊緣容易脫弱產(chǎn)生碎屑。因此要把稅利邊修整成圓弧形，防止晶片邊緣破裂及晶格缺陷產(chǎn)生，稱為倒角（或者整圓）三硅單晶的倒角使晶圓邊緣圓滑的機(jī)械工藝。42四硅單晶片的拋光

1

拋光目的：晶圓表面光滑，像鏡面一樣亮。2

拋光的過程：化學(xué)和機(jī)械兩種過程同時(shí)進(jìn)行。3

化學(xué)腐蝕液：用于腐蝕晶圓表面4

機(jī)械摩擦：同時(shí)去掉不平整的區(qū)域，獲得最平整的晶圓表面。43200mm的晶圓厚度和表面平坦度的變化76mm914mm晶圓切片之後邊緣圓滑化之後76mm914mm12.5mm814mm<2.5mm750mm725mm幾乎是零缺陷的表面粗磨之後蝕刻之後CMP之後44

1.集成電路的特征尺寸逐漸減小，芯片面積逐漸增大

(1)微缺陷對(duì)芯片的影響增大