soc工藝課件 ch2硅片的制備

1、P1微電子制造工藝概論第2章 硅片制備P2本章主要內(nèi)容 2.1多晶硅的制備 2.2單晶硅生長(zhǎng) 2.3切制硅片P32.1多晶硅的制備單晶硅襯底材料制備：?jiǎn)尉Ч枰r底材料制備： 制備多晶硅，石英砂（硅石）通過(guò)冶煉冶煉得到冶金級(jí)硅（MGS：metallurgical grade silicon），再經(jīng)過(guò)一系列的提純提純工藝得到電子級(jí)硅（EGS：electrical grade silicon），然后由電子級(jí)多晶硅熔體拉制拉制出單晶硅錠，再切片切片加工出硅片。 在單晶硅襯底上通過(guò)外延外延工藝生長(zhǎng)出單晶硅外延層，得到外延片。P42.1.1多晶硅的制備冶煉冶煉冶煉是采用木炭或其它含碳物質(zhì)如煤、焦油等來(lái)還原石

2、英砂，得到硅。硅的含量在98-99之間，稱(chēng)為冶金級(jí)硅（MGS），也稱(chēng)為粗硅或硅鐵。主要雜質(zhì)：Fe、Al、C、B、P、Cu 要進(jìn)一步提純。 16001800 C2SiO +2CSi+2COP5 酸洗（酸洗（hydrochlorinationhydrochlorination）：硅不溶于酸，粗硅初步提純是用鹽酸、王水、氫氟酸等混合強(qiáng)酸浸泡，去除粗硅中的鐵、鋁等主要雜質(zhì)，清洗至硅純度99.7%以上。（化學(xué)提純）（化學(xué)提純） 蒸餾提純（蒸餾提純（distillationdistillation） ：利用物質(zhì)的沸點(diǎn)不同，而在精餾塔中通過(guò)精餾（物理提純）（物理提純）來(lái)對(duì)其進(jìn)行提純。 先將酸洗過(guò)的硅氧化為S

3、iHCl3或 SiCl4，常溫下SiHCl3 (沸點(diǎn)31.5)，與SiCl4( 沸點(diǎn)57.6)都是液態(tài)，蒸餾獲得高純的SiHCl3或SiCl4。 Si+3HClSiHCl Si+3HClSiHCl3 3+H+H2 2 Si+2Cl Si+2Cl2 2SiClSiCl4 4 分解（分解（discompositiondiscomposition）：氫氣易于凈化，且在硅中溶解度極低，因此，多用H2來(lái)還原SiHCl3和SiCl4，還原得到的硅就是半導(dǎo)體純度的多晶硅。 SiClSiCl4 4+2H+2H2 2Si+4HCl SiHClSi+4HCl SiHCl3 3+H+H2 2Si+3HClSi+3H

4、Cl 電子級(jí)硅EGS雜質(zhì)：碳-ppm（百萬(wàn)分之幾）；,族-ppb(十億分之幾)2.1.1多晶硅的制備提純P62.1.1多晶硅的制備提純西門(mén)子反應(yīng)器P72.2 單晶硅生長(zhǎng)采用熔體生長(zhǎng)法制備單晶硅錠多晶硅熔體硅單晶硅錠 按制備時(shí)有無(wú)使用坩堝又分為兩類(lèi) 有坩堝的：直拉法、磁控直拉法； 無(wú)坩堝的：懸浮區(qū)熔法 。 P882.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法) 1918年，切克勞斯基（J. Czochralski）從熔融金屬中拉制出了金屬細(xì)燈絲。 在20世紀(jì)50年代初期，G. K. Teal和J. B. Little采用類(lèi)似的方法從熔融硅中拉制出了單晶硅錠，開(kāi)發(fā)出直拉法生長(zhǎng)單晶硅錠技術(shù)。 目

5、前拉制的單晶硅錠直徑已可達(dá)450mm，18英寸。 圖2-1直拉法生長(zhǎng)單晶硅裝置示意圖P9四部分組成： 爐體部分： 有坩堝、水冷裝置和拉桿等機(jī)械傳動(dòng)部分； 加熱控溫系統(tǒng) ：有光學(xué)高溫計(jì)、加熱器、隔熱裝置等； 真空部分： 有機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、真空計(jì)、進(jìn)氣閥等； 控制部分： 顯示器和控制面板等 ；圖2-2 TDR-A型單晶爐照片2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P10在坩堝中放入電子級(jí)的多晶硅，加熱使之熔融，用一個(gè)卡具夾住一塊適當(dāng)晶向的籽晶，懸浮在坩堝上。拉單晶時(shí)，將籽晶一端插入熔體直到熔化，然后再緩慢向上提拉，這時(shí)在液-固界面經(jīng)過(guò)逐漸冷凝就形成了單晶。硅錠被拉出時(shí)，邊旋轉(zhuǎn)邊提拉，而

6、坩堝向相反方向旋轉(zhuǎn)。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P11縮頸作用示意圖縮頸作用示意圖CZ法主要工藝流程：法主要工藝流程： 準(zhǔn)備腐蝕清洗多晶硅籽晶準(zhǔn)備裝爐 開(kāi)爐抽真空通氣升溫水冷； 生長(zhǎng)引晶縮晶放肩等徑生長(zhǎng)收尾 ； 停爐降溫停氣停止抽真空開(kāi)爐；2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P12準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備階段： 清洗腐蝕多晶硅，除去表面沾污和氧化層，放入坩堝； 選擇晶格完整性好的單晶，其晶向應(yīng)與拉制單晶錠的晶向一致，籽晶表面應(yīng)無(wú)氧化，無(wú)劃傷； 將籽晶卡在拉桿卡具上；開(kāi)爐階段：開(kāi)爐階段： 將單晶生長(zhǎng)室的真空度抽至高真空； 通入惰性氣體以及所需摻雜氣體； 打開(kāi)加熱器升

7、溫； 打開(kāi)水冷裝置，通入冷卻水循環(huán)；2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P13引晶引晶“引晶”，溫度穩(wěn)定時(shí)，籽晶與熔體接觸，浸潤(rùn)良好時(shí)，緩慢提拉，硅在籽晶頭部結(jié)晶。提拉法生長(zhǎng)過(guò)程：提拉法生長(zhǎng)過(guò)程：2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)縮頸縮頸“縮頸”，引晶后略降溫，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。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。頸一般長(zhǎng)于20mm。P14放肩放肩縮頸之后，略降溫，讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需直徑。收尾收尾隨著晶體生長(zhǎng)結(jié)束，采用稍升溫，提高拉速，使晶體直徑逐漸變小結(jié)束單晶生長(zhǎng)。等徑生長(zhǎng)等徑生長(zhǎng)晶體達(dá)到所需直徑后，提高拉速，使晶體直徑

8、不再長(zhǎng)大，稱(chēng)為收肩。收肩后保持晶體直徑不變。典型拉經(jīng)速率：每分鐘幾毫米。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P15籽晶的作用：籽晶的作用： 籽晶是作為復(fù)制樣本，使拉制出的硅錠和籽晶有相同的晶向； 籽晶是作為晶核，有較大晶核的存在可以減小熔體向晶體轉(zhuǎn)化時(shí)必須克服的能壘（即界面勢(shì)壘）?？s頸：縮頸： 縮頸縮頸能終止拉單晶初期籽晶中的位錯(cuò)、表面劃痕等缺陷，以及籽晶與熔體連接處的缺陷向晶錠內(nèi)延伸。籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的頸部表面時(shí)就終止了。 為保證拉制的硅錠晶格完整，可以進(jìn)行多次縮頸。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P16停爐階段：停爐階段： 降溫； 停止通氣；

9、 停止抽真空； 停止通入冷卻循環(huán)水； 開(kāi)爐取出單晶錠。避免單晶硅錠在較高溫度暴露在空氣中，帶來(lái)氧化和污染。2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P17晶錠質(zhì)量控制 提拉速度：晶體的質(zhì)量對(duì)提拉速度很敏感，典型的拉桿提拉速度一般在10m/s左右。在靠近熔體處晶體的點(diǎn)缺陷濃度最高，快速冷卻能阻止這些缺陷結(jié)團(tuán)。點(diǎn)缺陷結(jié)團(tuán)后多為位錯(cuò)環(huán)，這些環(huán)相對(duì)硅錠軸中心呈漩渦狀分布，呈漩渦缺陷。 溫度場(chǎng)的分布應(yīng)適當(dāng)，實(shí)際上坩堝內(nèi)熔體溫度呈一定分布。 籽晶的質(zhì)量，晶格完好，表面無(wú)劃痕、無(wú)氧化物。 縮頸目的是終止籽晶位錯(cuò)和缺陷，可多次縮頸。 2.2.1直拉法 Czochralski法(CZ法)P18摻雜方式

10、摻雜方式液相摻雜直接摻元素：?jiǎn)钨|(zhì)，重?fù)诫s；母合金摻雜：硅合金，輕摻雜和中等摻雜； 氣相摻雜 中子輻照（NTD）摻雜中子嬗變摻雜技術(shù)2.2.3晶體摻雜P19分凝（分凝（segregation） 液相摻雜可直接在坩堝內(nèi)加入雜質(zhì)元素制造特定電阻率晶圓片。 對(duì)于固相液相的界面，由于雜質(zhì)在不同相中的溶解度不一樣，所以雜質(zhì)在界面兩邊材料中分布的濃度是不同的，這就是所謂雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象。 雜質(zhì)分凝作用的大小描述分凝系數(shù)k，定義為雜質(zhì)在固相中的溶解度與雜質(zhì)在液相中的溶解度之比： k=Cs/Cl 2.2.3晶體摻雜液相摻雜P20例題： CZ法制備=1cm的 n-Si單晶50kg，摻As多少？ 由電阻-摻雜濃度曲線(xiàn)

11、，查出砷濃度nAs=6x1015/cm3，密度As=5.73g/cm3， si=2.33g/cm3 ，只需摻入的As的濃度： 砷的原子量為74.92，原子量的單位為1.6606x10-27，摻入砷的質(zhì)量為： 稱(chēng)量誤差1mg，濃度誤差6%。采用母合金摻雜法，制備1：10的砷硅合金。2.2.3晶體摻雜液相摻雜31520SiAsAsSiW n50 106 10N=1.287 102.33atoms 2120W =1.661 1074.921.287 1016AsmgP21分凝系數(shù)與晶錠中摻雜濃度的關(guān)系 設(shè)晶體生長(zhǎng)時(shí)，熔體初始重量為M0/g，初始摻雜濃度為C0(每克熔體中所含雜質(zhì)重量)，若已知生長(zhǎng)出的

12、晶體重量為M/g時(shí)，熔體中剩余雜質(zhì)為S/g。 Cs和Cl分別表示界面附近固體和液體中雜質(zhì)的平衡濃度。當(dāng)晶體重量增加量為dM時(shí)，熔體中的雜質(zhì)減小量： (1)sdSC dM此時(shí)，熔體中的摻雜濃度：0 (2)lSCMM將(1)(2)帶入k0=Cs/C1得：00 (3)dSdMkSMM 已知初始雜質(zhì)重量C0M0,則對(duì)(3)式兩邊進(jìn)行積分有：00000 (4)SMC MdSdMkSMM求解上式并考慮公式(2)可得：010001 (5)ksMCk CMP222.2.3晶體摻雜液相摻雜分凝對(duì)雜質(zhì)分布均勻性影響分凝對(duì)雜質(zhì)分布均勻性影響在CZ法長(zhǎng)晶中，若液體凝固速度極為緩慢，雜質(zhì)在熔融液中始終均勻分布，且雜質(zhì)在

13、固態(tài)晶體內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象不明顯，則晶錠內(nèi)軸向雜質(zhì)分布濃度P232.2.3晶體摻雜液相摻雜例題從含有0.01%磷或硼的熔料中拉制硅錠，計(jì)算：晶錠頂端磷或硼雜質(zhì)的濃度？如果晶錠長(zhǎng)1m，截面均勻，在何處兩種雜質(zhì)濃度分別是晶錠頂端處的2倍？解：硅原子密度為5x1022atoms/cm3，kP=0.35， kB=0.8 晶錠頂端磷的濃度為 晶錠頂端硼的濃度為 設(shè)在xP xB處，磷、硼雜質(zhì)分別為 晶錠頂端雜質(zhì)濃度的2倍，即Cx=2C0022183PC =5 100.35 0.0001=1.75 10atoms/cm（）022183C =5 100.8 0.0001=4 10atoms/cmB（）0.35 10.

14、8 12 0.00010.0001(1),0.662 0.00010.0001(1),0.97PPBBxxmxxmP24 采用Czochralski法生長(zhǎng)的硅錠含有的硼原子濃度為1016 /cm3,那么比照硅錠中的濃度值其熔體中的硼濃度是多少？如果坩堝中硅的初始裝量是80kg，那么應(yīng)該加入多少克硼(原子量10g/mol)？(已知熔融硅的密度是2.5g/cm3,硼的分凝系數(shù)k0為0.8,一摩爾物質(zhì)中所含原子數(shù)為6.02x1023 )解：由k0=Cs/Cl可得：1631630101.25 100.8slCcmCcmk熔體Si的體積為：343380 103.2 102.5 /SigVcmg cm則熔

15、體中硼原子數(shù)為：16343201.25 103.2 10 4 10BlSiNCVcmcm所以，應(yīng)加入的硼的質(zhì)量為：236.676.02 10/BBNmmgmol10g/mol可見(jiàn)，如此巨量的硅只需加入少量的硼就足夠了。2.2.3晶體摻雜液相摻雜P252.2.3晶體摻雜液相摻雜母合金摻雜母合金摻雜 將雜質(zhì)元素先制成硅的合金（如硅銻合金，硅硼合金），再按所需的計(jì)量摻入合金。這種方法適于制備一般濃度的摻雜。 采用母合金摻雜方式的原因：摻入雜質(zhì)劑量很小，如電阻率為1cm的n-Si，雜質(zhì)為砷時(shí)，由電阻率-摻雜濃度曲線(xiàn)，砷雜質(zhì)濃度6*1015/cm3,硅單位體積原子數(shù)5*1022/cm3，5千克硅，只需摻

16、入1毫克砷，計(jì)量很小，誤差難免，如果采用砷硅合金的話(huà)，就能增加摻入計(jì)量，從而減小誤差。P26蒸發(fā)蒸發(fā) 蒸發(fā)常數(shù)E 是指坩堝中熔體內(nèi)的雜質(zhì)從熔體表面蒸發(fā)到氣相中的現(xiàn)象，用蒸發(fā)常數(shù)E來(lái)表征雜質(zhì)蒸發(fā)的難易。 N=EACl 其中N為氣相雜質(zhì)濃度，A為液相面積。 雜質(zhì)濃度分布與k、E有關(guān)。2.2.3晶體摻雜液相摻雜P272.2.3晶體摻雜液相摻雜分凝系數(shù)很小的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法分凝系數(shù)很小的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法蒸發(fā)常數(shù)太大的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法蒸發(fā)常數(shù)太大的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法表2-1 硅中常見(jiàn)雜質(zhì)的分凝系數(shù)和蒸發(fā)常數(shù)參數(shù)BAlGa In OPAsSb分凝系數(shù)0.800.00180.00723

17、.6*10-40.250.350.270.02蒸發(fā)常數(shù)510-610-410-3510-310-4510-3710-2P28 利用雜質(zhì)的擴(kuò)散機(jī)理，在用區(qū)熔法拉制硅單晶的過(guò)程中加入氣相雜質(zhì)氛圍，并通過(guò)控制雜質(zhì)氣體的雜質(zhì)含量和氣體流量的方法控制單晶的電阻率。 在單晶爐內(nèi)通入的惰性氣體中加入一定量的含摻雜元素的雜質(zhì)氣體。在雜質(zhì)氣氛下，蒸發(fā)常數(shù)小的雜質(zhì)部分溶入熔體硅中，摻入單晶體內(nèi)。無(wú)坩堝生長(zhǎng)單晶法，一般采用氣相摻雜方法。 2.2.3晶體摻雜氣相摻雜P29 中子嬗變摻雜（NTD：Neutron Transmutation Doping）又稱(chēng)中子輻照摻雜，是利用核反應(yīng)進(jìn)行摻雜的方法。 硅有三種同位素：2

18、8Si 92.28% , 29Si 4.67% ,30Si 3.05%，其中30Si有中子嬗變現(xiàn)象。 將純凈硅錠放在核反應(yīng)堆中，用中子照射，使硅中的天然同位素30Si俘獲中子后產(chǎn)生不穩(wěn)定的31Si,經(jīng)過(guò)半衰期(2.62h)的衰變生產(chǎn)不穩(wěn)定的31P，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硅單晶的磷(n型)摻雜。2.2.3晶體摻雜中子嬗變摻雜30312.623131SiSi+SiP+e 中子半衰期小時(shí)P30 通過(guò)控制輻照中子的劑量，可獲得不同摻雜濃度的n型硅，最大摻雜濃度，1.53x1021/cm3 ； 中子輻照而產(chǎn)生的快中子轟擊位錯(cuò)、通量感生位錯(cuò)等輻照損傷缺陷。嬗變雜質(zhì)后需要進(jìn)行硅錠的熱退火，退火條件通常為： 600，1小

19、時(shí)； 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)雜質(zhì)分凝、雜質(zhì)蒸發(fā)等現(xiàn)象，摻雜均勻性好； 缺點(diǎn)：只能用于制備n型硅錠。2.2.3晶體摻雜中子嬗變摻雜P31 在直拉法單晶爐上附加了一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)，工藝與一般直拉法相同，能生長(zhǎng)大直徑的，無(wú)氧的，均勻的單晶硅。 在CZ法單晶爐上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，高傳導(dǎo)熔體硅的流動(dòng)因切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生洛侖茲力，這相當(dāng)于增強(qiáng)了熔體的粘性，熔體對(duì)流受阻。 洛侖茲力 F=qB MCZ單晶爐單晶爐2.2.4磁控直拉法（MCZ法） P32 懸浮區(qū)熔法，多晶與籽晶均由卡具夾著，由高頻加熱器產(chǎn)生一懸浮的溶區(qū)，多晶硅連續(xù)通過(guò)熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與單晶接觸的界面處生長(zhǎng)單晶。 熔區(qū)的存在是由于融體表面張力的緣故，懸浮區(qū)熔法沒(méi)有坩堝

20、的污染，因此能生長(zhǎng)出無(wú)氧的，純度更高的單晶硅錠。 懸浮區(qū)熔裝置示意圖懸浮區(qū)熔裝置示意圖2.2.4懸浮區(qū)熔法（FZ法） P33不同生長(zhǎng)技術(shù)可獲得的最小載流子濃度三種方法比較 直拉法直拉法工藝成熟，可拉出大直徑硅錠，是目前采用最多的單晶硅錠生產(chǎn)方法，但有氧。 磁控直拉法磁控直拉法能生長(zhǎng)無(wú)氧、均勻好的大直徑單晶硅錠。設(shè)備較直拉法設(shè)備復(fù)雜得多，造價(jià)也高得多，強(qiáng)磁場(chǎng)的存在使得生產(chǎn)成本也大幅提高。 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法與直拉法相比，去掉了坩堝，能拉制出高純度、無(wú)氧高阻單晶，當(dāng)前FZ硅的電阻率可達(dá)5000cm以上。2.2單晶硅生長(zhǎng) P342.3切制硅片切片工藝流程： 切斷 滾磨 定晶向 切片 倒角 研磨 腐

21、蝕 拋光 清洗 檢驗(yàn)切斷切斷：切除單晶硅碇的頭部，尾部和超規(guī)格的部分。滾磨滾磨：?jiǎn)尉Ч桢V的外部表面不平整，直徑也比拋光晶片大，通過(guò)滾磨獲得較為精確的直徑。P35定晶向：定晶向：用X射線(xiàn)衍射確定晶向，X射線(xiàn)被晶體衍射時(shí)，通過(guò)測(cè)量衍射線(xiàn)的方位可以確定出晶體取向。 硅片主要晶向、摻雜類(lèi)型的定位平邊硅片主要晶向、摻雜類(lèi)型的定位平邊2.3.1切制硅片切片工藝P36切片切片：利用金剛石刀片把晶錠切成薄片，切片決定四個(gè)晶片參數(shù)為：表面晶向(如或)厚度(與晶片直徑有關(guān))錐度(晶片從一邊到另一邊的厚度變化)彎曲度(晶片中心向邊沿所測(cè)得的晶片表面曲率)（111）（100）切片偏差小于1，但外延用（111）片應(yīng)偏出

22、30.5。2.3硅片制造P37晶片邊緣研磨（倒角）：將切割好的晶片的銳利邊修整成圓弧形倒角的目的：防止硅片邊緣破裂；防止熱應(yīng)力造成的缺陷；增加外延層和光刻膠在硅片邊緣的平坦度。2.3硅片制造P38晶片表面研磨 用Al2O3和甘油的混合物研磨晶片的雙面，使晶片厚度均勻。表面研磨的目的去除硅表面的切片刀痕和凹凸不平；使表面加工損傷達(dá)到一致；調(diào)節(jié)硅片厚度；提高平行度，使硅片各處厚度均勻；改善表面平坦度。2.3硅片制造P39200mm直徑晶片的厚度及表面粗糙度在研磨過(guò)程中的變化2.3硅片制造P40清洗清洗: :使硅片達(dá)到幾乎沒(méi)有顆粒和沾污的程度。主要方法：濕法化學(xué)清洗、兆聲清晰、干法清洗、刷片清洗、激光清洗等。硅片表面雜質(zhì)分為：分子型、離子型、原子型。清洗順序：去分子去離子去原子去離子水沖洗烘干拋光拋光：?jiǎn)尉Ч杵砻嫘枰纳莆⑷毕?，從而獲得高平坦度的拋光面。拋光的設(shè)備：多片式拋光機(jī)，單片式拋光機(jī)。拋光的方式：先粗拋，去除損傷層，一般去除量約在10-20m；再精拋，改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1m以下。2.