硅片制備與高溫工藝課件

1硅片制備

單晶生長(zhǎng)：直拉法、區(qū)熔法高溫工藝氧化擴(kuò)散退火1硅片制備2Si集成電路芯片元素組成半導(dǎo)體（襯底與有源區(qū)）：?jiǎn)尉i雜質(zhì)（N型和P型）：P(As)、B導(dǎo)體（電極及引線）：Al、Wu（Cu、Ti）、poly-Si絕緣體（柵介質(zhì)、多層互連介質(zhì)）：SiO2、Si3N42Si集成電路芯片元素組成半導(dǎo)體（襯底與有源區(qū)）：?jiǎn)尉i3化學(xué)元素周期表3化學(xué)元素周期表4周期表中用作半導(dǎo)體的元素 Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族 第2周期 B C N 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga Ge As Se 第5周期 Cd In Sn Sb Te 第6周期Hg Pb 4周期表中用作半導(dǎo)體的元素 Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族5半導(dǎo)體襯底材料的種類元素半導(dǎo)體：Si、Ge、C（金剛石）化合物半導(dǎo)體二元化合物Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InP，GaN等；Ⅱ-Ⅵ族：ZnSe，CdS，ZnO，ZnS等；Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SixGe1-x（合金/混晶)；三元、四元化合物(混晶）AlxGa1-xAs,InxGa1-xAs,AlxGa1-xN，Hg1-xCdxTe等；5半導(dǎo)體襯底材料的種類元素半導(dǎo)體：地球巖石圈和土壤的主要化學(xué)組成(重量%)

元素巖石圈土壤氧化物巖石圈土壤O47.249.0SiO261.2864.17Si33.027.6Al2O315.3412.86Al8.87.13Fe2O36.296.58Fe5.13.8CaO4.961.17Ca3.61.37MgO3.900.91Na2.640.63K2O3.060.95K2.61.36Na2O3.440.58Mg2.10.6P2O50.290.11Ti0.60.46TiO20.781.25S0.090.085

Mn0.090.085地球大氣體積比P0.080.08N278.084N0.010.1O220.95Cu0.010.002Ar0.934Zn0.0050.005地球巖石圈和土壤的主要化學(xué)組成(重量%)元素巖石圈土壤氧化72.1單晶硅晶體結(jié)構(gòu)72.1單晶硅晶體結(jié)構(gòu)氧化前需要清洗硅片表面外延(Epitaxy)定義SiHCl3(TGS)常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)三元、四元化合物(混晶）溫度太低---籽晶不熔或不生長(zhǎng)；高溫工藝(ThermalProcesses)Si源氣體：SiH4(硅烷),SiH2Cl2(二氯硅烷),氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；Si+2H2O→SiO2+2H2多晶硅(EGS:ElectronicGradeSilicon)主要用在阱注入后的推進(jìn)工藝SiHCl3(三氯硅烷),SiCl4(四氯硅烷)MostcommonlyusedcleanprocessesinICfabsNormallythinoxidelayer(~150?)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.8硅的重要性

儲(chǔ)量豐富，便宜；（27.6％）SiO2性質(zhì)很穩(wěn)定、良好介質(zhì)，易于熱氧化生長(zhǎng)；

較大的禁帶寬度（1.12eV），較寬工作溫度范圍；2.1單晶Si簡(jiǎn)介氧化前需要清洗硅片表面8硅的重要性儲(chǔ)量豐富，便宜；（279硅的基本參數(shù)名稱Name硅Silicon符號(hào)SymbalSi原子序數(shù)AtomicNumber14原子量AtomicWeight28.0855發(fā)現(xiàn)日期DiscoveryDate1824鍵長(zhǎng)BondlengthinsinglecrystalSi2.352A密度DensityofSolid2.33g/cm3電阻率Electricalresistivity熔點(diǎn)Meltingpoint1414℃沸點(diǎn)Boilingpoint2900℃2.1單晶Si簡(jiǎn)介9硅的基本參數(shù)名稱Name硅Silicon符號(hào)Symb10晶體結(jié)構(gòu)無(wú)定形

不存在重復(fù)結(jié)構(gòu)多晶

有一些重復(fù)結(jié)構(gòu)單晶

一個(gè)完整的重復(fù)結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介10晶體結(jié)構(gòu)無(wú)定形2.1單晶Si簡(jiǎn)介11無(wú)定形結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介11無(wú)定形結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介12多晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：局部有序（單晶）、整體無(wú)序。應(yīng)用：柵電極、引線12多晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：局部有序（單晶13單晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：一個(gè)完整、有序的周期重復(fù)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用：襯底與有源區(qū)13單晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：一個(gè)完整、有序14思考題在集成電路制造中，單晶Si和多晶Si分別有什么用途？14思考題在集成電路制造中，單晶Si和多晶Si分別有什么用途15單晶硅的基本單元2.1單晶Si簡(jiǎn)介金剛石結(jié)構(gòu)四面體15單晶硅的基本單元2.1單晶Si簡(jiǎn)介金剛石結(jié)構(gòu)16晶向：<100>、<110>、<111>2.1單晶Si簡(jiǎn)介16晶向：<100>、<110>、<111>2.1單晶17晶向應(yīng)用2.1單晶Si簡(jiǎn)介<100>晶面：MOS器件和電路<111>：雙極型器件和電路17晶向應(yīng)用2.1單晶Si簡(jiǎn)介<100>晶面：MOS器件和18晶面判據(jù)：刻蝕凹坑2.1單晶Si簡(jiǎn)介右上圖：<100>晶面左下圖：<111>晶面18晶面判據(jù)：刻蝕凹坑2.1單晶Si簡(jiǎn)介右上圖：<100>192.2單晶硅圓片的制備192.2單晶硅圓片的制備ThermalProcessesinICFabrication直徑：2-3mm；SiHCl3(TGS)Si+O2→SiO2200mm硅圓片厚度和表面粗糙度的變化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（由無(wú)規(guī)則排列的Si-O4四面體組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)),即短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序；厚氧化層,如LOCOSDevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCA主要用在阱注入后的推進(jìn)工藝立式爐管使用最廣泛，因?yàn)槠湔嫉孛娣e小、污染控制好、維護(hù)量??；外延層：?jiǎn)尉бr底上單晶薄膜層Normallythinoxidelayer(~150?)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.Si-O4四面體:在頂角處通過(guò)氧（O)相互聯(lián)結(jié),構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。AlxGa1-xAs,InxGa1-xAs,AlxGa1-xN，Hg1-xCdxTe等；雜質(zhì)（N型和P型）：P(As)、B20?石英砂（SiO2)→冶金級(jí)硅(MGS)?HCl與MGS粉反應(yīng)形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷）?利用汽化和冷凝提純TCS?TCS與H2反應(yīng)形成多晶硅(EGS)?熔融EGS和拉單晶硅錠從石英砂到硅錠ThermalProcessesinICFabric21從硅錠到硅片單晶硅錠整型切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝2.2單晶Si制備從石英砂中提煉硅21從硅錠到硅片單晶硅錠整型切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝22砂→硅SiO2石英砂C碳＋加熱到2000℃Si冶金級(jí)硅＋CO2二氧化碳2.2單晶Si制備純度:98%22砂→硅SiO2C＋加熱到2000℃Si＋CO22.2單23硅提純I過(guò)濾器冷凝器純化器反應(yīng)室，300℃HClSi硅粉SiHCl3(TGS)純度:99.9999999%(9N)SiHCl3:三氯氫硅Si(固)+3HCl(氣)－－→SiHCl3(氣)+H2(氣)2.2單晶Si制備(220~300℃)SiHCl3：沸點(diǎn)31.5℃Fe、Al和B被去除。23硅提純I過(guò)冷凝器純化器反應(yīng)室，300℃HClSi硅粉24多晶硅淀積SiHCl3TGSH2氫氣＋1000～1200℃Si電子級(jí)硅EGS＋3HCl氯化氫2.2單晶Si制備純度:99.9999999%24多晶硅淀積SiHCl3H2＋1000～1200℃Si＋325硅提純IIH2液態(tài)SiHCl3TGSH2+SiHCl3H2+SiHCl3→Si+3HCl電子級(jí)硅（多晶硅）EGS工藝腔2.2單晶Si制備25硅提純IIH2液態(tài)SiHCl3H2+SiHCl3H2+261:冷卻平臺(tái),2:冷卻保護(hù)玻璃,3:觀察窗玻璃,4:石英罩,5:硅核(細(xì)柱),6:電流源,7:飽和器261:冷卻平臺(tái),27多晶硅(EGS:ElectronicGradeSilicon)2.2單晶Si制備27多晶硅(EGS:ElectronicGradeSil28Si單晶的制備直拉法：CZ法懸浮區(qū)熔法：FZ法28Si單晶的制備直拉法：CZ法29直拉法（Czochralski，CZ法）石英坩鍋石墨坩鍋單晶硅錠單晶硅籽晶加熱線圈2.2單晶Si制備硅－熔點(diǎn)為1414℃,沸點(diǎn)為2355℃29直拉法（Czochralski，CZ法）石英坩鍋石墨坩鍋30直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶2.2單晶Si制備30直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶2.2單晶Si制備311）

拉晶儀①爐子石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶311）拉晶儀2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶321）拉晶儀②拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；③環(huán)境控制真空系統(tǒng)：氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；排氣系統(tǒng)：④電子控制及電源系統(tǒng)

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶321）拉晶儀②拉晶裝置2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生332）拉晶過(guò)程例，2.5及3英吋硅單晶制備①

熔硅調(diào)節(jié)坩堝位置；（注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)）②

引晶（下種）籽晶預(yù)熱：目的---避免對(duì)熱場(chǎng)的擾動(dòng)太大；

位置---熔硅上方；與熔硅接觸：溫度太高---籽晶熔斷；

溫度太低---籽晶不熔或不生長(zhǎng)；

合適溫度--籽晶與熔硅可長(zhǎng)時(shí)間接觸，

既不會(huì)進(jìn)一步融化，也不會(huì)生長(zhǎng)；

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶332）拉晶過(guò)程例，2.5及3英吋硅單晶制備2.2單晶Si342）拉晶過(guò)程③收頸

目的：抑制位錯(cuò)從籽晶

向晶體延伸；

直徑：2-3mm；

長(zhǎng)度：>20mm；

拉速：3.5mm/min

④放肩

溫度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶342）拉晶過(guò)程③收頸2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)353536（懸?。﹨^(qū)熔法生長(zhǎng)單晶2.2單晶Si制備36（懸?。﹨^(qū)熔法生長(zhǎng)單晶2.2單晶Si制備37直拉法vs（懸?。﹨^(qū)熔法

直拉法，更為常用(占75％以上)

－便宜－更大的圓片尺寸(300mm已生產(chǎn))

－剩余原材料可重復(fù)使用－位錯(cuò)密度：0～104cm2

區(qū)熔法

－高純度的硅單晶(不使用坩鍋)（電阻率2000W-mm）

－成本高，可生產(chǎn)圓片尺寸較小(150mm)

－主要用于功率器件－位錯(cuò)密度：103～105cm22.2單晶Si制備37直拉法vs（懸?。﹨^(qū)熔法直拉法，更為常用(38（水平）區(qū)熔法-布里吉曼法

制備GaAs單晶38（水平）區(qū)熔法-布里吉曼法制備GaAs單晶39硅錠整型處理定位邊（參考面）150mm或更小直徑定位槽200mm或更大直徑2.2單晶Si制備截掉頭尾、直徑研磨和定位邊或定位槽39硅錠整型處理定位邊（參考面）定位槽2.2單晶Si制備截40定位邊或定位槽的作用①識(shí)別晶向、導(dǎo)電類型及劃片方向；②硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；③硅片裝架的接觸位置。2.2單晶Si制備40定位邊或定位槽的作用①識(shí)別晶向、導(dǎo)電類型及劃片方向；241切片(WaferSawing)晶向標(biāo)記定位槽鋸條冷卻液硅錠硅錠運(yùn)動(dòng)方向金剛石覆層2.2單晶Si制備41切片(WaferSawing)晶向標(biāo)記鋸條冷卻液硅錠硅42邊緣倒角(EdgeRounding)倒角前的圓片倒角后的圓片2.2單晶Si制備42邊緣倒角(EdgeRounding)倒角前的圓片倒角后43硅圓片機(jī)械研磨(Lapping)粗拋光常規(guī)的使用研磨劑（Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO）進(jìn)行漿料研磨去除大多數(shù)表面損傷獲得平整的表面2.2單晶Si制備43硅圓片機(jī)械研磨(Lapping)粗拋光2.2單晶Si制44硅圓片化學(xué)腐蝕(Etch)去除圓片表面的缺陷HNO3(重量比濃度79%)、HF(重量比濃度49%)和純CH3COOH配成4:1:3溶液腐蝕化學(xué)反應(yīng)3Si+4HNO3+6HF→3H2SiF6+4NO+8H2O2.2單晶Si制備44硅圓片化學(xué)腐蝕(Etch)去除圓片表面的缺陷2.2單晶45化學(xué)機(jī)械拋光(ChemicalMechanicalPolishing:CMP)2.2單晶Si制備45化學(xué)機(jī)械拋光(ChemicalMechanicalP46200mm硅圓片厚度和表面粗糙度的變化鋸片后倒角后機(jī)械研磨后化學(xué)腐蝕后CMP后2.2單晶Si制備46200mm硅圓片厚度和表面粗糙度的變化鋸片后倒角后機(jī)械研47硅圓片的基本參數(shù)2.2單晶Si制備47硅圓片的基本參數(shù)2.2單晶Si制備484849Si外延片定義目的外延反應(yīng)室外延工藝2.2單晶Si制備49Si外延片定義2.2單晶Si制備50外延(Epitaxy)定義Epitaxy，希臘語(yǔ)，epi：Upon，taxy:orderly,arranged外延層：?jiǎn)尉бr底上單晶薄膜層外延：同質(zhì)外延和異質(zhì)外延同質(zhì)外延：襯底與外延層為相同晶體，晶格完全匹配異質(zhì)外延：襯底與外延層為不同晶體，晶格不匹配2.2單晶Si制備50外延(Epitaxy)定義Epitaxy，希臘語(yǔ)，epi51雙極晶體管（電路）中外延層的應(yīng)用高阻的外延層可提高集電結(jié)的擊穿電壓低阻的襯底（或埋層）可降低集電極的串聯(lián)電阻2.2單晶Si制備51雙極晶體管（電路）中外延層的應(yīng)用高阻的外延層可提高集電結(jié)52CMOS器件（電路）中外延層的應(yīng)用2.2單晶Si制備減小pnpn寄生閘流管效應(yīng)降低漏電流52CMOS器件（電路）中外延層的應(yīng)用2.2單晶Si制備減53Si外延的源材料Si源氣體：SiH4(硅烷),SiH2Cl2(二氯硅烷),SiHCl3(三氯硅烷),SiCl4(四氯硅烷)摻雜劑：

N型摻雜劑：PH3,AsH3

P型摻雜劑：B2H6,2.2單晶Si制備53Si外延的源材料Si源氣體：SiH4(硅烷),SiH254外延設(shè)備：外延爐2.2單晶Si制備右上圖：立式爐左下圖：臥式爐54外延設(shè)備：外延爐2.2單晶Si制備右上圖：立式爐左下圖55小結(jié)Si的重要性：儲(chǔ)量豐富，便宜，易生成氧化物等。Si襯底的晶向：<100>and<111>。Si單晶制備：直拉法和區(qū)熔法,直拉法更為常用Si片的制備：鋸片,修邊,研磨,腐蝕和CMPSi外延片:Si體單晶上生長(zhǎng)Si單晶薄膜Si外延片的應(yīng)用：雙極與MOS器件（電路）.Si外延的硅源:

SiH4,SiH2Cl2,SiHCl3,SiCl4Si外延的原位摻雜：P型摻雜源（B2H6）；N型摻雜源（PH3和AsH3）。2.2單晶Si制備55小結(jié)Si的重要性：儲(chǔ)量豐富，便宜，易生成氧化物等。2.2562.3高溫工藝562.3高溫工藝57ThermalProcessesinICFabrication2.3高溫工藝57ThermalProcessesinICFabr58高溫工藝(ThermalProcesses)高溫工藝設(shè)備熱氧化擴(kuò)散退火2.3高溫工藝58高溫工藝(ThermalProcesses)高溫工藝設(shè)59高溫工藝(ThermalProcesses)設(shè)備高溫爐是高溫工藝的常用設(shè)備通常，高溫爐主要由控制部分，氣體輸運(yùn)部分，工藝爐管或反應(yīng)室，硅片裝卸部分和尾氣處理部分等組成高溫工藝設(shè)備59高溫工藝(ThermalProcesses)設(shè)備高溫爐60氣路輸運(yùn)部分氣瓶減壓器控制閥質(zhì)量流量控制器高溫工藝設(shè)備60氣路輸運(yùn)部分氣瓶減壓器控制閥質(zhì)量流量控制器高溫工藝設(shè)備61熱氧化源氣體干氧：干燥氧氣濕氧：氧氣攜帶水（鼓泡器）水汽：氫氣和氧氣，H2+O2→H2O氯源：降低可動(dòng)離子(Na+

柵氧化層)－無(wú)水HCl－三氯乙烯Trichloroethylene(TCE)高溫工藝設(shè)備61熱氧化源氣體高溫工藝設(shè)備62擴(kuò)散（源氣體）P型摻雜劑

－B2H6，焦巧克力色，令人作嘔的芳香氣味

－有毒，易燃易爆N型摻雜劑

－PH3，腐爛魚(yú)腥味

－AsH3，大蒜味

－有毒，易燃易爆吹掃氣體

－氮?dú)釴2高溫工藝設(shè)備62擴(kuò)散（源氣體）P型摻雜劑高溫工藝設(shè)備63退火（源氣體）高純氮?dú)釴2，保護(hù)氣體H2O，有時(shí)用作PSG和BPSG玻璃回潮的環(huán)境氣體O2，用作STI形成工藝USGCMP后USG的退火較低純度氮?dú)釴2用作空閑狀態(tài)時(shí)的吹掃氣體高溫工藝設(shè)備63退火（源氣體）高純氮?dú)釴2，保護(hù)氣體高溫工藝設(shè)備64尾氣處理部分尾氣排出大氣前需對(duì)危險(xiǎn)氣體進(jìn)行處理有毒、易燃、易爆和腐蝕性尾氣需要被處理焚燒爐處理大多數(shù)有毒、易燃和易爆的氣體噴水洗刷器溶解燃燒的氧化物和腐蝕性氣體處理后的氣體可以排入大氣(滿足環(huán)保要求)高溫工藝設(shè)備64尾氣處理部分尾氣排出大氣前需對(duì)危險(xiǎn)氣體進(jìn)行處理高溫工藝設(shè)65溫度控制高溫工藝對(duì)于溫度非常敏感精確的溫度控制非常關(guān)鍵中心溫區(qū)：±0.5℃±0.05%at1000℃!高溫工藝設(shè)備65溫度控制高溫工藝對(duì)于溫度非常敏感高溫工藝設(shè)備66溫控系統(tǒng)熱電偶與反應(yīng)爐管接觸測(cè)溫；溫控儀提供功率給加熱線圈；加熱功率正比于設(shè)定值與測(cè)量值之間的偏差高溫工藝設(shè)備66溫控系統(tǒng)熱電偶與反應(yīng)爐管接觸測(cè)溫；高溫工藝設(shè)備67反應(yīng)室高純石英–高溫穩(wěn)定性–清潔性缺點(diǎn)–易碎–含有一些金屬離子–不能阻擋Na離子–在>1200°C下出現(xiàn)小片脫落,失去表面光澤高溫工藝設(shè)備67反應(yīng)室高純石英高溫工藝設(shè)備68臥式爐管高溫工藝設(shè)備68臥式爐管高溫工藝設(shè)備69立式爐管高溫工藝設(shè)備69立式爐管高溫工藝設(shè)備70高溫工藝設(shè)備小結(jié)高溫工藝通常使用爐管反應(yīng)室；反應(yīng)爐通常由控制系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)系統(tǒng)、反應(yīng)腔、裝卸片系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)構(gòu)成；立式爐管使用最廣泛，因?yàn)槠湔嫉孛娣e小、污染控制好、維護(hù)量小；溫度控制的精確性和均勻性對(duì)于高溫工藝的成功至關(guān)重要。高溫工藝設(shè)備70高溫工藝設(shè)備小結(jié)高溫工藝通常使用爐管反應(yīng)室；高溫工藝設(shè)備71氧化簡(jiǎn)介氧化膜的應(yīng)用氧化機(jī)理氧化工藝氧化設(shè)備RTO快速熱氧化熱氧化71氧化簡(jiǎn)介熱氧化72簡(jiǎn)介硅與O2直接反應(yīng)可得；SiO2性能穩(wěn)定；氧化工藝在IC制造中廣泛使用Si+O2→SiO2氧化層簡(jiǎn)介72簡(jiǎn)介硅與O2直接反應(yīng)可得；Si+O2→SiO2氧73SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)無(wú)定形（非晶形）結(jié)構(gòu)：密度＝2.15-2.25g/cm3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（由無(wú)規(guī)則排列的Si-O4四面體組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)),即短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序；Si-O4四面體:在頂角處通過(guò)氧（O)相互聯(lián)結(jié),構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。73SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)無(wú)定形（非晶形）結(jié)構(gòu)：密度＝2.1574SiO2的性質(zhì)①密度：表征致密度，約2.2g/cm3，與制備方法有關(guān)。②折射率:表征光學(xué)性質(zhì)的參數(shù)，5500?下約為1.46，與制備方法有關(guān)。③電阻率：與制備方法及雜質(zhì)數(shù)量有關(guān)，如干氧在1016Ω·cm。④介電強(qiáng)度：表征耐壓能力，106--107

V/cm。⑤介電常數(shù):表征電容性能，εSiO2=3.9。⑥熔點(diǎn)：無(wú)固定熔點(diǎn)，>1700℃。74SiO2的性質(zhì)①密度：表征致密度，約2.2g/cm3，與75Oxidation氧化層簡(jiǎn)介Silicon氧化機(jī)制75Oxidation氧化層簡(jiǎn)介Silicon氧化機(jī)制76氧化膜的應(yīng)用摻雜阻擋層表面鈍化(保護(hù))隔離層?xùn)叛趸瘜覯OS電容的介質(zhì)材料氧化層應(yīng)用76氧化膜的應(yīng)用摻雜阻擋層氧化層應(yīng)用77摻雜阻擋氧化層MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSiSiO2canbeusedasdiffusionmask氧化層應(yīng)用77摻雜阻擋氧化層MuchlowerBandPdi78表面鈍化(保護(hù))氧化層PadOxide襯墊（緩沖）氧化層,ScreenOxide屏蔽氧化層SacrificialOxide犧牲氧化層,BarrierOxide阻擋氧化層Normallythinoxidelayer(~150?)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.氧化層應(yīng)用78表面鈍化(保護(hù))氧化層PadOxide襯墊（緩沖）氧化79ScreenOxide氧化層應(yīng)用79ScreenOxide氧化層應(yīng)用80PadandBarrierOxidesinSTIProcess氧化層應(yīng)用USG:UndopedSilicateGlass未摻雜硅酸鹽玻璃80PadandBarrierOxidesinST81Application,PadOxideRelievestrongtensilestressofthenitridePreventstressinducedsilicondefects氧化層應(yīng)用81Application,PadOxideReliev82Application,SacrificialOxideDefectsremovalfromsiliconsurface氧化層應(yīng)用82Application,SacrificialOxi83器件隔離氧化層ElectronicisolationofneighboringdevicesBlanketfieldoxide（場(chǎng)氧）Localoxidationofsilicon(LOCOS，局部氧化)Thickoxide,usually3,000to10,000?氧化層應(yīng)用83器件隔離氧化層Electronicisolation84BlanketFieldOxideIsolation氧化層應(yīng)用84BlanketFieldOxideIsolatio85LOCOSProcess氧化層應(yīng)用85LOCOSProcess氧化層應(yīng)用煮沸器（BoilerSystem）鍵長(zhǎng)BondlengthinsinglecrystalSi可降低氧化溫度:壓力增大1amt，溫度可降低30°C鍵長(zhǎng)BondlengthinsinglecrystalSiStrongoxidantsremoveorganicresidues.Localoxidationofsilicon(LOCOS，局部氧化)?石英砂（SiO2)→冶金級(jí)硅(MGS)③硅片裝架的接觸位置。鈦（Ti）PVD氧化速率更高（比常壓）常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)氣泡發(fā)生器（BubblerSystem）氧化機(jī)制-干（氧）氧化溫度升高會(huì)引起更大的氧化速率升高?HCl與MGS粉反應(yīng)形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷）86LOCOSComparewithblanketfieldoxide–Betterisolation更好的隔離–Lowerstepheight更低臺(tái)階高度–Lesssteepsidewall側(cè)墻不很陡峭Disadvantage缺點(diǎn)–roughsurfacetopography粗糙的表面形貌–Bird’sbeak鳥(niǎo)嘴Replacingbyshallowtrenchisolation(STI)氧化層應(yīng)用煮沸器（BoilerSystem）86LOCOSCompa87柵氧化層Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric氧化層應(yīng)用87柵氧化層Gateoxide:thinnestand88氧化膜(層)應(yīng)用名稱應(yīng)用厚度說(shuō)明自然氧化層不希望的15-20A屏蔽氧化層注入隔離，減小損傷~200A熱生長(zhǎng)摻雜阻擋層摻雜掩蔽400-1200A選擇性擴(kuò)散場(chǎng)氧化層和LOCOS器件隔離3000-5000A濕氧氧化襯墊氧化層為Si3N4提供應(yīng)力減小100-200A熱生長(zhǎng)很薄犧牲氧化層去除缺陷<1000A熱氧化柵氧化層用作MOS管柵介質(zhì)30-120A干氧氧化阻擋氧化層防止STI工藝中的污染100-200A氧化層應(yīng)用88氧化膜(層)應(yīng)用名稱應(yīng)用厚度說(shuō)明自然氧化層不希望的15-89表面未清洗硅片的熱氧化層熱氧化生長(zhǎng)的SiO2層是無(wú)定形的SiO2分子間趨于交聯(lián)形成晶體未清洗硅片表面的缺陷和微粒會(huì)成為SiO2的成核點(diǎn)這種SiO2層的阻擋作用很差氧化前需要清洗硅片表面SiliconDioxideGrownonImproperlyCleanedSiliconSurface89表面未清洗硅片的熱氧化層熱氧化生長(zhǎng)的SiO2層是無(wú)定形的90氧化前圓片清洗

Pre-oxidationWaferClean

顆粒有機(jī)粘污無(wú)機(jī)粘污本征氧化層90氧化前圓片清洗

Pre-oxidationWafer91RCA清洗DevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCAMostcommonlyusedcleanprocessesinICfabsSC-1－NH4OH:H2O2:H2Owith1:1:5to1:2:7ratioat70to80℃toremoveorganiccontaminants.(1號(hào)液)SC-2--HCl:H2O2:H2Owith1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates.(2號(hào)液)DIwaterrinseHFdiporHFvaporetchtoremovenativeoxide.91RCA清洗DevelopedbyKernandP92Pre-oxidationWaferCleanParticulateRemovalHighpuritydeionized(DI)waterorH2SO4:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).92Pre-oxidationWaferCleanPa93Pre-oxidationWaferCleanOrganicRemovalStrongoxidantsremoveorganicresidues.H2SO4:H2O2orNH3OH:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).93Pre-oxidationWaferCleanOr94Pre-oxidationWaferCleanInorganicRemovalHCl:H2OImmersionindunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)94Pre-oxidationWaferCleanIn95Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemovalHF:H2OImmersionindunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)95Pre-oxidationWaferCleanNa96氧化機(jī)制-干（氧）氧化氧化劑：干燥的O2Si+O2→SiO2O來(lái)源于提供的氧氣；Si來(lái)源于襯底硅圓片O2通過(guò)表面已有的氧化層向內(nèi)擴(kuò)散并與Si反應(yīng)生長(zhǎng)SiO2氧化膜越厚，生長(zhǎng)速率越低干氧化速率最低96氧化機(jī)制-干（氧）氧化氧化劑：干燥的O297氧化機(jī)制-水汽氧化氧化劑：H2OSi+2H2O→SiO2+2H2高溫下，H2O易于分解為H和H-OH-O在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)高于O2的擴(kuò)散系數(shù)水汽氧化的生長(zhǎng)速率最高97氧化機(jī)制-水汽氧化氧化劑：H2O98氧化機(jī)制-濕（氧）氧化氧化劑：O2攜帶H2OSi+O2→SiO2Si+2H2O→SiO2+2H2濕氧化的生長(zhǎng)速率介于水汽氧化與干氧化之間實(shí)際氧化工藝：干氧+濕氧+干氧？98氧化機(jī)制-濕（氧）氧化氧化劑：O2攜帶H2O99氧化速率分布99氧化速率分布100<100>硅干氧化和濕氧化比較干氧氧化濕氧氧化100<100>硅干氧化和濕氧化比較干氧氧化濕氧氧化101影響氧化速率的因素溫度濕氧化或干氧化厚度壓力硅片晶向(<100>或<111>)硅中雜質(zhì)101影響氧化速率的因素溫度102氧化速率與溫度氧化速率對(duì)溫度很敏感，指數(shù)規(guī)律溫度升高會(huì)引起更大的氧化速率升高物理機(jī)理：溫度越高，O2與Si的化學(xué)

反應(yīng)速率越高；

溫度越高，O2在SiO2中的

擴(kuò)散速率越高。102氧化速率與溫度氧化速率對(duì)溫度很敏感，指數(shù)規(guī)律103氧化速率與圓片晶向<111>表面的氧化速率

高于<100>表面原因：<111>表面的Si

原子密度高103氧化速率與圓片晶向<111>表面的氧化速率104氧化速率與雜質(zhì)濃度雜質(zhì)元素和濃度高摻磷的硅有更高的氧化層生長(zhǎng)速率，更低密度的氧化層薄膜和更高的刻蝕速率通常，摻雜濃度越高，氧化層生長(zhǎng)速率越高；在氧化過(guò)程的線性區(qū)(氧化層較薄時(shí))更為顯著。104氧化速率與雜質(zhì)濃度雜質(zhì)元素和濃度105氧化：雜質(zhì)堆積和耗盡效應(yīng)N型雜質(zhì)(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，當(dāng)SiO2生長(zhǎng)時(shí)，雜質(zhì)向Si中移動(dòng)（分凝），這引起雜質(zhì)堆積或滾雪球效應(yīng)P型雜質(zhì)B傾向于向SiO2中運(yùn)動(dòng)，這引起雜質(zhì)耗盡效應(yīng)105氧化：雜質(zhì)堆積和耗盡效應(yīng)N型雜質(zhì)(P、As、Sb)在S106雜質(zhì)耗盡和雜質(zhì)堆積106雜質(zhì)耗盡和雜質(zhì)堆積107氧化速率與加氯氧化Cl可以減少氧化層中的可動(dòng)離子（如Na+）MOS柵極氧化中廣泛采用氧化速率提高（1～5）％Cl來(lái)源：氯氣，氯化氫，三氯乙烯(TCE)，氯仿(TCA)

從安全和方便角度，TCA(CHCl3)為比較好的氯源。107氧化速率與加氯氧化Cl可以減少氧化層中的可動(dòng)離子（如108氧化速率與不均勻氧化氧化層越厚，氧化速率越?。谎趸瘜釉胶?，O需要更長(zhǎng)的擴(kuò)散路程才能與襯底硅發(fā)生反應(yīng)108氧化速率與不均勻氧化氧化層越厚，氧化速率越?。?09氧化工藝應(yīng)用干氧化，薄氧化層（<1000A）

－MOS柵氧化層（30～120A）

－襯墊氧化層（100～200A），屏蔽氧化層（～200A），犧牲氧化層（<1000A），等等濕氧化，厚氧化層

－場(chǎng)氧化層（3000～5000A）

－擴(kuò)散掩膜氧化層（400～1200A）109氧化工藝應(yīng)用干氧化，薄氧化層（<1000A）110干氧化系統(tǒng)質(zhì)量流量控制器調(diào)壓器控制閥110干氧化系統(tǒng)質(zhì)量流量控制器調(diào)壓器控制閥111干氧化主氣體：干氧O2

HCl去除柵氧化的可動(dòng)離子高純N2

：工藝吹掃氣體低純度N2

：空閑吹掃氣體111干氧化主氣體：干氧O2112懸掛鍵和界面電荷界面態(tài)電荷（正）懸掛鍵112懸掛鍵和界面電荷界面態(tài)電荷（正）懸掛鍵113濕氧化速率高厚氧化層,如LOCOS干氧化質(zhì)量更高8nm/min80nm/min113濕氧化速率高8nm/min80nm/min114水汽來(lái)源煮沸器氣泡發(fā)生器Flush熱反應(yīng)114水汽來(lái)源煮沸器115煮沸器（BoilerSystem）115煮沸器（BoilerSystem）116氣泡發(fā)生器（BubblerSystem）116氣泡發(fā)生器（BubblerSystem）117FlushSystem117FlushSystem118熱反應(yīng)（PyrogenicSteamSystem）118熱反應(yīng)（PyrogenicSteamSystem）119熱反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)–全氣態(tài)–源氣流精確可控缺點(diǎn)–H2易燃，易爆典型H2:O2

比：（1.8:1）～（1.9:1）119熱反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)120快速熱氧化（RapidThermalOxide）深亞微米柵氧化氧化膜極?。?lt;30?需要對(duì)溫度均勻性精確控制120快速熱氧化（RapidThermalOxide）深121高壓氧化氧化速率更高（比常壓）可降低氧化溫度:壓力增大1amt，溫度可降低30°C更高的介電強(qiáng)度（比常壓）缺點(diǎn):設(shè)備復(fù)雜，存在安全問(wèn)題121高壓氧化氧化速率更高（比常壓）122氧化小結(jié)SiO2的應(yīng)用：摻雜阻擋層、器件隔離層、柵氧化層、MOS電容的介質(zhì)材料、表面鈍化(保護(hù))層表面鈍化(保護(hù))：襯墊氧化層，摻雜阻擋層，犧牲氧化層，阻擋氧化層，注入屏蔽氧化層氧化前圓片清洗：RCA清洗氧化類型與機(jī)制：干氧、水汽及濕氧干氧化和濕氧化，（RTO，高壓氧化）122氧化小結(jié)SiO2的應(yīng)用：摻雜阻擋層、器件隔離層、柵氧化123123124擴(kuò)散的基本概念常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)擴(kuò)散：最常用的半導(dǎo)體摻雜技術(shù)之一擴(kuò)散掩膜：二氧化硅設(shè)備：擴(kuò)散爐124擴(kuò)散的基本概念常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)125擴(kuò)散摻雜舉例125擴(kuò)散摻雜舉例126擴(kuò)散形成PN結(jié)126擴(kuò)散形成PN結(jié)127結(jié)深的定義背景載流子濃度雜質(zhì)濃度結(jié)深127結(jié)深的定義背景載流子濃度雜質(zhì)濃度結(jié)深128擴(kuò)散摻雜過(guò)程硬掩膜：氧化硅淀積雜質(zhì)氧化物B2H6+2O2

＝B2O3+3H2O4POCl3+3O2=2P2O5+3Cl2帽層氧化–防止雜質(zhì)向氣相中擴(kuò)散2B2O3+3Si=3SiO2+4B2H2O+Si=SiO2+2H22P2O5+5Si=5SiO2+4P雜質(zhì)推進(jìn):B或P向硅襯底擴(kuò)散128擴(kuò)散摻雜過(guò)程硬掩膜：氧化硅129磷擴(kuò)散系統(tǒng)129磷擴(kuò)散系統(tǒng)1301）硅片清洗2）表面氧化3）摻雜區(qū)圖形制作4）刻蝕氧化硅5）去除光刻膠6）清洗擴(kuò)散摻雜工藝示意1301）硅片清洗2）表面氧化3）摻雜區(qū)圖形制作4）刻蝕氧化1317）摻雜氧化物淀積

--預(yù)淀積擴(kuò)散摻雜工藝示意8）帽層氧化9）雜質(zhì)推--再分布10）去除氧化物,

進(jìn)入下一步工藝1317）摻雜氧化物淀積

--預(yù)淀積擴(kuò)散摻雜工藝示意8132應(yīng)用與局限性擴(kuò)散是各向同性的，掩膜下方也會(huì)有雜質(zhì)橫向擴(kuò)散不能獨(dú)立控制結(jié)深和摻雜濃度主要用在阱注入后的推進(jìn)工藝橫向擴(kuò)散132應(yīng)用與局限性擴(kuò)散是各向同性的，掩膜下方也會(huì)有雜質(zhì)橫向擴(kuò)133阱注入與推進(jìn)133阱注入與推進(jìn)134RTP（RapidThermalProcessing）134135注入后退火高能離子損傷晶體結(jié)構(gòu)非晶硅有很高的電阻率需要外部能量如熱使其恢復(fù)單晶結(jié)構(gòu)只有在單晶結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)才能被激活135注入后退火高能離子損傷晶體結(jié)構(gòu)136注入后退火單晶結(jié)構(gòu)勢(shì)能最低原子傾向于停留在格點(diǎn)上熱提供原子快速運(yùn)動(dòng)的能量原子將找到并落入格點(diǎn)，此處有最低勢(shì)能更高溫度,更快退火136注入后退火單晶結(jié)構(gòu)勢(shì)能最低137離子注入前137離子注入前Si-O4四面體:在頂角處通過(guò)氧（O)相互聯(lián)結(jié),構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從安全和方便角度，TCA(CHCl3)為比較好的氯源。O2通過(guò)表面已有的氧化層向內(nèi)擴(kuò)散并與Si反應(yīng)生長(zhǎng)SiO2低純度N2：空閑吹掃氣體–Betterisolation更好的隔離氧化層越厚，O需要更長(zhǎng)的擴(kuò)散路程才能與襯底硅發(fā)生反應(yīng)與制備方法有關(guān)。厚氧化層,如LOCOS③硅片裝架的接觸位置。三元、四元化合物(混晶）Pre-oxidationWaferCleanInorganicRemovalBlanketfieldoxide（場(chǎng)氧）ThermalProcessesinICFabrication導(dǎo)體（電極及引線）：Al、Wu（Cu、Ti）、poly-Si氧化膜越厚，生長(zhǎng)速率越低138離子注入后Si-O4四面體:在頂角處通過(guò)氧（O)相互聯(lián)結(jié),構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)139熱退火后139熱退火后140RTP（快速熱退火）優(yōu)點(diǎn)–快速升溫(75to150°C/sec)–更高溫度(upto1200°C)–過(guò)程快速–使雜質(zhì)擴(kuò)散最小化–熱預(yù)算的更好控制（節(jié)約能源）–更好的圓片間均勻性控制140RTP（快速熱退火）優(yōu)點(diǎn)–快速升溫(75to1141合金退火高溫下不同原子化學(xué)反應(yīng)形成金屬合金廣泛用于硅化物制作141合金退火高溫下不同原子化學(xué)反應(yīng)形成金屬合金142硅化物比多晶硅電阻率低得多用于柵互連和局部互連用于電容電極提高器件速度和減小發(fā)熱常見(jiàn)硅化物：TiSi2,WSi2CoSi2,MoSi2142硅化物比多晶硅電阻率低得多143硅化鈦工藝Ar離子濺射清洗鈦（Ti）PVDRTP退火,~700°C去除Ti，H2O2:H2SO2143硅化鈦工藝Ar離子濺射清洗144硅化鈦工藝144硅化鈦工藝145退火小結(jié)?RTP（快速熱退火）的優(yōu)點(diǎn)?硅化物的應(yīng)用與優(yōu)點(diǎn)?硅化鈦工藝145退火小結(jié)?RTP（快速熱退火）的優(yōu)點(diǎn)146硅片制備

單晶生長(zhǎng)：直拉法、區(qū)熔法高溫工藝氧化擴(kuò)散退火146硅片制備1472.1單晶硅晶體結(jié)構(gòu)1472.1單晶硅晶體結(jié)構(gòu)－剩余原材料可重復(fù)使用－MOS柵氧化層（30～120A）典型H2:O2比：（1.典型H2:O2比：（1.鈦（Ti）PVD表面鈍化(保護(hù))氧化層SiHCl3(TGS)SiO2canbeusedasdiffusionmask防止STI工藝中的污染?石英砂（SiO2)→冶金級(jí)硅(MGS)溫度升高會(huì)引起更大的氧化速率升高厚氧化層,如LOCOS－剩余原材料可重復(fù)使用Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InP，GaN等；第5周期 Cd In Sn Sb Te148直拉法vs（懸浮）區(qū)熔法

直拉法，更為常用(占75％以上)

－便宜－更大的圓片尺寸(300mm已生產(chǎn))

－剩余原材料可重復(fù)使用－位錯(cuò)密度：0～104cm2

區(qū)熔法

－高純度的硅單晶(不使用坩鍋)（電阻率2000W-mm）

－成本高，可生產(chǎn)圓片尺寸較小(150mm)

－主要用于功率器件－位錯(cuò)密度：103～105cm22.2單晶Si制備－剩余原材料可重復(fù)使用148直拉法vs（懸浮）區(qū)熔法149定位邊或定位槽的作用①識(shí)別晶向、導(dǎo)電類型及劃片方向；②硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；③硅片裝架的接觸位置。2.2單晶Si制備149定位邊或定位槽的作用①識(shí)別晶向、導(dǎo)電類型及劃片方向；150簡(jiǎn)介硅與O2直接反應(yīng)可得；SiO2性能穩(wěn)定；氧化工藝在IC制造中廣泛使用Si+O2→SiO2氧化層簡(jiǎn)介150簡(jiǎn)介硅與O2直接反應(yīng)可得；Si+O2→SiO2151RCA清洗DevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCAMostcommonlyusedcleanprocessesinICfabsSC-1－NH4OH:H2O2:H2Owith1:1:5to1:2:7ratioat70to80℃toremoveorganiccontaminants.(1號(hào)液)SC-2--HCl:H2O2:H2Owith1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates.(2號(hào)液)DIwaterrinseHFdiporHFvaporetchtoremovenativeoxide.151RCA清洗DevelopedbyKernand152雜質(zhì)耗盡和雜質(zhì)堆積152雜質(zhì)耗盡和雜質(zhì)堆積153煮沸器（BoilerSystem）153煮沸器（BoilerSystem）154硅片制備

單晶生長(zhǎng)：直拉法、區(qū)熔法高溫工藝氧化擴(kuò)散退火1硅片制備155Si集成電路芯片元素組成半導(dǎo)體（襯底與有源區(qū)）：?jiǎn)尉i雜質(zhì)（N型和P型）：P(As)、B導(dǎo)體（電極及引線）：Al、Wu（Cu、Ti）、poly-Si絕緣體（柵介質(zhì)、多層互連介質(zhì)）：SiO2、Si3N42Si集成電路芯片元素組成半導(dǎo)體（襯底與有源區(qū)）：?jiǎn)尉i156化學(xué)元素周期表3化學(xué)元素周期表157周期表中用作半導(dǎo)體的元素 Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族 第2周期 B C N 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga Ge As Se 第5周期 Cd In Sn Sb Te 第6周期Hg Pb 4周期表中用作半導(dǎo)體的元素 Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族158半導(dǎo)體襯底材料的種類元素半導(dǎo)體：Si、Ge、C（金剛石）化合物半導(dǎo)體二元化合物Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InP，GaN等；Ⅱ-Ⅵ族：ZnSe，CdS，ZnO，ZnS等；Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SixGe1-x（合金/混晶)；三元、四元化合物(混晶）AlxGa1-xAs,InxGa1-xAs,AlxGa1-xN，Hg1-xCdxTe等；5半導(dǎo)體襯底材料的種類元素半導(dǎo)體：地球巖石圈和土壤的主要化學(xué)組成(重量%)

元素巖石圈土壤氧化物巖石圈土壤O47.249.0SiO261.2864.17Si33.027.6Al2O315.3412.86Al8.87.13Fe2O36.296.58Fe5.13.8CaO4.961.17Ca3.61.37MgO3.900.91Na2.640.63K2O3.060.95K2.61.36Na2O3.440.58Mg2.10.6P2O50.290.11Ti0.60.46TiO20.781.25S0.090.085

Mn0.090.085地球大氣體積比P0.080.08N278.084N0.010.1O220.95Cu0.010.002Ar0.934Zn0.0050.005地球巖石圈和土壤的主要化學(xué)組成(重量%)元素巖石圈土壤氧化1602.1單晶硅晶體結(jié)構(gòu)72.1單晶硅晶體結(jié)構(gòu)氧化前需要清洗硅片表面外延(Epitaxy)定義SiHCl3(TGS)常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)三元、四元化合物(混晶）溫度太低---籽晶不熔或不生長(zhǎng)；高溫工藝(ThermalProcesses)Si源氣體：SiH4(硅烷),SiH2Cl2(二氯硅烷),氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；Si+2H2O→SiO2+2H2多晶硅(EGS:ElectronicGradeSilicon)主要用在阱注入后的推進(jìn)工藝SiHCl3(三氯硅烷),SiCl4(四氯硅烷)MostcommonlyusedcleanprocessesinICfabsNormallythinoxidelayer(~150?)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.161硅的重要性

儲(chǔ)量豐富，便宜；（27.6％）SiO2性質(zhì)很穩(wěn)定、良好介質(zhì)，易于熱氧化生長(zhǎng)；

較大的禁帶寬度（1.12eV），較寬工作溫度范圍；2.1單晶Si簡(jiǎn)介氧化前需要清洗硅片表面8硅的重要性儲(chǔ)量豐富，便宜；（27162硅的基本參數(shù)名稱Name硅Silicon符號(hào)SymbalSi原子序數(shù)AtomicNumber14原子量AtomicWeight28.0855發(fā)現(xiàn)日期DiscoveryDate1824鍵長(zhǎng)BondlengthinsinglecrystalSi2.352A密度DensityofSolid2.33g/cm3電阻率Electricalresistivity熔點(diǎn)Meltingpoint1414℃沸點(diǎn)Boilingpoint2900℃2.1單晶Si簡(jiǎn)介9硅的基本參數(shù)名稱Name硅Silicon符號(hào)Symb163晶體結(jié)構(gòu)無(wú)定形

不存在重復(fù)結(jié)構(gòu)多晶

有一些重復(fù)結(jié)構(gòu)單晶

一個(gè)完整的重復(fù)結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介10晶體結(jié)構(gòu)無(wú)定形2.1單晶Si簡(jiǎn)介164無(wú)定形結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介11無(wú)定形結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介165多晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：局部有序（單晶）、整體無(wú)序。應(yīng)用：柵電極、引線12多晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：局部有序（單晶166單晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：一個(gè)完整、有序的周期重復(fù)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用：襯底與有源區(qū)13單晶Si結(jié)構(gòu)2.1單晶Si簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)特征：一個(gè)完整、有序167思考題在集成電路制造中，單晶Si和多晶Si分別有什么用途？14思考題在集成電路制造中，單晶Si和多晶Si分別有什么用途168單晶硅的基本單元2.1單晶Si簡(jiǎn)介金剛石結(jié)構(gòu)四面體15單晶硅的基本單元2.1單晶Si簡(jiǎn)介金剛石結(jié)構(gòu)169晶向：<100>、<110>、<111>2.1單晶Si簡(jiǎn)介16晶向：<100>、<110>、<111>2.1單晶170晶向應(yīng)用2.1單晶Si簡(jiǎn)介<100>晶面：MOS器件和電路<111>：雙極型器件和電路17晶向應(yīng)用2.1單晶Si簡(jiǎn)介<100>晶面：MOS器件和171晶面判據(jù)：刻蝕凹坑2.1單晶Si簡(jiǎn)介右上圖：<100>晶面左下圖：<111>晶面18晶面判據(jù)：刻蝕凹坑2.1單晶Si簡(jiǎn)介右上圖：<100>1722.2單晶硅圓片的制備192.2單晶硅圓片的制備ThermalProcessesinICFabrication直徑：2-3mm；SiHCl3(TGS)Si+O2→SiO2200mm硅圓片厚度和表面粗糙度的變化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（由無(wú)規(guī)則排列的Si-O4四面體組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)),即短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序；厚氧化層,如LOCOSDevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCA主要用在阱注入后的推進(jìn)工藝立式爐管使用最廣泛，因?yàn)槠湔嫉孛娣e小、污染控制好、維護(hù)量??；外延層：?jiǎn)尉бr底上單晶薄膜層Normallythinoxidelayer(~150?)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.Si-O4四面體:在頂角處通過(guò)氧（O)相互聯(lián)結(jié),構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。AlxGa1-xAs,InxGa1-xAs,AlxGa1-xN，Hg1-xCdxTe等；雜質(zhì)（N型和P型）：P(As)、B173?石英砂（SiO2)→冶金級(jí)硅(MGS)?HCl與MGS粉反應(yīng)形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷）?利用汽化和冷凝提純TCS?TCS與H2反應(yīng)形成多晶硅(EGS)?熔融EGS和拉單晶硅錠從石英砂到硅錠ThermalProcessesinICFabric174從硅錠到硅片單晶硅錠整型切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝2.2單晶Si制備從石英砂中提煉硅21從硅錠到硅片單晶硅錠整型切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝175砂→硅SiO2石英砂C碳＋加熱到2000℃Si冶金級(jí)硅＋CO2二氧化碳2.2單晶Si制備純度:98%22砂→硅SiO2C＋加熱到2000℃Si＋CO22.2單176硅提純I過(guò)濾器冷凝器純化器反應(yīng)室，300℃HClSi硅粉SiHCl3(TGS)純度:99.9999999%(9N)SiHCl3:三氯氫硅Si(固)+3HCl(氣)－－→SiHCl3(氣)+H2(氣)2.2單晶Si制備(220~300℃)SiHCl3：沸點(diǎn)31.5℃Fe、Al和B被去除。23硅提純I過(guò)冷凝器純化器反應(yīng)室，300℃HClSi硅粉177多晶硅淀積SiHCl3TGSH2氫氣＋1000～1200℃Si電子級(jí)硅EGS＋3HCl氯化氫2.2單晶Si制備純度:99.9999999%24多晶硅淀積SiHCl3H2＋1000～1200℃Si＋3178硅提純IIH2液態(tài)SiHCl3TGSH2+SiHCl3H2+SiHCl3→Si+3HCl電子級(jí)硅（多晶硅）EGS工藝腔2.2單晶Si制備25硅提純IIH2液態(tài)SiHCl3H2+SiHCl3H2+1791:冷卻平臺(tái),2:冷卻保護(hù)玻璃,3:觀察窗玻璃,4:石英罩,5:硅核(細(xì)柱),6:電流源,7:飽和器261:冷卻平臺(tái),180多晶硅(EGS:ElectronicGradeSilicon)2.2單晶Si制備27多晶硅(EGS:ElectronicGradeSil181Si單晶的制備直拉法：CZ法懸浮區(qū)熔法：FZ法28Si單晶的制備直拉法：CZ法182直拉法（Czochralski，CZ法）石英坩鍋石墨坩鍋單晶硅錠單晶硅籽晶加熱線圈2.2單晶Si制備硅－熔點(diǎn)為1414℃,沸點(diǎn)為2355℃29直拉法（Czochralski，CZ法）石英坩鍋石墨坩鍋183直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶2.2單晶Si制備30直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶2.2單晶Si制備1841）

拉晶儀①爐子石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶311）拉晶儀2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶1851）拉晶儀②拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；③環(huán)境控制真空系統(tǒng)：氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；排氣系統(tǒng)：④電子控制及電源系統(tǒng)

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶321）拉晶儀②拉晶裝置2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生1862）拉晶過(guò)程例，2.5及3英吋硅單晶制備①

熔硅調(diào)節(jié)坩堝位置；（注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)）②

引晶（下種）籽晶預(yù)熱：目的---避免對(duì)熱場(chǎng)的擾動(dòng)太大；

位置---熔硅上方；與熔硅接觸：溫度太高---籽晶熔斷；

溫度太低---籽晶不熔或不生長(zhǎng)；

合適溫度--籽晶與熔硅可長(zhǎng)時(shí)間接觸，

既不會(huì)進(jìn)一步融化，也不會(huì)生長(zhǎng)；

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶332）拉晶過(guò)程例，2.5及3英吋硅單晶制備2.2單晶Si1872）拉晶過(guò)程③收頸

目的：抑制位錯(cuò)從籽晶

向晶體延伸；

直徑：2-3mm；

長(zhǎng)度：>20mm；

拉速：3.5mm/min

④放肩

溫度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；

2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)單晶342）拉晶過(guò)程③收頸2.2單晶Si制備直拉(CZ)法生長(zhǎng)18835189（懸?。﹨^(qū)熔法生長(zhǎng)單晶2.2單晶Si制備36（懸浮）區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶2.2單晶Si制備190直拉法vs（懸?。﹨^(qū)熔法

直拉法，更為常用(占75％以上)

－便宜－更大的圓片尺寸(300mm已生產(chǎn))

－剩余原材料可重復(fù)使用－位錯(cuò)密度：0～104cm2

區(qū)熔法

－高純度的硅單晶(不使用坩鍋)（電阻率2000W-mm）

－成本高，可生產(chǎn)圓片尺寸較小(150mm)

－主要用于功率器件－位錯(cuò)密度：103～105cm22.2單晶Si制備37直拉法vs（懸?。﹨^(qū)熔法直拉法，更為常用(191（水平）區(qū)熔法-布里吉曼法

制備GaAs單晶38（水平）區(qū)熔法-布里吉曼法制備GaAs單晶192硅錠整型處理定位邊（參考面）150mm或更小直徑定位槽200mm或更大直徑2.2單晶Si制備截掉頭尾、直徑研磨和定位邊或定位槽39硅錠整型處理定位邊（參考面）定位槽2.2單晶Si制備截193定位邊或定位槽的作用①識(shí)別晶向、導(dǎo)電類型及劃片方向；②硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；③硅片裝架的接觸位置。2.2單晶Si制備40定位邊或定位槽的作用①識(shí)別晶向、導(dǎo)電類型及劃片方向；2194切片(WaferSawing)晶向標(biāo)記定位槽鋸條冷卻液硅錠硅錠運(yùn)動(dòng)方向金剛石覆層2.2單晶Si制備41切片(WaferSawing)晶向標(biāo)記鋸條冷卻液硅錠硅195邊緣倒角(EdgeRounding)倒角前的圓片倒角后的圓片2.2單晶Si制備42邊緣倒角(EdgeRounding)倒角前的圓片倒角后196硅圓片機(jī)械研磨(Lapping)粗拋光常規(guī)的使用研磨劑（Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO）進(jìn)行漿料研磨去除大多數(shù)表面損傷獲得平整的表面2.2單晶Si制備43硅圓片機(jī)械研磨(Lapping)粗拋光2.2單晶Si制197硅圓片化學(xué)腐蝕(Etch)去除圓片表面的缺陷HNO3(重量比濃度79%)、HF(重量比濃度49%)和純CH3COOH配成4:1:3溶液腐蝕化學(xué)反應(yīng)3Si+4HNO3+6HF→3H2SiF6+4NO+8H2O2.2單晶Si制備44硅圓片化學(xué)腐蝕(Etch)去除圓片表面的缺陷2.2單晶198化學(xué)機(jī)械拋光(ChemicalMechanicalPolishing:CMP)2.2單晶Si制備45化學(xué)機(jī)械拋光(Chemica