IC工藝Ch-3硅單晶的生長與硅片加工

1、Chapter 3Single-Crystal Growth &Wafer Preparation硅單晶的生長與硅片加工硅單晶的生長與硅片加工 本章重點掌握：本章重點掌握：1、什么是什么是CZ-Si、FZ-Si、MCZ-Si、NTD-Si？基本工藝原理、材料特點和用途？基本工藝原理、材料特點和用途？2、GaAs等化合物半導體材料生長的工藝特點？等化合物半導體材料生長的工藝特點？3、什么是分凝效應？對材料工藝有什么影響？、什么是分凝效應？對材料工藝有什么影響？4、NTD-Si的制備中，高純的制備中，高純Si在反應堆中經(jīng)熱中在反應堆中經(jīng)熱中子輻照后，為什么還要進行退火處理？子輻照后，為什么

2、還要進行退火處理？5、晶片的加工的主要工藝流程是什么？、晶片的加工的主要工藝流程是什么？6、什么是雜質(zhì)吸出工藝？什么是氧內(nèi)吸出工藝？、什么是雜質(zhì)吸出工藝？什么是氧內(nèi)吸出工藝？期工藝原理和工藝過程是什么？期工藝原理和工藝過程是什么？7、材料參數(shù)測量？、材料參數(shù)測量？ 3.1Phase DiagramPhase-change, Solid Solubility & Segregation相圖相變、固溶度與分凝3.1.1Phase Diagram (9-12頁） 基本性質(zhì)基本性質(zhì) Lever rule（杠桿法則）（杠桿法則） 相律相律 P+F=C+2 P:系統(tǒng)中的相數(shù)系統(tǒng)中的相數(shù) F:自由度

3、自由度 C:組元數(shù)組元數(shù) 三相點三相點 無限互溶（無限互溶（F 2.3）SLCCCCWWMSLMLS3.1.2 Impurity Solid Solubility (12頁、頁、p.12-閱讀閱讀） 最大固溶度最大固溶度Frozen-inPrecipitationQuenching 3.1.3 Phenomenon of Segregation (13頁、頁、p.25）Equilibrium Segregation Coefficientk=CS/CL , (& k=CS1/CS2，or * ) 3.2高純多晶硅的制備高純多晶硅的制備地球上最多的元素是地球上最多的元素是Si，化合物是石

4、英砂（化合物是石英砂（SiO2），），與焦碳混合，在電爐中還原（與焦碳混合，在電爐中還原（16001800C）可以獲得可以獲得9599%的的工業(yè)粗硅（冶金級硅）工業(yè)粗硅（冶金級硅）。MGS（Metallurgical Grade Silicon）SiO2+2C=Si+2CO1、硅粉的酸洗、硅粉的酸洗HCl、王水、（HF+H2SO4）、蒸餾水2、中間化合物的精餾提純與高純多晶硅、中間化合物的精餾提純與高純多晶硅的還原的還原1）三氯氫硅法（SiHCl3，trichlorosilanesTCS）合成合成Si+3HClSiHCl3+H2通過控制溫度、氣壓等，抑制SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl

5、、SiH4的產(chǎn)生 3、冷凝器， 4、回流管， 5、出料口精餾精餾還原（氫還原）還原（氫還原）SiHCl3+H211001200CSi+3SiCl4+2H2還原過程中的各種不完全 反應尾氣化合物將影響純度2）硅烷法（SiH4） a）合成法：SiCl4+4LiHSiH4+4LiCl b）硅化鎂分解法：2Mg+Si Mg2SiMg2Si+4NH4Cl 液NH3SiH4 +2MgCl+4NH3硅烷熱分解SiH4900CSi+2H2三氯氫硅法較經(jīng)濟效率高；硅烷法成本高，純度高基基B的殘留的殘留！Electronic-grade Silicon （EGS） 3.3單晶硅的生長單晶硅的生長 3.3.1 Cz

6、ochralski (切克勞斯基）切克勞斯基）Growth（直拉法單晶生長，（直拉法單晶生長，Cz-Si）1、原理：在適當?shù)臏囟忍荻?、氣壓、原理：在適當?shù)臏囟忍荻?、氣壓下，熔融的硅在高度完美的籽晶（下，熔融的硅在高度完美的籽晶（Seed）的旋轉牽引下可控地生長。的旋轉牽引下可控地生長。2、Cz-Si生長工藝：生長工藝：（16-17頁頁）工藝控制：縮頸(Necking)；零位錯生長溫度場的分布；（缺陷、雜質(zhì)、二次熱缺陷）旋轉速率；（溫度場的均勻、雜質(zhì)均勻）提升速率；（直徑、缺陷、應力）彎月面的控制；（生長測控的特征面）氣場的控制；（缺陷、雜質(zhì)）冷卻過程中的缺冷卻過程中的缺陷；熱歷史對材陷；熱歷史

7、對材料和以后的器件料和以后的器件性質(zhì)產(chǎn)生影響。性質(zhì)產(chǎn)生影響。3、雜質(zhì)分布的控制：、雜質(zhì)分布的控制：1) 雜質(zhì)的摻入雜質(zhì)的摻入, (高摻雜高摻雜Si) ：0.001100 cm2) Segregation：1720頁；頁；P2324生長附面層與有效分凝系數(shù)生長附面層與有效分凝系數(shù)附面層：附面層：熔融體附面，雜質(zhì)附面熔融體附面，雜質(zhì)附面公式（2-11），Eq.(2-13)例2-1（20頁）g=單晶硅重量/初始熔硅重量g=0，0.1，0.5，0.8；C0=1x1015 atoms/cm3，（B）=15.3，14.98，13.3，11.1，（P）=14.4，13.4， 9.72，4.46，impuri

8、tyAlAsBCCuFeOPSb3) O、C的控制的控制來源：？來源：？檢測：檢測：FTIR改善：改善：MCz （P2527）66頁圖頁圖3-17同時也改善橫向均勻性同時也改善橫向均勻性通常：通常：O：1018 cm-3 C：1017 cm-3用途用途: a)絕大多數(shù)分離器件絕大多數(shù)分離器件( ：110 cm)b)集成電路襯底集成電路襯底3.3.2 Float-zone (懸浮區(qū)熔法Fz-Si）1、目的：目的：獲得低獲得低O、C含量的含量的Si2、方法、方法F2.21(P.30、31)3、特點、特點 Fz的縱向均勻的縱向均勻性比性比Cz好些好些; 可以多次區(qū)熔可以多次區(qū)熔提純提純,獲得探測獲得

9、探測器級單晶硅器級單晶硅; 難以制備大直難以制備大直徑單晶徑單晶 摻雜濃度難以摻雜濃度難以控制控制4、NTD Si（Neutron Transmutation Doping，中子嬗變摻雜）1）摻雜：2）退火電激活、與輻照損傷的消除Fz-Si的O、C含量低于1016cm-3電阻率一般大于100cmp型（摻B）材料均勻性較好n型材料常以NTD方式獲得（可得10 cm）的材料）用于大功率器件和探測器 3.4其它化合物半導體材料的晶體生長其它化合物半導體材料的晶體生長3.4.1.GaAs的的LEC （液封直拉法）（液封直拉法）（Liquid Encapsulated Czochralski Growt

10、h）原因：在高溫下，原因：在高溫下，Ga、As的蒸氣壓有很大的不的蒸氣壓有很大的不同（同（Ga：0.001atm；As：10atm）即：在晶體外保持即：在晶體外保持10atm的的As氣壓才能不使氣壓才能不使GaAs晶體中的晶體中的As分離分離逸出。逸出。Henrys Low：Pi=HNSi事實上，在事實上，在500C熱處理時，熱處理時， GaAs晶體近表晶體近表面（面（ m）的）的As已經(jīng)會有嚴重的已經(jīng)會有嚴重的逸出。逸出。B2O3籽晶優(yōu)點：生長快、成本低；缺點：位錯密度高（熱應力大）措施：后熱退火（Post-annealing）也適合于InP、GaP等材料的生長名詞：HPLEC3.4.2Br

11、idgman GrowthHB法(Horizontal Bridgman)優(yōu)點：裝置“簡單”；容易控制；缺陷密度較??；缺點：形成“D”型晶體，使用率低；不易得到高阻材料；與石英舟的接觸面大；改進：VB or VGF Method(Vertical Bridgman；Vertical Gradient Freeze） VGF6in10McmDislocation： 25103cm-3 3.6晶片的加工晶片的加工3.6.1.器件對材料的要求3.6.2. Wafer Processing （6772頁）（Slicing，Etching，and Polishing）1、去頭、去尾、測試和分段(外觀、縱

12、向均勻性）2、滾磨（ROUNDING）3、定向、磨參考面（Orientation）4、 Slicing（切片）（69頁）內(nèi)圓切割內(nèi)圓切割Inner Diameter（ID Saw）晶棒晶棒（ingot）粘著粘著偏向（偏向（off-orientation）切片厚度？切片厚度？ m損傷層厚度損傷層厚度 m線切割（Wire Saw）5、倒角（Edge-rounded）邊緣破裂、熱應力缺陷、邊緣平坦度6、Etching & Polishing（腐蝕與拋光）CMP（化學機械拋光）雙面拋光（DSP）7、IdentificationMarking，Cleaning，Gettering，and Shi

13、ping 硅片加工流程回顧：測試、定位測試、定位定向切片定向切片倒角倒角外觀整形外觀整形后腐蝕后腐蝕清洗、包裝清洗、包裝拋光拋光晶棒粘著晶棒粘著切片切片硅片拆卸硅片拆卸清洗、檢驗清洗、檢驗磨片磨片 3.7晶片的雜質(zhì)吸出工藝（5656頁） 雜質(zhì)吸除 Gettering (晶體工程） 外吸出外吸出（背吸除） 背面淀積多晶硅薄膜（12m），并在700C退火 內(nèi)吸出內(nèi)吸出 三段式氧吸除： 1100C氧外擴散10h； 750C氧成核4h多次； 1000C氧吸除4h多次 氫、氦微孔結構的吸雜作用 H、He注入退火成核吸雜 Do you really have the ideas about followings？1、什么是什么是CZ-Si、FZ-Si、MCZ-Si、NTD-Si？基本工藝原理、材料特點和用途？基本工藝原理、材料特點和用途？2、GaAs等化合物半導體材料生長的工藝特點？等化合物半導體材料生長的工藝特點？3、什么是分凝效應？對材料工藝有什么