第一章襯底制備

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: 0.67 eVGe: 0.

2、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、CdTeCdTe、HgSHgS

3、、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-YAsAsX XP P1-X1-X and Al

4、 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(diǎn)：特點(diǎn)：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 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單晶直徑最大：每單晶直徑最大：每3 3年增加年增加1

5、 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）；1.1.2 Si1.1.2 Si單晶的起始材料單晶的起始材料-石英巖（高純度硅砂石英巖（高純度硅砂-SiO-SiO2 2）Si

6、OSiO2 2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g),+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金級(jí)硅：冶金級(jí)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(diǎn)為（沸點(diǎn)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(jí)硅（片狀多晶硅）電子級(jí)硅（片狀多晶硅）從石英砂到硅錠多晶硅提純多晶硅提純 I I過(guò)過(guò)濾濾器器冷凝器冷凝器

7、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(diǎn)：沸點(diǎn)31.5 31.5 FeFe、AlAl和和B B被去除。被去除。多晶硅提純多晶硅提純 II IIH2液態(tài)SiHCl3TGSH2+SiHCl3H2+SiHCl3Si+3HCl電子級(jí)硅多晶硅EGS工藝腔1.2.1 1.2.1 直拉法（直拉法（CZCZ法）法）1 1）拉晶儀）拉

8、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(shí)針轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)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柴可拉斯基拉晶儀柴可拉斯基拉晶儀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(shí)針；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)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) 2 2）拉晶過(guò)程）拉晶過(guò)程

9、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(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)）調(diào)節(jié)坩堝位置；（注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)） 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(duì)熱場(chǎng)的擾動(dòng)太大；避免對(duì)熱場(chǎng)的擾動(dòng)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(zhǎng)；籽晶不熔或不生長(zhǎng)； 合適溫度合適溫度-籽晶與熔硅可長(zhǎng)時(shí)間接觸，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)；既不會(huì)進(jìn)一步融化，也不會(huì)生長(zhǎng)； 2 2）拉晶過(guò)程）拉晶過(guò)程收頸收頸n目的

10、：抑制位錯(cuò)從籽晶目的：抑制位錯(cuò)從籽晶 向晶體延伸；向晶體延伸；n直徑：直徑：2-3mm2-3mm；n長(zhǎng)度：長(zhǎng)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； 2 2）拉晶過(guò)程）拉晶過(guò)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(shí)，提高拉速：時(shí)，提高拉速： 2.5mm/min 2.5mm/min； 等徑生長(zhǎng)等徑生長(zhǎng)n拉速：拉速：1.3-1.5mm/min1.3-1.5mm/min；n熔硅液面在溫度場(chǎng)保持相對(duì)固定；熔硅液面在溫度場(chǎng)保持相對(duì)固

11、定； 收尾收尾n 熔硅料為熔硅料為1.5kg1.5kg時(shí)，停止坩堝跟蹤。時(shí)，停止坩堝跟蹤。 直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶示意直拉(CZ)法生長(zhǎng)的Si單晶錠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(diǎn)：特點(diǎn)：可重復(fù)生長(zhǎng)、提純單晶；可重復(fù)生長(zhǎng)、提純單晶； 無(wú)需坩堝、石墨托，污染無(wú)需坩堝、石墨托，污染 少，純度較少，純度較CZCZ法高；法高； FZFZ單晶：?jiǎn)尉В焊呒儭⒏咦?、高純、高阻?低氧、低碳；低氧、低碳；n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 單晶直徑不及單晶直徑不及CZCZ法。法。 直拉法直拉法vsvs區(qū)熔法區(qū)熔法 u 直

12、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(cuò)密度：位錯(cuò)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件 位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：103105cm21.2 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1.3 Si1.3

13、 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(shí)、晶面整形、晶體定向、晶面標(biāo)識(shí)、晶面加工。加工。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定位邊或定位槽。定位邊或定位槽。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； MO

14、S 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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系的小腐蝕坑；小腐蝕坑； 光照：光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對(duì)稱性，正入射平利用這些小腐蝕坑的宏觀對(duì)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。 光圖像定向法光圖像定向法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

15、方法：方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法；勞埃法；轉(zhuǎn)動(dòng)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（n n為偶數(shù)）為偶數(shù)）1.3.3 1.3.3 晶面標(biāo)識(shí)晶面標(biāo)識(shí)n原理：原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開(kāi)；各向異性使晶片沿解理面易裂開(kāi)； 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(shí)別劃

16、片方向作用；起識(shí)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(shí)別晶向和導(dǎo)電類型識(shí)別晶向和導(dǎo)電類型 SiSi片晶面標(biāo)識(shí)示意片晶面標(biāo)識(shí)示意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

17、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。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(yùn)動(dòng)方向硅錠運(yùn)動(dòng)方向金剛石覆層金剛石覆層2.2 單晶單晶Si制備制備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、ZrO

18、ZrO、SiOSiO2 2、MgOMgO等等 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(wú)損層的無(wú)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)（與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)（0.1-0.1-0.5m0.5m），），MgOMgO、SiOSiO2 2、ZrOZrO； 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：表面平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。表面平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。1.3.4 Si晶片加工晶片加工化學(xué)拋光（化學(xué)腐蝕）化學(xué)拋光（化學(xué)腐蝕）a.a.酸性腐蝕酸性腐蝕典型配方：典型配方：HF:HNOHF:HNO3 3:CH:CH3 3COOH=1:3:2(COOH=1:3:2(體積比體積比) ) 3Si+4HNO 3Si+4HNO3 3+18HF=3H+18HF=3H3 3SiFSiF6 6+4NO+8H+4NO+8H2 2O O注意腐蝕溫度：注意腐蝕溫度：T=30