硅的晶體結(jié)構(gòu)環(huán)境與襯底制備

硅的晶體結(jié)構(gòu)環(huán)境與襯底制備第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.1硅的晶體結(jié)構(gòu)特點1.2晶向、晶面和堆積模型1.3硅晶體中的缺陷1.4硅中的雜質(zhì)1.5雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度1.6微電子加工環(huán)境1.7襯底材料1.8襯底制備第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一單一元素半導(dǎo)體(IV族)：硅（Si）、鍺(Ge)硅：地球上含量最豐富的元素之一，微電子產(chǎn)業(yè)用量最大、也是最重要的半導(dǎo)體材料；90％以上的半導(dǎo)體器件是硅器件。化合物半導(dǎo)體：III族元素和V族構(gòu)成的III-V族化合物GaAs(砷化鎵)，InSb(銻化銦)，GaP(磷化鎵)，InP(磷化銦)等，廣泛用于光電器件、半導(dǎo)體激光器和微波器件。常見半導(dǎo)體材料第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體中組成原子、分子、離子按一定規(guī)則周期排列。任一晶體都可以看成由質(zhì)點（原子、分子、離子）在三維空間按一定規(guī)則重復(fù)排列構(gòu)成的。晶格－晶體中這種周期性結(jié)構(gòu)。單晶－整個晶體由單一的晶格連續(xù)組成的晶體。多晶－晶體由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無規(guī)則地堆積而成。第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一硅半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)。

硅(原子序數(shù)14)的物理化學(xué)性質(zhì)主要由最外層四個電子（稱為價電子）決定。每個硅原子近鄰有四個硅原子，每兩個相鄰原子之間有一對電子，它們與兩個原子核都有吸引作用，稱為共價鍵。硅的共價鍵結(jié)構(gòu)第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一晶胞－能最大限度地反應(yīng)晶體對稱性的最小單元。300K時，硅的晶格常數(shù)a=5.4305?，鍺的晶格常數(shù)a=5.6463?硅的原子密度：8/a3=5×1022/cm3，鍺的原子密度：8/a3=4.42×1022/cm3共價四面體的健角：109°28′最小原子間距：硅的原子半徑rsi=硅的空間利用率＝第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.2晶向、晶面和堆積模型硅的不同晶向和晶面上的原子排列對器件的制造有重要影響。任何晶體的晶格中的原子總可以被看作是處于一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。同一晶體存在很多取向不同的晶列，而不同取向晶列上原子排列不同，通常用晶向來表示一族晶列所指的方向。

以簡單立方體晶格原胞的三個邊作為基矢x、y、z，并以任意格點為原點，則其它所有格點的位置可由矢量表示，其中為任意整數(shù)。而任意一個晶列的方向可由連接晶列中相鄰格點的矢量標(biāo)記，其中m1、m2、m3是互質(zhì)的整數(shù)。記做[m1，m2，m3]－晶向指數(shù)。<m1，m2，m3>表示這些等價方向－晶向。1.2.1晶向第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一<111><100><110><111><110>方向的原子線密度最大。在硅原子的不同晶向上，原子排列不同，在不同晶向原子線密度：第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2晶面晶格上的原子可以看作是處于一系列彼此平行的平面系上，這種平面系稱為晶面。通過任一晶列都存在許多取向不同的晶面，不同晶面的原子排列一般不同，可以用相鄰的兩個平行晶面在矢量x、y、z上的截距來標(biāo)志。表示為x/h1、y/h2、z/h3，h1，h2，h3為互質(zhì)整數(shù)。晶面記為（h1，h2，h3）－晶面指數(shù)（米勒指數(shù)）。有些晶面是彼此等效的，如（100）、（010）等六種晶面，故用{100}表示該晶面族。第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一不同晶面上硅原子的分布不同，可以計算出晶面上單位面積上的原子數(shù)－面密度。

（100）：

（111）：

（110）:密度最大，但不均勻第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.2.3堆積模型面心立方晶格又稱立方密排晶格兩種堆積方式：AB-六角密積ABC－立方密積配位數(shù)－12第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.2.4雙層密排面金剛石結(jié)構(gòu)為兩套面心立方晶格套構(gòu)而成，所以它的{111}晶面也是原子密排面。沿體對角線滑移1/4梯對角線的長度，剛好是晶胞面心立方原子所在位置。形成AABB′CC′堆積。故硅晶體的密排面都是雙層的。雙層密排面內(nèi)距離：雙層密排面間距離：金剛石晶面的特點：1、易沿{111}密排面形成解理面。2、{111}密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕困難、緩慢，腐蝕后容易暴露在表面。3、{111}密排面面間距離大，結(jié)合弱，晶格缺陷容易在此形成和擴(kuò)展。4、{111}密排面晶面能量低，在晶體生長中易使晶體表面形成{111}晶面。第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

原生缺陷是晶體生長過程中形成的缺陷。主要有宏觀缺陷和微觀缺陷兩大類。孿晶、裂紋、夾雜、位錯、小角度晶界、微缺陷和微沉積等。有害雜質(zhì)則是會影響晶體性質(zhì)的雜質(zhì)或雜質(zhì)團(tuán)，主要有受主、施主、重金屬、堿金屬等。原量生缺陷和有害雜質(zhì)除影響材料的力學(xué)性質(zhì)、載流子的輸運或雜質(zhì)的擴(kuò)散行為外,還與加工工藝中產(chǎn)生的誘生缺陷密切相關(guān)。1.3單晶中的原生缺陷和有害雜質(zhì)第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.3.1硅晶體中的原生缺陷點缺陷1、自間隙原子－存在于硅晶格間隙中的硅原子。2、空位－形成自間隙原子的同時，原晶格形成空格點，即空位。晶格正常位置原子跑到表面，在體內(nèi)形成一晶格空位，這種叫肖特基缺陷；如果該原子進(jìn)入間隙，并產(chǎn)生一空位－弗侖克爾缺陷。熱平衡下，空位密度與溫度的關(guān)系：3、外來原子－在晶體生長、加工、集成電路制造等過程中引入的雜質(zhì)。常見缺陷：點、線、面、體缺陷。EvSi=2.6ev第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一線缺陷線缺陷－在某方向延伸，其它兩個方向延伸很小。位錯為常見形式，位錯一般分為刃位錯和螺旋位錯兩種基本形式，在滑移矢量和位錯呈其它角度時，形成混和位錯。位錯大部為沿（111）滑移面貫穿于整個晶體的準(zhǔn)刃位錯。刃位錯的特點之一是有多余的半晶面，晶體上、下兩部分滑移了一個原子間距。第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一位錯特點①：引起晶格畸變，在晶體內(nèi)形成應(yīng)力場。應(yīng)力場容易聚集雜質(zhì)原子,特別是有害雜質(zhì)原子。形成一個穩(wěn)定的雜質(zhì)沉積體,它們往往是形成微缺陷、外延層錯、氧化層錯的核心。位錯特點②:在外界施加一定能量的情況下,會產(chǎn)生攀移和滑移運動。熱處理過程易使位錯運動。?位錯存在于器件有源區(qū)時,有害雜質(zhì)的聚集反擴(kuò)散雜質(zhì)在位錯線上增強(qiáng)擴(kuò)散形成的導(dǎo)通“管道”將直接影響器件的特性,如擊穿電壓,pn結(jié)反向漏電流等。?處于有源區(qū)以外一定區(qū)域中的位錯通過吸雜,也可對有源區(qū)起“清潔”作用。為避免單晶生長過程中產(chǎn)生位錯，防止籽晶中的位錯延伸至單晶棒中,因此收頸工藝十分重要的；其次要防止懸浮物或其它異物進(jìn)入生長界面以及振動或機(jī)械沖擊，保持固液界面液流和過渡區(qū)溫度梯度穩(wěn)定；使晶體冷卻速度降低,防止晶體內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一面缺陷與體缺陷

面缺陷是二維缺陷，面缺陷在兩個方向的尺寸很大，另外一個方向尺寸很小。典型面缺陷－多晶。晶粒間界是一個原子錯排區(qū)，在密堆積的晶體結(jié)構(gòu)中，由于堆積次序發(fā)生錯亂，形成堆垛層錯，簡稱層錯。層錯是區(qū)域性缺陷，在層錯以外和以內(nèi)的原子都是規(guī)則排列的，只是在分界面原子排列才發(fā)生錯亂。體缺陷－由于雜質(zhì)在硼、磷、砷等在硅晶體中溶解度有限，在雜質(zhì)摻入數(shù)量超過固溶度時，雜質(zhì)在晶體中沉積，形成體缺陷。晶體中的空隙也是一種體缺陷。第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一（1）雜質(zhì)條紋是電活性雜質(zhì)的條紋狀缺陷。它們常出現(xiàn)于直拉硅單晶材料中,主要是由于拉晶中晶體轉(zhuǎn)動時徑向熱場不對稱和熔硅熱對流的波動產(chǎn)生的雜質(zhì)微分凝作用引起的，造成晶體電阻率的微區(qū)不均勻性,對器件參數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。(2)有害雜質(zhì)(三類)：非金屬、金屬和重金屬。除氧、碳雜質(zhì)外,非金屬雜質(zhì)還有氫等；金屬雜質(zhì)有鈉、鉀、鈣、鋁、鋰、鎂、鋇等；重金屬雜質(zhì)有金、銅、鐵、鎳等。1.3.2硅晶體中的有害雜質(zhì)第21頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一氧和碳雜質(zhì)：當(dāng)氧進(jìn)入硅單晶,它處于硅晶格的間隙位置,形成Si-O-Si結(jié)構(gòu),它對硅的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。但是,一旦經(jīng)過熱處理,則發(fā)生下列反應(yīng)：電活性中間產(chǎn)物對硅的電學(xué)特性有影響。[SiO4]+基團(tuán)是施主中心，其能級位于導(dǎo)帶下0.13eV和0.3eV。溫度升高至(600-800℃)，[

SiO4]+消失，又出現(xiàn)與二氧化硅相結(jié)合的強(qiáng)烈依賴于碳的施主態(tài)帶電復(fù)合體。在更高的溫度下，二氧化硅析出，形成二氧化硅沉淀。采用650℃以上的高溫對單晶進(jìn)行退火,并急速冷卻通過400-450℃，有助于消除電活性熱施主中心。①非金屬雜質(zhì)第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一硅中氧易聚集金屬雜質(zhì)，使材料呈現(xiàn)較大的偽壽命,一旦經(jīng)過熱處理，材料呈現(xiàn)較小的真實壽命。氧的沉積還會引起氧化誘生堆垛層錯，影響硅器件的特性，如闊值電壓、飽和壓降、電流放大系數(shù)、特征頻率等。硅中氧的含量和氧沉積團(tuán)的形態(tài)對硅單晶的力學(xué)性質(zhì)有明顯影響。氧含量較高時,機(jī)械強(qiáng)度隨氧含量的升高而降低;在氧含量較低時,機(jī)械強(qiáng)度則隨氧含量的升高而增強(qiáng)。碳在硅中以非電活性的替位形式存在。高氧含量容易產(chǎn)生碳沉積，并形成電活性的碳化硅。另外，碳的沉積是旋渦缺陷產(chǎn)生的因素之一，碳在硅中還會減小硅的晶格常數(shù)，引起晶格畸變，使器件產(chǎn)生大的漏電和擊穿電壓下降。第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一②重金屬雜質(zhì)

重金屬雜質(zhì)在硅中行為較為復(fù)雜，重金屬雜質(zhì)中對硅單晶影響最嚴(yán)重的是鐵、銅，這些有害雜質(zhì)來源于單晶爐和熔硅原料，它們除引入復(fù)合中心、減小載流子壽命外，還容易在位錯、微缺陷和氧沉積團(tuán)處聚集，形成重金屬雜質(zhì)沉積線或沉積微粒，使器件產(chǎn)生等離子體擊穿、pn結(jié)漏電“管道”等現(xiàn)象。③金屬雜質(zhì)

鈉、鉀等堿金屬雜質(zhì)是半導(dǎo)體器件制造中最忌諱的有害雜質(zhì)。這類雜質(zhì)由于離子半徑較小,一般處于硅中間隙位置,會在硅單晶中引入淺能級中心,參與導(dǎo)電。而微量的鋁雜質(zhì)引入，會對n型材料的摻雜起補(bǔ)償作用。第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

由于單晶材料的質(zhì)量還無法完美地滿足微電子器件的要求,加之材料中的缺陷和有害雜質(zhì)是工藝誘生缺陷的主要核化中心,因此必須通過單晶生長過程中的質(zhì)量控制和后續(xù)處理來提高單晶的質(zhì)量,使單晶材料趨于完美。減少單晶材料缺陷和有害雜質(zhì)的后續(xù)處理方法通常采用吸除技術(shù)。吸除技術(shù)主要有物理吸除、溶解度增強(qiáng)吸除和化學(xué)吸除。目前應(yīng)用最廣泛的是物理吸除。1.3.3對單晶材料的基本要求及其完美化工藝

第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一物理吸除的基本過程:在高溫中,將晶體缺陷和雜質(zhì)沉積團(tuán)解體,并以原子態(tài)溶于晶體中,然后再使它們運動至有源區(qū)以外,或被俘獲或被揮發(fā)。幾種物理吸除方法：(l)本征吸除：在硅片內(nèi)引入一些缺陷,以此吸除在表面附近的雜質(zhì)和缺陷。一般采用l050～1100℃(N2)/650～700C(02)℃/1050～1100℃(02)多步熱處理來吸雜。(2)背面損傷吸除：通過在晶片背面引人損傷層,經(jīng)熱處理,損傷層在背面誘生大量位錯缺陷,從而將體內(nèi)有害雜質(zhì)或微缺陷吸引至背面。引入損傷層的辦法有噴砂、離子注入、激光輻照等。(3)應(yīng)力吸除：在晶片背面引人彈性應(yīng)力，在高溫下，應(yīng)力場使體內(nèi)有害雜質(zhì)和缺陷運動至應(yīng)力源處，從而“清潔”晶片體內(nèi)。引人應(yīng)力的辦法有在背面沉積氮化硅、多晶硅或其它熱膨脹系數(shù)與晶片不匹配的薄膜層。(4)擴(kuò)散吸除：在有源區(qū)外進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散，利用雜質(zhì)與硅原子半徑的差異引人大量失配位錯，從而將有害雜質(zhì)和缺陷聚集于失配位錯，消除有源區(qū)的缺陷。第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一也可將幾種方法組合在一起進(jìn)行有害雜質(zhì)吸除。如在硅片背面沉積磷硅玻璃(PSG)或硼硅玻璃(BSG)，在高溫下，高濃度磷或硼向晶片背面層擴(kuò)散，引入失配位錯，同時硅和PSG,BSG熱膨脹系數(shù)的不匹配引入應(yīng)力場，在雙重因素作用下，達(dá)到吸除有害雜質(zhì)和缺陷的目的。但吸除技術(shù)是采取的補(bǔ)救措施或?qū)尉з|(zhì)量完善的過程，這并不意味著VLSI、ULSI對單晶材料質(zhì)量要求的降低。單晶完美化的根本方法還是控制和提高生產(chǎn)過程中單晶材料的質(zhì)量。第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.4硅中雜質(zhì)第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.5雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度第30頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.6微電子加工環(huán)境1.6.1環(huán)境對成品率的影響1.6.2超凈空間環(huán)境要求1.6.3超純水1.6.4超純氣體和超純試劑1.7襯底材料1.7.1IC與硅材料1.7.2大直徑單晶制備1.8襯底制備1.8.1單晶的整形和定向1.8.2晶片加工第31頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

微電子加工環(huán)境是指微電子產(chǎn)品在加工過程中所接觸的除單晶材料、加工設(shè)備及加工技術(shù)之外的一切物質(zhì)。

微電子器件加工水平進(jìn)入亞微米階段后,不僅涉及到微細(xì)加工等各種高、精、尖技術(shù),而且對加工環(huán)境也提出了十分苛刻的要求。任何塵埃(200－300mm硅單晶片在22mm×22mm區(qū)域里,尺寸≥1μm顆粒物要控制在<0.2個/cm2）、雜質(zhì)團(tuán)都將破壞加工圖形，產(chǎn)生加工缺陷，任何有害離子(如Na+）的引入,都有可能改變器件特性,影響器件的可靠性。微電子加工技術(shù),除工藝的精細(xì)化、材料的超純化、設(shè)備的精密化特征外,加工環(huán)境的超凈化成為產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的一個重要保障。1.6微電子加工環(huán)境第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一芯片成品率與晶片有效面積、平均缺陷面密度的關(guān)系：1、凈化空氣2、潔凈加工工具和傳輸系統(tǒng)3、超純試劑、氣體4、低溫處理5、減少來自加工人員的污染Πδ＝exp(-SDA）SD－平均缺陷密度A－晶片有效面積減小缺陷的措施：1.6.1環(huán)境污染對成品率的影響第33頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.6.2超凈空間環(huán)境要求

超凈空間環(huán)境包括對空氣、人員、設(shè)備、工具等引入加工空間的塵埃、油脂、煙霧等任何可動微粒的要求。（1）凈化標(biāo)準(zhǔn)

衡量空間環(huán)境潔凈程度的主要技術(shù)指標(biāo)是潔凈度等級,我國將潔凈室空氣潔凈度分為四個等級。隨著微電子加工進(jìn)入亞微米尺度，對加工環(huán)境提出了更高的要求。主要體現(xiàn)在,對塵粒粒徑要求按0.1μm計數(shù)，增加l級和10級潔凈度等級(每立方米空氣中計數(shù)粒子數(shù)分別小于35個和350個）。VLSI工藝中，光刻、制版等加工,潔凈度一般為10級。第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一（2）凈化及凈化設(shè)備

凈化環(huán)境的主要措施是凈化進(jìn)入加工空間的空氣及避免人員及設(shè)備將塵埃帶入加工空間。潔凈環(huán)境主要有潔凈室和局部凈化區(qū)兩種形式。凈化空氣的過程有過濾、驅(qū)趕、收集塵埃幾個步驟。潔凈室按氣流方式可分為:垂直層流式、水平層流式和亂流式。

局部凈化是指在加工空間的某一區(qū)域進(jìn)行凈化處理,以便實現(xiàn)局部環(huán)境的高度潔凈。局部凈化設(shè)施主要有:凈化工作臺、凈化通道、風(fēng)淋室等。潔凈室空氣凈化系統(tǒng)構(gòu)成第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一超純水：雜質(zhì)含量極低的水。主要用于清洗和化學(xué)試劑的配制，主要用于晶片、石英器皿、夾具等的清洗以及化學(xué)試劑的配制，是微電子加工必不可少的輔助材料。并隨微電子加工尺寸的縮小，要求越來越高。制備方法：離子交換、電滲析和反滲透。1.6.3超純水第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.6.4超純氣體及化學(xué)試劑（1）超純氣體氣體中的有害雜質(zhì)除污染晶片外,更為嚴(yán)重的是會破壞器件結(jié)構(gòu)。例如,氧化過程中,氧氣中氮含量過高,將導(dǎo)致在預(yù)定時間內(nèi)生成的氧化層偏薄,使氧化層耐壓下降等現(xiàn)象產(chǎn)生。微電子加工最常用的化學(xué)氣體有氧、氮、氫、氬四種氣體。還使用一些特殊氣體，例如硅烷、磷烷、四氟化碳、氨氣、氯化氫等,在這些氣體中的有害雜質(zhì)含量只能在10-6數(shù)量級。氣體純度：VLSI加工中,外延用氫氣純度高達(dá)99.99999%。在使用前，化學(xué)氣體還需就地進(jìn)一步提純。提純方法：分子篩、催化劑、玻璃濾球等對氣體過濾、去雜；氣體管道、連接附件采用不銹鋼管、氟橡膠密封圈等。第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一（2）化學(xué)試劑純度要求

化學(xué)試劑的純度分為化學(xué)純、分析純、優(yōu)級純(特級純〉、電子純和MOS純。微電子加工用的超純試劑一般為電子純和MOS純。這一類試劑中不溶性雜質(zhì)、重金屬雜質(zhì)、堿金屬雜質(zhì)含量極低,甚至低達(dá)10-9數(shù)量級。試劑純度與盛放容器有關(guān)，一般用聚乙烯、聚四氟乙烯或高純石英器皿、夾具。第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.7.1襯底材料

集成電路的襯底材料主要有:①元素半導(dǎo)體,如硅、鍺；②化合物半導(dǎo)體,如砷化鎵、磷化銦；③絕緣體,如藍(lán)寶石、尖晶石等。但硅單晶材料仍然是目前最主要的襯底材料。

1.7襯底材料及其制備第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

IC規(guī)模增大對硅單晶的要求

為了適應(yīng)VLSI電路芯片面積不斷增大及提高生產(chǎn)效率的要求,硅晶片直徑逐年增大。隨著器件圖形尺寸的縮小,任何微小的缺陷都會影響器件特性,如耐壓、PN結(jié)反向漏電流、閾值電壓等；任何微區(qū)的電阻率的波動都會響器件特性的一致性,從而影響電路正常工作,因而對大直徑單晶的生長、加工質(zhì)量提出了更高的要求。Ⅰ、缺陷密度

由于大直徑單晶生長過程中熱場控制、生長過程控制更加復(fù)雜,以及裝料量的增加,晶體生長時固-液界面擾動、雜質(zhì)分凝等造成的微區(qū)不勻現(xiàn)象更為嚴(yán)重,從而使晶體缺陷產(chǎn)生的幾率增大。芯片面積的增大,對缺陷密度的要求更加嚴(yán)格。另外,器件尺寸的縮小,使微缺陷的影響已成為一個不可忽略的重要因素。第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一Ⅱ、參數(shù)的均勻性

大直徑單晶生長過程中,摻雜雜質(zhì)在固-液界面分凝的微區(qū)波動及生長速度的瞬間起伏,將產(chǎn)生單晶電阻率徑向和軸向分布的不均勻性。隨著芯片面積的增大和器件圖形尺寸的縮小,微區(qū)電阻率不均勻?qū)C性能的影響更為顯著,影響IC正常工作。Ⅲ、晶片平整度

由于器件尺寸的縮小及芯片面積的增大，在微細(xì)加工過程中，晶片的翹曲將對圖形加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，使加工圖形畸變變得嚴(yán)重，即使微小的畸變，只要與加工圖形尺寸接近,也會引起器件失效。晶片的翹曲是影響大直徑單晶平整度的主要因素,理論分析表明,晶片直徑愈大、愈容易產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象。欲減少翹曲，必須增加晶片厚度、減小晶片所受的加工應(yīng)力。第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一1.7.2大直徑單晶的制備

微電子器件制造用單晶材料的直徑愈來愈大,大直徑單晶的制備方法主要有：直拉法（CZ）和區(qū)熔法（FZ）。

直拉法是當(dāng)前集成電路最主要的襯底－大直徑硅單晶最常用的制備方法。第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一大直徑單晶制備直拉法（CZ）第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一區(qū)熔法(FZ)

區(qū)熔法:單晶的基本原理是將籽晶與多晶棒緊粘在一起,利用分段熔融多晶棒,在熔區(qū)由籽晶移向多晶另一端的過程中,使多晶轉(zhuǎn)變成單晶體。區(qū)熔法有水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔兩種類型。利用區(qū)熔法可制備硅、鍺、砷化鎵等多種半導(dǎo)體單晶材料。

利用懸浮區(qū)熔法生長硅單晶,氧含量和雜質(zhì)含量很低。經(jīng)過多次區(qū)熔提煉,可獲得低氧高阻單晶。高壓器件常采用區(qū)熔單晶為襯底材料。由于區(qū)熔單晶含氧量低、雜質(zhì)沾污少，近年來，區(qū)熔單晶在VLSI制作中的應(yīng)用愈來愈引人注目。當(dāng)然,區(qū)熔單晶在等徑、微區(qū)電阻率均勻性等方面的特性還不夠理想。第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

性能符合要求的單晶棒必須經(jīng)過加工,形成晶片后才能作為微電子器件的襯底材料。這一加工過程稱之為襯底制備。VLSI不僅對襯底材料內(nèi)在質(zhì)量，而且對襯底的加工質(zhì)量也提出了很高的要求。如表面光潔度、平行度、幾何尺寸及公差等。1.8襯底制備第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一（1）單晶整形

單晶棒存在收肩、放肩部分和尾部。從晶片等徑和電阻率均勻性要求出發(fā),必須去掉這些部分,將單晶棒分段分割。分割下的不合要求的單晶可作為冶金級硅回收,提煉成拉晶用原料。切割單晶棒常用外圓切割機(jī)或帶式切割機(jī)。對于〈100〉晶向的硅單晶,為防止切割時根部破損,常用粘結(jié)劑加熱粘貼石墨條于根部,并使切割速度小于7mm/min。1.8.1單晶整形與定向第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

硅單晶存在外表面毛刺、直徑偏差等現(xiàn)象,需對單晶棒外圓進(jìn)行滾磨整形,使單晶棒直徑達(dá)到要求外圓滾磨包括兩個步驟:用液體研磨料研磨去除表面毛刺，再用砂輪研磨使直徑符合規(guī)格要求。目前,工業(yè)上采用的外圓研磨機(jī)有:帶式無心研磨機(jī)、輪式無心研磨機(jī)、輪式有心研磨機(jī)和杯輪式研磨機(jī)。杯輪式研磨機(jī)

第53頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一（2）晶體定向

微電子器件一般在低指數(shù)面的晶片上制作,而晶體的取向涉及到界面電荷密度的高低、表面復(fù)合速度的大小、埋層圖形的漂移等問題，因此必須對晶體進(jìn)行定向。晶體定向在切割晶片之前進(jìn)行。晶體定向的方法主要有光圖像法、X射線法和解理法。第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一①光圖像法是基于硅晶體各向異性的特點進(jìn)行晶體定向的。晶體端面經(jīng)研磨、擇優(yōu)腐蝕（氫氧化鈉溶液)，使端面上出現(xiàn)許多低指數(shù)小平面構(gòu)成的與晶面具有一定對應(yīng)關(guān)系的小腐蝕坑。利用小腐蝕坑的宏觀對稱性，由正入射的平行光反映出的不同光像可確定對應(yīng)的晶向。②X射線衍射法有勞埃法和轉(zhuǎn)動晶體法兩種,后者是微電子加工中常采用的精密定向方法。

第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一（3）晶面標(biāo)識

硅單晶解理面是{111}面,為了減少硅片在劃片加工時破碎的幾率,要求劃片方向盡可能利用解理面與晶片表面的交線。一般采用(111）面或(100）面。(111）方向是最佳劃片方向。為了識別晶片劃片方位及晶片晶向和導(dǎo)電類型,必須在晶片上做出主、次參考面識別標(biāo)志。在晶體定向后,進(jìn)行晶向標(biāo)識的主、次參考面研磨。第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

晶片加工主要包括單晶切片、磨片、拋光三個基本加工過程。（1）切片

是將已整形、定向、標(biāo)識的單晶材料,按晶片晶向要求切割加工成符合一定規(guī)格要求的薄片。切片的方法分成三類:固定磨粒法、游離磨粒法、加熱升華法。就切割設(shè)備而言,有內(nèi)圓切割法、外圓切割法、帶式往復(fù)切割法、導(dǎo)絲切割法、超聲波切割法和電子束切割法等。1.8.2晶片加工第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)圓切割法是利用金剛砂的機(jī)械磨削作用,將金剛砂粘貼在刀口,經(jīng)磨削將單晶棒切割成所需厚度的晶片。磨削過程會給晶片表面帶來不同程度的損傷。損傷層的厚度一般在40－80μm范圍。對于(111)晶面的硅片,為了防止電路制作中埋層圖形畸變,切片時要向最近的〈110〉方向偏3－50。從單晶尾開始切片,棒尾上翹3－50。主參考面朝外。第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一邊緣倒角

晶片切割后邊緣存在鋒利的棱角,在后續(xù)加工中容易產(chǎn)生碎屑,碎屑會損傷硅片表面、光刻版、或引入針孔等缺陷。另外,受損傷的邊緣在熱處理中易產(chǎn)生位錯,并向晶片中心傳播,再則邊緣存在棱角,光刻膠容易在邊緣堆積,影響光刻膠的均勻性。因此,必須研磨去除晶片邊緣棱角,這一過程稱之為邊緣倒角。第59頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一（2）磨片

切片后的晶片存在表面損傷層及形變,為了去除損傷層,并使晶片厚度、翹曲度等得到修正,常采用研磨方法進(jìn)行進(jìn)一步加工,這一過程稱之為磨片。磨片的方法很多，目前最常用的是行星磨片法,它有單面磨片和雙面磨片兩種方式。行星磨片法要求磨板材料具有較高硬度、很高的平行度和較高的光潔度。行星式結(jié)構(gòu)：上磨盤自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)及下磨盤自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)運動方式,對研磨均勻性十分有利。第60頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一常用的研磨料有氧化鋁、碳化硅、氧化鋯和二氧化硅等。

研磨料的形狀和粒度對研磨質(zhì)量影響很大：（1）形狀：研磨料過于鋒利，研磨表面光潔度差、損傷大，但過于圓滑則磨削速度慢;研磨料粒徑應(yīng)盡可能均勻，少量過大粒徑顆粒的混入會造成表面損傷。（2）粒度：太小則研磨速度慢；粒度過大，造成磨痕過粗過深、研磨片光潔度低，機(jī)械損傷大，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋。

研磨壓力對磨削速度和質(zhì)量也有影響。隨壓強(qiáng)增大,研磨速度加快。過大壓強(qiáng)則又會造成磨料破碎,從而劃傷晶片;壓強(qiáng)太小,則研磨效率低。一般選擇壓強(qiáng)為l0KPa。第61頁，共66頁，2023年，2月20日，星期一

磨片后的晶片表面仍有10－20微米的損傷層,需要進(jìn)一步去除，以提高表面光潔度和平整度，精細(xì)加工前一般要進(jìn)行腐蝕。

①化學(xué)腐蝕：化學(xué)腐蝕的