第一章 襯底制備

集成電路(jíchéng-diànlù)制造技術第一章Si單晶及Si片的制備(zhìbèi)2015年9月11日共三十四頁主要(zhǔyào)內(nèi)容多晶硅的制備(zhìbèi)直拉法制備Si單晶Si片的制備共三十四頁1.1.1半導體材料(cáiliào)的類型1）元素半導體2）化合物半導體3）合金（固溶體）

元素(yuánsù)半導體C（金剛石）,Si,Ge,Sn

晶格結構：金剛石能帶結構：間接帶隙Sn:0.08eVGe:0.67eVSi:1.12eVC:5.50eV1.1多晶Si的制備共三十四頁化合物半導體Ⅲ-Ⅴ族：由ⅢA的B、Al、Ga、In與ⅤA的N、P、As、Sb形成(xíngchéng)，如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15種。Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg與ⅥA族的O、S、Se、Te形成，如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等Ⅳ-Ⅳ族：SiC1.1.1半導體材料(cáiliào)的類型共三十四頁合金(héjīn)半導體二元合金(héjīn)半導體：Si1-xGex、Si1-xCx、Ge1-xSnx三元合金半導體：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、

InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等四元合金半導體：InYGa1-YAsXP1-XandAlYGa1-YAsXSb1-X

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（固溶體）半導體。特點：1）組分可調(diào)；

2）禁帶寬度隨組分連續(xù)可調(diào)；

3）晶格常數(shù)隨組分連續(xù)可調(diào)。1.1.1半導體材料的類型共三十四頁Si半導體的重要性①占地殼重量20%-25%；②單晶直徑(zhíjìng)最大：每3年增加1英吋，目前主流12英寸（300mm），最新18英吋（450mm）；③SiO2:掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)（多

層布線）、絕緣柵、MOS電容的介質(zhì)材料；④多晶硅（Poly-Si）：柵電極、雜質(zhì)擴散源、互

連線（比鋁布線靈活）；共三十四頁1.1.2Si單晶的起始材料--石英巖（高純度硅砂--SiO2）①SiO2+SiC+C→Si(s)+SiO(g)+CO(g),冶金級硅：98%；②Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)（沸點為32℃），利用(lìyòng)分餾法去除雜質(zhì)；③SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，電子級硅（片狀多晶硅）從石英砂到硅錠共三十四頁多晶硅提純(tíchún)

I過濾器冷凝器純化(chúnhuà)器反應室，300℃HClSi硅粉SiHCl3(三氯氫硅

，TGS)純度:99.9999999%(9N)Si(固)+3HCl(氣)－－→SiHCl3(氣)+H2(氣)(220~300℃)SiHCl3：沸點31.5℃Fe、Al和B被去除。共三十四頁多晶硅提純(tíchún)

IIH2液態(tài)(yètài)SiHCl3TGSH2+SiHCl3H2+SiHCl3→Si+3HCl電子級硅多晶硅EGS工藝腔共三十四頁1.2.1直拉法（CZ法）1）拉晶儀①爐子石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐(zhīchēng)和加熱石英坩堝旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；

1.2Si單晶的制備(zhìbèi)共三十四頁柴可拉斯基拉晶儀共三十四頁1）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：逆時針；③環(huán)境(huánjìng)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)

共三十四頁2）拉晶過程(guòchéng)

例，2.5及3英吋硅單晶制備①

熔硅：1415℃調(diào)節(jié)坩堝位置；（注意事項：熔硅時間不易長）②

引晶（下種）籽晶預熱：目的---避免對熱場的擾動(rǎodòng)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；

合適溫度--籽晶與熔硅可長時間接觸，

既不會進一步融化，也不會生長；

共三十四頁2）拉晶過程(guòchéng)③收頸目的：抑制位錯從籽晶向晶體延伸；直徑(zhíjìng)：2-3mm；長度：>20mm；拉速：3.5mm/min

④放肩溫度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；

共三十四頁2）拉晶過程(guòchéng)⑤收肩當肩部(jiānbù)直徑比所需直徑小3-5mm時，提高拉速：2.5mm/min；⑥等徑生長拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在溫度場保持相對固定；⑦收尾熔硅料為1.5kg時，停止坩堝跟蹤。共三十四頁直拉(CZ)法生長(shēngzhǎng)Si單晶示意共三十四頁直拉(CZ)法生長(shēngzhǎng)的Si單晶錠共三十四頁1.2Si單晶的制備(zhìbèi)1.2.2懸浮區(qū)熔法也稱FZ法，float-zone特點(tèdiǎn)：①可重復生長、提純單晶；②

無需坩堝、石墨托，污染少，純度較CZ法高；③

FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點：

單晶直徑不及CZ法。

共三十四頁直拉法vs區(qū)熔法

直拉法，更為(ɡènɡwéi)常用(占75％以上)－便宜－更大的圓片尺寸(400mm已生產(chǎn))－剩余原材料可重復使用－位錯密度：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－位錯密度：103～105cm2共三十四頁1.2Si單晶的制備(zhìbèi)1.2.3水平(shuǐpíng)區(qū)熔法布里吉曼法–GaAs單晶共三十四頁1.3Si片制備(zhìbèi)襯底制備包括：整形(zhěngxíng)、晶體定向、晶面標識、晶面加工。共三十四頁1.3.1硅錠整型處理(chǔlǐ)定位(dìngwèi)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。共三十四頁1.3.2晶體(jīngtǐ)定向

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，如雙極器件：{111}面；MOS器件：{100}面。晶體定向的方法

1）光圖像定向法（參考(cānkǎo)李乃平）

①腐蝕：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、與晶面具有一定對應關系的小腐蝕坑；

②光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對稱性，正入射平行光反映出不同的圖像，從而確定晶面。

共三十四頁光圖像(túxiànɡ)定向法共三十四頁1.3.2晶體(jīngtǐ)定向

2）X射線衍射法方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動晶體法；原理：①入射角θ應滿足(mǎnzú)：nλ=2dsinθ；②晶面米勒指數(shù)h、k、l應滿足：

h2+k2+l2=4n-1（n為奇數(shù)）h2+k2+l2=4n（n為偶數(shù)）共三十四頁1.3.3晶面標識(biāozhì)原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開；硅單晶的解理面：{111}

；1）主參考面（主定位面，主標志面）起識別劃片方向作用；作為硅片（晶錠）機械加工定位的參考面；作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；2）次參考面（次定位面，次標志面）識別晶向和導電(dǎodiàn)類型

共三十四頁Si片晶面標識(biāozhì)示意共三十四頁1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)（參考莊同曾）切片、磨片、拋光1）切片將已整形、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。切片基本決定了晶片的晶向、平行(píngxíng)度、翹度，切片損耗占1/3。共三十四頁切片(qiēpiàn)(WaferSawing)示意晶向標記(biāojì)定位槽鋸條冷卻液硅錠硅錠運動方向金剛石覆層2.2單晶Si制備共三十四頁1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)2）磨片目的：①

使各片厚度一致；②

使各硅片各處(ɡèchǔ)厚度均勻；③

改善平整度。

磨料：

①

要求：其硬度大于硅片硬度。②

種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等共三十四頁1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)3）拋光目的：進一步消除表面缺陷(quēxiàn)，獲得高度平整、光潔及無損層的“理想”表面。方法：機械拋光、化學拋光、化學機械拋光（CMP,chemical-mechanicalpolishing）①

機械拋光:與磨片工藝原理相同，磨料更細（0.1-0.5μm），MgO、SiO2、ZrO；

優(yōu)點：表面平整；缺點：損傷層深、速度慢。共三十四頁1.3.4Si晶片加工(jiāgōng)②化學拋光（化學腐蝕）a.酸性腐蝕典型(diǎnxíng)配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(體積比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO↑+8H2O注意腐蝕溫度：T=30-50℃,表面平滑；T<25℃,表面不平滑。b.堿性腐蝕：KOH、NaOH特點：1）適于大直徑（>75mm）;2）不需攪拌；3）表面無損傷。缺點：平整度差共三十四頁1.3.3晶片加工(jiāgōng)③化學機械拋光（CMP，ChemicalMechanicalPolishing:)現(xiàn)代工藝(gōngyì)采用特點：兼有機械與化學拋光兩者的優(yōu)點。典型拋光液：SiO2+NaOHSi+2NaOH+H2O=Na2S