Si单晶及Si片的制备教学课件PPT.ppt

集成电路制造技术 第一章si单晶及si片的制备2012年8月31日 主要内容 多晶硅的制备直拉法制备si单晶si片的制备 1 1多晶si的制备 1 1 1半导体材料的类型元素半导体 si ge c 金刚石 化合物半导体 gaas sige sic gan zno hgcdte 族 族 族 族 族第2周期bcn第3周期alsips第4周期zngageasse第5周期cdinsnsbte第6周期hgpb si半导体的重要性 占地壳重量20 25 单晶直径最大 目前16英吋 400mm 每3年增加1英吋 sio2 掩蔽膜 钝化膜 介质隔离 绝缘介质 多层布线 绝缘栅 mos电容的介质材料 多晶硅 poly si 栅电极 杂质扩散源 互连线 比铝布线灵活 1 1 2si单晶的起始材料 石英岩 高纯度硅砂 sio2 sio2 sic c si s sio g co g 冶金级硅 98 si s 3hcl g sihcl3 g h2 三氯硅烷室温下呈液态 沸点为32 利用分馏法去除杂质 sihcl3 g h2 si s 3hcl g 电子级硅 片状多晶硅 从石英砂到硅锭 多晶硅提纯i 过滤器 冷凝器 纯化器 反应室 300 sihcl3 三氯氢硅 tgs 纯度 99 9999999 9n si 固 3hcl 气 sihcl3 气 h2 气 220 300 sihcl3 沸点31 5 fe al和b被去除 多晶硅提纯ii 液态sihcl3tgs h2 sihcl3 si 3hcl 工艺腔 1 2 1直拉法 cz法 1 拉晶仪 炉子石英坩埚 盛熔融硅液 石墨基座 支撑和加热石英坩埚旋转装置 顺时针转 加热装置 rf线圈 1 2si单晶的制备 柴可拉斯基拉晶仪 1 拉晶仪 拉晶装置籽晶夹持器 夹持籽晶 单晶 旋转提拉装置 逆时针 环境控制真空系统 气路系统 提供惰性气体 排气系统 电子控制及电源系统 2 拉晶过程 例 2 5及3英吋硅单晶制备 熔硅调节坩埚位置 注意事项 熔硅时间不易长 引晶 下种 籽晶预热 目的 避免对热场的扰动太大 位置 熔硅上方 与熔硅接触 温度太高 籽晶熔断 温度太低 籽晶不熔或不生长 合适温度 籽晶与熔硅可长时间接触 既不会进一步融化 也不会生长 2 拉晶过程 收颈目的 抑制位错从籽晶向晶体延伸 直径 2 3mm 长度 20mm 拉速 3 5mm min 放肩温度 降15 40 拉速 0 4mm min 2 拉晶过程 收肩当肩部直径比所需直径小3 5mm时 提高拉速 2 5mm min 等径生长拉速 1 3 1 5mm min 熔硅液面在温度场保持相对固定 收尾熔硅料为1 5kg时 停止坩埚跟踪 直拉 cz 法生长si单晶示意 直拉 cz 法生长的si单晶锭 1 2si单晶的制备 1 2 2悬浮区熔法也称fz法 float zone特点 可重复生长 提纯单晶 无需坩埚 石墨托 污染少 纯度较cz法高 fz单晶 高纯 高阻 低氧 低碳 缺点 单晶直径不及cz法 直拉法vs区熔法 直拉法 更为常用 占75 以上 便宜 更大的圆片尺寸 400mm已生产 剩余原材料可重复使用 位错密度 0 104cm2区熔法 高纯度的硅单晶 不使用坩锅 电阻率2000w mm 成本高 可生产圆片尺寸较小 150mm 主要用于功率器件 位错密度 103 105cm2 1 2si单晶的制备 1 2 3水平区熔法布里吉曼法 gaas单晶 1 3si片制备 衬底制备包括 整形 晶体定向 晶面标识 晶面加工 1 3 1硅锭整型处理 定位边 参考面 150mm或更小直径 定位槽200mm或更大直径 2 2单晶si制备 截掉头尾 直径研磨和定位边或定位槽 1 3 2晶体定向 晶体具有各向异性器件一般制作在低米勒指数面的晶片上 如双极器件 111 面 mos器件 100 面 晶体定向的方法1 光图像定向法 参考李乃平 腐蚀 要定向的晶面经研磨 腐蚀 晶面上出现许多由低指数小平面围成 与晶面具有一定对应关系的小腐蚀坑 光照 利用这些小腐蚀坑的宏观对称性 正入射平行光反映出不同的图像 从而确定晶面 光图像定向法 1 3 2晶体定向 2 x射线衍射法方法 劳埃法 转动晶体法 原理 入射角 应满足 n 2dsin 晶面米勒指数h k l应满足 h2 k2 l2 4n 1 n为奇数 h2 k2 l2 4n n为偶数 1 3 3晶面标识 原理 各向异性使晶片沿解理面易裂开 硅单晶的解理面 111 1 主参考面 主定位面 主标志面 起识别划片方向作用 作为硅片 晶锭 机械加工定位的参考面 作为硅片装架的接触位置 可减少硅片损耗 2 次参考面 次定位面 次标志面 识别晶向和导电类型 si片晶面标识示意 1 3 4si晶片加工 参考庄同曾 切片 磨片 抛光1 切片将已整形 定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片 切片基本决定了晶片的晶向 平行度 翘度 切片损耗占1 3 切片 wafersawing 示意 晶向标记定位槽 锯条 冷却液 硅锭 硅锭运动方向 金刚石覆层 2 2单晶si制备 1 3 4si晶片加工 2 磨片目的 使各片厚度一致 使各硅片各处厚度均匀 改善平整度 磨料 要求 其硬度大于硅片硬度 种类 al2o3 sic zro sio2 mgo等 1 3 4si晶片加工 3 抛光目的 进一步消除表面缺陷 获得高度平整 光洁及无损层的 理想 表面 方法 机械抛光 化学抛光 化学机械抛光 cmp chemical mechanicalpolishing 机械抛光 与磨片工艺原理相同 磨料更细 0 1 0 5 m mgo sio2 zro 优点 表面平整 缺点 损伤层深 速度慢 1 3 4si晶片加工 化学抛光 化学腐蚀 a 酸性腐蚀典型配方 hf hno3 ch3cooh 1 3 2 体积比 3si 4hno3 18hf 3h3sif6 4no 8h2o注意腐蚀温度 t 30 50 表面平滑 t75mm