微电子工艺(1) - PRINT课件

1、0绪论、1硅衬底1绪论绪论21 1 引言引言早在早在18301830年，科学家已于实验室展开年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。对半导体的研究。 18741874年，电报机、电话和无线电相继年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业的工业电子业的诞生电子业的诞生。3 基本器件的两个发展阶段基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（分立元件阶段（1905190519591959）真空电子管、半导体晶体管真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（集成电路阶段（19591959）SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI、ULSI

2、ULSI、ASICASIC4集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着子产品向着高效能、低消耗、高精度、高稳高效能、低消耗、高精度、高稳定、智能化定、智能化的方向发展。的方向发展。 什么是微电子工艺什么是微电子工艺微电子工艺，微电子工艺，是指用半导体材料制作微电是指用半导体材料制作微电子产品的子产品的方法方法、原理原理、技术技术。不同产品的制作工艺不同，但可将制作工不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个艺分解为多个基本相同基本相同的小单元（工序），的小单元（工序），

3、称为称为单项工艺。单项工艺。不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。序排列组合来实现的。5目的、目的、方法方法微电子工业生产过程图微电子工业生产过程图6前工序前工序后工序后工序npn-Sinpn-Si双极型晶体管芯片工艺流程双极型晶体管芯片工艺流程-硅外延平面工艺举例硅外延平面工艺举例7举例举例n+npn+ebc返回返回3 3 微电子工艺特点及用途微电子工艺特点及用途超净超净 环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，室，ULSIULSI在在100100级超净室制作，超净台达级超净室制作，超净台达1010

4、级。级。超纯超纯 指所用材料方面，如衬底材料，指所用材料方面，如衬底材料，功能性电子功能性电子材料、水、气，工艺材料等；材料、水、气，工艺材料等； SiSi、GeGe单晶纯度达单晶纯度达1111个个9 9。高技术含量高技术含量 设备先进，技术先进。设备先进，技术先进。高精度高精度 光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。上述尺度之上。大批量，低成本大批量，低成本 图形转移技术使之得以实现。图形转移技术使之得以实现。83.1主要特点主要特点:超净室结构和运行原理示

5、意图超净环境超净环境 10113.2 3.2 主要应用主要应用制作微电子分立器件和集成电路制作微电子分立器件和集成电路微机电系统微机电系统 (microelectromechanicol System, MEMS)的所依托的微加工技术的所依托的微加工技术纳米技术，如纳米技术，如光刻光刻图形复制转移工艺，图形复制转移工艺，MBEMBE等等12集成电路集成电路(IC)将发展成为系统芯片将发展成为系统芯片(SoC)- SoCSoC是一个通过是一个通过IP设计复用达到高生产率的软设计复用达到高生产率的软/ /硬硬件协同设计过程件协同设计过程微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和微电子技术与其它领域

6、相结合将产生新的产业和新的学科新的学科，例如，例如MEMS、DNA芯片等芯片等-其核其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。信息处理处理功能。13拓展新的应用领域拓展新的应用领域返回返回4 4 本课程内容本课程内容重点介绍单项工艺重点介绍单项工艺-原理、主要方法，原理、主要方法，及其所依托的基础科学。及其所依托的基础科学。简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技装、测试，以及新工

7、艺、新技术、工艺技术的发展趋势。术的发展趋势。1415第一单元第一单元硅衬底硅衬底1 单晶硅单晶硅结构结构2 硅锭及硅锭及圆片制备圆片制备3 外延外延基本单项基本单项工艺工艺第二单元第二单元氧化与掺氧化与掺杂杂第三单元第三单元薄膜制备薄膜制备第四单元第四单元光刻技术光刻技术4 氧化氧化5 扩散扩散6 离子离子注入注入7 CVD8 PVD9 光刻光刻10 现代光现代光刻技术刻技术11 刻蚀刻蚀第五单元第五单元工艺集成和工艺集成和测试封装测试封装12 金属化金属化与多层互连与多层互连13 工艺工艺集成集成14 测试测试封装封装课程内容框架图教材与参考书教材与参考书王蔚王蔚 等等集成电路制造技术集成

8、电路制造技术-原理与工原理与工艺艺(修订版）电子工业出版社修订版）电子工业出版社 2013关旭东关旭东 硅集成电路工艺基础硅集成电路工艺基础北京大北京大学出版学出版 2003Stephen A. C.微电子制造科学原理与微电子制造科学原理与工程技术工程技术电子工业出版社，电子工业出版社，2003清华大学清华大学集成电路工艺集成电路工艺多媒体教学多媒体教学课件课件 200116第一单元第一单元 硅硅 衬衬 底底 第第1 1章章 单晶硅特性单晶硅特性 第第2 2章章 硅片的制备硅片的制备 第第3 3章章 外延外延17第第1 1章章 单晶硅特性单晶硅特性1.1 1.1 硅晶体的结构特点硅晶体的结构特

9、点1.2 1.2 硅晶体缺陷硅晶体缺陷1.3 1.3 硅晶体中杂质硅晶体中杂质18 1.1 硅晶体的结构特点硅晶体的结构特点硅是微电子工业中应硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材用最广泛的半导体材料，占整个电子材料料，占整个电子材料的的9595左右，人们对左右，人们对它的研究最为深入，它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是成电路中基本上都是使用硅材料。使用硅材料。19硅四面体结构硅四面体结构键角：键角：109281 1、硅、锗、砷化镓电学特性比较、硅、锗、砷化镓电学特性比较20禁带宽度（eV）1.120.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/

10、Vs）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/Vs）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.4510102.410189.0106本征电阻率（cm）2.310547108锗应用的最早，现只有一些分立器件采用；锗应用的最早，现只有一些分立器件采用；GaAsGaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速是中等集成度的高速ICIC，及超过，及超过GHzGHz的模拟的模拟ICIC使用，以及光电器件使用，以及光电器件从电学特性看硅并无多少优势从电学特性看硅并无多少优势, ,但在其它方面但在其它方面有许多优越性能。有许多优越性能。21硅作为

11、电子材料的优点：硅作为电子材料的优点：原料充分；原料充分；硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；重量轻，密度只有重量轻，密度只有2.33g/cm3；热学特性好，线热膨胀系数小，热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/ ，热导率高，热导率高，1.50W/cm；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；机械性能良好。机械性能良好。222 2、硅晶胞、硅晶胞晶格常数：晶格常数：=5.4305原子密度：原子密度：8/a3=5*1022 cm-3原

12、子半径：原子半径：rSi=3a/8=1.17空间利用率：空间利用率：金刚石结构的面心立方体金刚石结构的面心立方体34. 034833arVnv1.2 1.2 硅晶向、晶面和堆积模型硅晶向、晶面和堆积模型24硅的几种常用晶向的原子分布图硅的几种常用晶向的原子分布图晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记晶列方向用晶列方向用晶向指数晶向指数, 记为记为m1m2m3 。用用表示等价的晶向表示等价的晶向.1/a1.41/a1.15/a1、晶向、晶向cab110111100001立方晶格的晶向

13、指数立方晶格的晶向指数100110a111a2a3R=m1x+m2y+m3z晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面晶面。用晶面指数用晶面指数(h1h2 h3)标记。如（标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为面表示为100立方晶系的立方晶系的100晶向和晶向和(100)面是垂直的。面是垂直的。25立方晶系立方晶系的几种主的几种主要晶面要晶面硅晶面硅晶面26硅常用晶面上原子分布硅常用晶面上原子分布Si面密度面密度: (100) 2/a2(110) 2.83/a2(111) 2.3

14、/a2面心立方晶格面心立方晶格27在在111晶向是立方密积，晶向是立方密积，(111)面是密排面面是密排面硅晶体为双层立方密积结构硅晶体为双层立方密积结构硅单晶由两套面心立方结构套构而硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面成，有双层密排面AABBCCAABBCC双层密排面：原子距离最近，结合双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为表面成为111111晶面的趋势。晶面的趋势。两层双层密排面之间：原子距离最两层双层密排面之间：原子距离最远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这远，结合

15、脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着容易沿着111111晶面劈裂，这种易劈晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的裂的晶面称为晶体的解理面解理面。 28解理面解理面（111111）面为解理面，即为天然易破裂面。实际）面为解理面，即为天然易破裂面。实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。（100100）面与（）面与（111111）面相交成矩形，（）面相交成矩形，（100100）面硅片）面硅片破裂时裂纹是呈矩形的；破裂时裂纹是呈矩形的；（111111）面和其它（）面和其它（111111）面相交呈三角形，因此）

16、面相交呈三角形，因此（111111）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，呈）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，呈6060角。角。硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的硅片作为衬底材料。面的硅片作为衬底材料。 29第一次课问题：第一次课问题：微电子工艺的主要特点?硅成为IC最主要的衬底材料的原因？在微电子工艺中常采用的硅晶向（面）？硅的双层密排面是指哪个面？它的结构特点及主要特性？301.2 1.2 硅晶体缺陷硅晶体缺陷在高度完整的单晶硅片中，实际也存在缺在高度完整的单晶硅片中，实

17、际也存在缺陷。有：陷。有：零维零维-点缺陷、点缺陷、一维一维-线缺陷、线缺陷、二、三维二、三维-面缺陷和体缺陷面缺陷和体缺陷晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。311.2.11.2.1 点缺陷点缺陷本征缺陷本征缺陷空位空位 A，A+、A - 、A 2-自间（填）隙原子自间（填）隙原子B弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷杂质缺陷杂质缺陷替位杂质替位杂质C填隙杂质填隙杂质D32kTEveNN/00kTEEivvivenpNN/00杂质缺陷是非本征点缺陷，是指硅晶体杂质缺陷是非本征点缺陷，是指硅晶体中的外来原子。中的外来原子。 填隙杂质应尽量避免，它破

18、坏了晶格的完整填隙杂质应尽量避免，它破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大；学性质影响不大；替位杂质通常是有意掺入的杂质。例如，硅替位杂质通常是有意掺入的杂质。例如，硅晶体中掺入晶体中掺入、族替位杂质，目的是调节族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属硅晶体的电导率；掺入贵金属AuAu等，目的是等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命。子寿命。331.2.21.2.2 线缺陷线缺陷线缺陷最常见的就是线缺陷最常见的就是位错位错。位错附近，原。位错附近，原子排列偏离了严格

19、的子排列偏离了严格的周期性，相对位置发周期性，相对位置发生了错乱。生了错乱。位错可看成由位错可看成由滑移滑移形形成，滑移后两部分晶成，滑移后两部分晶体重新吻合。在交界体重新吻合。在交界处形成位错。用处形成位错。用滑移滑移矢量矢量表征滑移量大小表征滑移量大小和方向。和方向。34123BA缺陷附近共价键被压缩1、拉长2、悬挂3，存在应力刃位错和螺位错刃位错和螺位错位错主要有刃位错和螺位位错主要有刃位错和螺位错：位错线与滑移矢量垂错：位错线与滑移矢量垂直称直称刃位错；刃位错；位错线与滑位错线与滑移矢量平行，称为移矢量平行，称为螺位错螺位错。硅晶体的硅晶体的双层密排面双层密排面间原间原子价键密度最小，

20、结合最子价键密度最小，结合最弱，滑移常沿弱，滑移常沿111面发生，面发生，位错线也就常在位错线也就常在111晶面晶面之间。该面称为之间。该面称为滑移面。滑移面。35刃形位错的运动刃形位错的运动36攀移攀移滑移滑移1.2.31.2.3 面缺陷和体缺陷面缺陷和体缺陷面缺陷主要是面缺陷主要是由于原子堆积由于原子堆积排列次序发生排列次序发生错乱，称为堆错乱，称为堆垛层错，简称垛层错，简称层错层错。 体缺陷是杂质体缺陷是杂质在晶体中沉积在晶体中沉积形成；晶体中形成；晶体中的空隙也是一的空隙也是一种体缺陷。种体缺陷。 37缺陷的产生及结团缺陷的产生及结团缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够缺陷是存在

21、应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种：诱导缺陷的应力主要有三种：存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力，诱生位错；热塑性应力，诱生位错；晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷；大小不同，形成内部应力诱生缺陷；硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。结团现象结团现象 高浓度低维缺陷倾向于集

22、聚，形成更高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量。高维缺陷，释放能量。38缺陷的去除缺陷的去除 缺陷在器件的有源区影应响其性能，缺陷在器件的有源区影应响其性能，必须设法使之减少。必须设法使之减少。单晶生长时的工艺控制；单晶生长时的工艺控制；非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；来吸杂；本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。391.3 1.3 硅中杂质硅中杂质半导体材料多以掺杂混合物状态出现，半导体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质有杂

23、质有故意掺入故意掺入的和的和无意掺入无意掺入的。的。故意掺入故意掺入SiSi中的杂质，如中的杂质，如、V V族具族具有有电活性的电活性的杂质杂质, ,或或AuAu等等能改变硅晶能改变硅晶体的某种特性的杂质。体的某种特性的杂质。无意掺入无意掺入SiSi中的杂质有氧，碳等。中的杂质有氧，碳等。40Si中杂质类型中杂质类型间隙式杂质间隙式杂质 主要是主要是族元素，有：族元素，有：Na、K、Li、H等，等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。快。替位式杂质替位式杂质 主要是主要是和和族元素，具有电活性，在硅族元素，具有电活性，在硅中有较高

24、的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。间隙间隙替位式杂质替位式杂质 大多数过渡元素：大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。411.3.11.3.1 杂质对杂质对SiSi电学特性的影响电学

25、特性的影响、V V族族电活性电活性杂质主要有：硼、杂质主要有：硼、磷、砷，锑等磷、砷，锑等浅浅能级杂质能级杂质金等杂质在室温金等杂质在室温时难以电离，多时难以电离，多数无电活性，是数无电活性，是复合中心复合中心，具有，具有降低硅中载流子降低硅中载流子寿命的作用，是寿命的作用，是深能级杂质深能级杂质42束缚电子束缚电子自由电子自由电子P+PDCDEE 施主电离能施主电离能 空穴空穴BB受主电离能受主电离能 vAAEE 硅晶体中杂质能级和电离能硅晶体中杂质能级和电离能43硅的电阻率硅的电阻率- -掺杂浓度曲线掺杂浓度曲线不同类型杂质对导电不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象能力相互抵消的现象叫叫杂

26、质补偿杂质补偿。硅中同时存在磷和硼，硅中同时存在磷和硼，若磷的浓度高于硼，若磷的浓度高于硼，那么这就是那么这就是N N型硅。型硅。不过导带中的电子浓不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度并不等于磷杂质浓度，因为电离的电子度，因为电离的电子首先要填充受主，余首先要填充受主，余下的才能发送到导带。下的才能发送到导带。1.3.2 固溶度和相图固溶度和相图一种元素一种元素B(B(溶质溶质) )引入到另一种元素引入到另一种元素A(A(溶剂溶剂) )晶体晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有中时，在达到一定浓度之前，不会有新相新相产生，仍保持原产生，仍保持原A A晶体结构，这样的晶晶体结构，这样的晶体称为体

27、称为固溶体固溶体。一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质度，这一平衡浓度就称为该杂质B B在晶体在晶体A A中中的的固溶度固溶度。45一、固溶度一、固溶度固溶体固溶体固溶体主要可分为两类：固溶体主要可分为两类： 替位式固溶体替位式固溶体和和间隙式固溶体间隙式固溶体。 Si中中、V族杂质形成替位式有限固溶体。族杂质形成替位式有限固溶体。替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：原子半径相差小于原子半径相差小于15，称，称“有利几何因素有利几何因素” r：Si ：1.17, B ：0.89, P ：1.

28、10 ；原子外部电了壳层结构相似；原子外部电了壳层结构相似；晶体结构也应相似。晶体结构也应相似。46硅晶体中杂质的固溶度硅晶体中杂质的固溶度掺杂浓度可掺杂浓度可以超过固溶以超过固溶度度。给含杂质原给含杂质原子的硅片加子的硅片加热，再快速热，再快速冷却，杂质冷却，杂质浓度可超出浓度可超出其固溶度的其固溶度的1010倍以上倍以上。47二、相图知识二、相图知识48相图相图是用来讨论混合物体系性质的一种图示是用来讨论混合物体系性质的一种图示方法。方法。相相指的是物质存在的一种状态。用一组均匀指的是物质存在的一种状态。用一组均匀的性质来表征。的性质来表征。相图与大气压也有关，微电子工艺大多是常相图与大气

29、压也有关，微电子工艺大多是常压工艺，一般只使用常压状态的相图。压工艺，一般只使用常压状态的相图。 49相图的构成相图的构成：由两条曲线：由两条曲线将相图分为三个区。左右将相图分为三个区。左右两端点分别为组元的熔点。两端点分别为组元的熔点。上面的一条曲线称为上面的一条曲线称为液相液相线线，液相线之上为液相的，液相线之上为液相的单相区，常用单相区，常用L L表示；下表示；下面的一条曲线称为面的一条曲线称为固相线固相线，固相线之下为固溶体的单固相线之下为固溶体的单相区，常用相区，常用表示；两条表示；两条曲线之间是曲线之间是双相区双相区，标记，标记L+L+表示。表示。 二元匀晶相图二元匀晶相图两相平衡

30、时的数量分配规律杠杆规则两相平衡时的数量分配规律杠杆规则50合金合金x，T1时，两相并存。过时，两相并存。过x点作水平线交液相线点作水平线交液相线a点和固点和固相线相线c点，经热力学证明点，经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和点的成分分别为平衡的液体和固体的成分固体的成分设设mL、m 分别为两相的数分别为两相的数量，量，由质量守恒定律可推由质量守恒定律可推导出：导出：一般用占总体数量的百分比一般用占总体数量的百分比的相对值来表示。的相对值来表示。把把axcaxc当成一杠杆，则满足当成一杠杆，则满足杠杆力的平衡原理，所以称杠杆力的平衡原理，所以称之为之为杠杆规则杠杆规则。杠杆规则适用所有

31、两相平衡杠杆规则适用所有两相平衡连续性固溶体：锗连续性固溶体：锗- -硅相图硅相图51硅硅-锗可完全互溶，又称为锗可完全互溶，又称为同晶体同晶体系系，用杠杆规则计算各组分量，用杠杆规则计算各组分量LS1414938.3结晶区结晶区T1T2CmClCSLSSMLLSMWCCLWCCS铝-硅体系相图 纯铝的熔点是纯铝的熔点是660660，纯硅的，纯硅的熔点是熔点是14171417，在，在硅熔体中掺入铝，硅熔体中掺入铝，或在铝熔体中掺或在铝熔体中掺入硅，熔体的凝入硅，熔体的凝固点都下降，凝固点都下降，凝固点最小值为固点最小值为577577，这一点，这一点称为称为共晶点共晶点，这，这一点的组分称为一点

32、的组分称为共晶组成，共晶共晶组成，共晶点硅原子占原子点硅原子占原子总数的总数的11.3%11.3%。 52砷砷- -硅体系相图硅体系相图两种中间化合物：两种中间化合物：SiAsSiAs和和SiAsSiAs2 2。有三个体系，。有三个体系，Si-Si-SiAsSiAs，SiAs-SiAsSiAs-SiAs2 2，SiAsSiAs2 2- -AsAs。有一重量比为有一重量比为86%As86%As熔融体熔融体从高温开始冷却。在温度从高温开始冷却。在温度达达10201020时，固体时，固体SiAsSiAs从从熔体中结晶出来，熔体成熔体中结晶出来，熔体成为富砷相，直到温度降至为富砷相，直到温度降至944

33、944，这时液相组成为，这时液相组成为90%As+10%Si90%As+10%Si。温度继续下。温度继续下降时，固体的降时，固体的SiAsSiAs与一些与一些剩余的熔体结合形成液体剩余的熔体结合形成液体+SiAs+SiAs2 2相，相，SiAsSiAs被包在被包在SiAsSiAs2 2中。当温度降至中。当温度降至786786，SiAsSiAs2 2和和相都从相都从液相析出。该体系称液相析出。该体系称包晶包晶体系体系。（Si）53第二章第二章 硅片的制备硅片的制备2.1 多晶硅的制备多晶硅的制备2.2 单晶硅生长单晶硅生长 2.3 硅片制造硅片制造542.1 2.1 多晶硅的制备多晶硅的制备制备

34、多晶硅，是采用地球上最普遍的原制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过通过冶炼冶炼获得多晶硅，再经一系列化学获得多晶硅，再经一系列化学的、物理的的、物理的提纯提纯就制出半导体纯度的多就制出半导体纯度的多晶硅。晶硅。电子级多晶硅纯度可达电子级多晶硅纯度可达11N11N。55冶炼是采用木炭或其它含碳物质如煤、焦冶炼是采用木炭或其它含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的含量在油等来还原石英砂，得到硅，硅的含量在98-9998-99之间，称为冶金级硅，也称为粗硅之间，称为冶金级硅，也称为粗硅或硅铁。或硅铁。 SiO2+2C

35、Si+ 2CO主要杂质：主要杂质：FeFe、AlAl、C C、B B、P P、Cu Cu 要进一步提要进一步提纯。纯。 561600-18002.1.2 2.1.2 提纯提纯酸洗酸洗 硅不溶于酸，粗硅初步提纯是用硅不溶于酸，粗硅初步提纯是用HCl、 H2SO4、王王水、水、HFHF等混酸泡洗至等混酸泡洗至i含量含量99.7%99.7%以上。以上。化学提纯化学提纯 蒸馏提纯蒸馏提纯 利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯来对其进行提纯 。物理提纯物理提纯 Si + 3HCl SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 SiCl4分解分解 氢

36、气易于净化，且在氢气易于净化，且在SiSi中溶解度极低，因此，多用中溶解度极低，因此，多用H H2 2来还原来还原SiHCl3和和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。晶硅。 SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 572.2 单晶硅生长单晶硅生长采用熔体生长法采用熔体生长法制备单晶硅棒制备单晶硅棒多晶硅多晶硅熔体硅熔体硅单晶硅棒单晶硅棒 按制备时有无使用按制备时有无使用坩埚坩埚又分为两类又分为两类有坩埚的：直拉法、磁控直拉法；有坩埚的：直拉法、磁控直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法无坩埚的：悬浮区熔法 。 5

37、82.2 2.2 内容内容2.2.12.2.1 直拉法直拉法-Czochralski, CZ法法19181918年，切克劳斯基（年，切克劳斯基（J. CzochralskiJ. Czochralski）从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。 在在2020世纪世纪5050年代初期，年代初期，G. K. TealG. K. Teal和和J. J. B. LittleB. Little采用类似的方法从熔融硅中拉采用类似的方法从熔融硅中拉制出了单晶硅锭，开发出直拉法生长单制出了单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。晶硅锭技术。 目前拉制的单晶硅锭直径已可达目前拉制的单晶硅锭

38、直径已可达450mm450mm，1818英寸。英寸。 60具体直拉方法具体直拉方法61在坩埚中放入多晶硅，在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当个夹头夹住一块适当晶向的晶向的籽晶籽晶，将它悬，将它悬浮在坩埚上，拉制时，浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上化，然后再缓慢向上提拉，这时在液提拉，这时在液- -固固界面经过逐渐冷凝就界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。形成了单晶。1 1、CzCz法单晶炉法单晶炉四部分组成：四部分组成：炉体部分炉体部分 有坩埚、水有坩埚、水冷装置和拉杆等机械冷装置和拉杆等机械传动部分；传动部分；加热控

39、温系统加热控温系统 有光学有光学高温计、加热器、隔高温计、加热器、隔热装置等；热装置等；真空部分真空部分 有机械泵、有机械泵、扩散泵、测真空计等；扩散泵、测真空计等；控制部分控制部分 电控系统等电控系统等 62TDR-ATDR-A型单晶炉照片型单晶炉照片2 2、CZCZ法工艺流程法工艺流程准备：准备：腐蚀多晶腐蚀多晶- -准备籽晶准备籽晶- -装炉装炉- -真空操作真空操作 开炉：开炉：升温升温- -水冷水冷- -通气通气 生长：生长：引晶引晶- -缩晶缩晶- -放肩放肩- -等径生长等径生长- -收尾收尾 引晶引晶是将是将籽晶籽晶与熔体很好的接触与熔体很好的接触 缩晶缩晶是籽晶与晶锭间缩颈至

40、是籽晶与晶锭间缩颈至2-3mm2-3mm 放肩放肩是将晶体直径放大至需要的尺寸是将晶体直径放大至需要的尺寸等径生长等径生长是在拉杆与坩埚反向匀速转动的同时以是在拉杆与坩埚反向匀速转动的同时以一定速度一定速度提拉提拉，制出等径单晶，制出等径单晶收尾收尾是结束单晶生长是结束单晶生长。 停炉：降温停炉：降温- -停气停气- -停止抽真空停止抽真空- -开炉开炉63籽晶的作用籽晶的作用 籽晶是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶有相同的晶向；籽晶有相同的晶向；籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小熔体向晶体转化时必须克服的能垒减小

41、熔体向晶体转化时必须克服的能垒（即界面势垒）（即界面势垒）。籽晶对晶锭质量有影响，所选籽晶应晶格籽晶对晶锭质量有影响，所选籽晶应晶格完好，表面无划痕、无氧化物完好，表面无划痕、无氧化物64缩颈的作用缩颈的作用缩颈能终止拉单晶初期籽晶中缩颈能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有只有2-3mm2-3mm的颈部表面时就终的颈部表面时就终止了。止了。为保证拉制的硅锭晶格完整，为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。可以进行多次缩颈。65缩颈作用示意图缩颈作

42、用示意图提拉速度控制提拉速度控制晶锭的拉升速度、转速，坩埚转速及温度决定着晶晶锭的拉升速度、转速，坩埚转速及温度决定着晶体直径的大小，通常坩埚转速及温度是一定的，因体直径的大小，通常坩埚转速及温度是一定的，因此此用提拉速度控制晶体直径用提拉速度控制晶体直径。晶锭质量对提拉速度也很敏感，在靠近熔体处晶体晶锭质量对提拉速度也很敏感，在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。点缺陷结团点缺陷结团后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。典型的拉杆提拉速度一般

43、在典型的拉杆提拉速度一般在10m/s10m/s左右。左右。66直拉法生长单晶硅，坩埚污染影响大：直拉法生长单晶硅，坩埚污染影响大：氧的引入：氧的引入：SiOSiO2 2Si+OSi+O2 2多采用液相掺杂，受杂质分凝、杂质蒸发影多采用液相掺杂，受杂质分凝、杂质蒸发影响掺杂浓度的均匀性较差。响掺杂浓度的均匀性较差。纵向纵向 考虑杂质分凝考虑杂质分凝横向横向 温度场温度场 673 3、CZCZ法缺点法缺点CZ法熔料中环流形成法熔料中环流形成熔体表面中心处温度最低，坩熔体表面中心处温度最低，坩埚壁面和底部温度最高。熔体埚壁面和底部温度最高。熔体的温度梯度带来密度梯度，坩的温度梯度带来密度梯度，坩埚壁

44、面和底部熔体密度最低，埚壁面和底部熔体密度最低，表面中心处熔体密度最高。地表面中心处熔体密度最高。地球重力场的存在使得坩埚上部球重力场的存在使得坩埚上部密度高的熔体向下，而底部、密度高的熔体向下，而底部、壁面密度低的熔体向上流动，壁面密度低的熔体向上流动，形成自然对流。形成自然对流。熔体流动的危害：熔体流动的危害： 1 1）引起生长条纹的产生，）引起生长条纹的产生，有损晶体均匀性；有损晶体均匀性； 2 2）对流使坩埚中的氧进到）对流使坩埚中的氧进到熔体表面，使晶体中氧量增加。熔体表面，使晶体中氧量增加。 68第二次课问题：点缺陷主要有哪几种？点缺陷主要有哪几种？解释杂质的电活性？若掺入解释杂质

45、的电活性？若掺入AuAu后硅的电阻率后硅的电阻率并未变化，那么这并未变化，那么这AuAu有电活性么？有电活性么？杂质的结团作用是指什么？杂质的结团作用是指什么？固溶度是指什么？固溶度是指什么？69 2.2.2 2.2.2 单晶生长原理单晶生长原理熔体硅熔体硅晶体硅晶体硅晶体生长过程也就是相变过程，是晶体生长过程也就是相变过程，是相界面推移过程。相界面推移过程。701 1、结晶的热力学条件、结晶的热力学条件71热力学原理：热力学原理：在热力学平衡状态，在热力学平衡状态，一切自发过程都是朝着系统吉布一切自发过程都是朝着系统吉布斯自由能降低的方向进行。斯自由能降低的方向进行。在一定过冷度下，液体中若

46、出在一定过冷度下，液体中若出现晶体，总吉布斯自由能变化现晶体，总吉布斯自由能变化为：为： G Gs s ( (T T, ,P P) ) G GL L ( (T T, ,P P)+)+A A过冷度越大自发过程越易发生过冷度越大自发过程越易发生- -过冷是结晶的必要条件之一过冷是结晶的必要条件之一吉布斯自由能与温度的关系吉布斯自由能与温度的关系过冷度：过冷度：T=TT=Tm m-T -T 界面能界面能，即，即界面张力界面张力G=UTS+pV=HTSG 0，是自发过程，是自发过程2 2、结晶动力学、结晶动力学对单晶生长速度进行分析对单晶生长速度进行分析：固液界面处，熔体硅必须释放热固液界面处，熔体硅

47、必须释放热能（结晶潜能能（结晶潜能L L），并在界面处产生一大的温度梯度（约），并在界面处产生一大的温度梯度（约100/cm)100/cm)。分析一维情况，忽略对流和辐射，在界面处单。分析一维情况，忽略对流和辐射，在界面处单位体积内的能流平衡时，有：位体积内的能流平衡时，有：72lksk-液态和固态硅在熔融温度下的热导率液态和固态硅在熔融温度下的热导率dtdm- 质量传递速度质量传递速度两个热扩散项都为正值，所以晶锭提升有两个热扩散项都为正值，所以晶锭提升有一个一个最大提拉速度最大提拉速度最大提拉速度最大提拉速度假设向上扩散到固体的热量都由界面处结晶潜热产生，假设向上扩散到固体的热量都由界面处

48、结晶潜热产生，熔体部分没有温度梯度，则第一项为熔体部分没有温度梯度，则第一项为0 0，用长度生长速率，用长度生长速率表征：表征：dtdxAdtdm计算的最大提拉速度计算的最大提拉速度2.7mm/min2.7mm/min。实际熔体温度梯度不为。实际熔体温度梯度不为0 0，对流和辐射传热也不能忽略对流和辐射传热也不能忽略实际提拉速度是考虑实际提拉速度是考虑质量质量和和效率效率两方面因素而定两方面因素而定2.2.3 2.2.3 晶体掺杂晶体掺杂轻掺杂轻掺杂（ n n- -SiSi、p p- -SiSi），杂质浓度在），杂质浓度在1010141410101616/cm/cm3 3之间，多用于大功率整流

49、器件；之间，多用于大功率整流器件；中等掺杂中等掺杂（n n-SiSi、p p-Si Si ），杂质浓度在），杂质浓度在1010161610101818/cm/cm3 3之间，主要用于之间，主要用于ICIC和晶体管器件；和晶体管器件； 重掺杂重掺杂（n n+ +-Si pSi p+ +-SiSi），杂质浓度在），杂质浓度在1010181810102020 /cm/cm3 3之间，是外延用的单晶衬底。之间，是外延用的单晶衬底。74掺杂方式方法：掺杂方式方法：液相掺杂液相掺杂直接掺元素，母合金掺杂直接掺元素，母合金掺杂 气相掺杂气相掺杂 中子辐照（中子辐照（NTD）掺杂）掺杂-中子中子嬗变掺杂技术嬗

50、变掺杂技术75液相掺杂是直接在坩埚内加入杂质元素或将杂质制作为硅液相掺杂是直接在坩埚内加入杂质元素或将杂质制作为硅的合金再加入。在计算杂质计量时必须考虑杂质的的合金再加入。在计算杂质计量时必须考虑杂质的分凝分凝和和蒸发蒸发。分凝现象分凝现象：对于固：对于固- -液界面，由于杂质在不同相中的溶解度液界面，由于杂质在不同相中的溶解度不一样，所以杂质在界面两边材料中分布的平衡浓度是不不一样，所以杂质在界面两边材料中分布的平衡浓度是不同的；同的；分凝系数分凝系数k：对：对杂质分凝作用的大小描述，杂质分凝作用的大小描述，定义为定义为杂质在固杂质在固相中的溶解度与杂质在液相中的溶解度之比：相中的溶解度与杂

51、质在液相中的溶解度之比： k=Cs/Cl 761 1、液相掺杂、液相掺杂蒸发现象：蒸发现象：是指坩埚中熔体内的杂质从熔是指坩埚中熔体内的杂质从熔体表面蒸发到气相中的现象；体表面蒸发到气相中的现象；蒸发常数蒸发常数E：是用来是用来表征杂质蒸发难易的表征杂质蒸发难易的参数。参数。 N=EAClN:气相杂质浓度，气相杂质浓度，A:液相面积液相面积771 1、液相掺杂、液相掺杂硅中常见杂质的硅中常见杂质的k k和和e e分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法蒸发常数太大的杂质不能用液相掺杂方法蒸发常数太大的杂质不能用液相掺杂方法78硅中常见杂质的分凝系数和蒸发常数硅中

52、常见杂质的分凝系数和蒸发常数参数参数BAlGa In OPAsSb分凝系数分凝系数0.800.00180.00723.6*10-40.250.350.270.02蒸发常数蒸发常数510-610-410-3510-310-4510-3710-2分凝现象对杂质分布均匀性影响分凝现象对杂质分布均匀性影响在在CZCZ法晶锭中，若熔体结晶速度极为缓慢，杂质在法晶锭中，若熔体结晶速度极为缓慢，杂质在熔融液中始终均匀分布，且杂质在固态晶体内扩散熔融液中始终均匀分布，且杂质在固态晶体内扩散现象不明显，则晶锭轴向杂质分布浓度为：现象不明显，则晶锭轴向杂质分布浓度为：10)1 (ksXkCC式中，式中，C0-硅熔

53、体初始浓度；硅熔体初始浓度； X -已拉制出的晶体占硅总量的比例已拉制出的晶体占硅总量的比例举例:从含有从含有0.01%0.01%磷或硼的熔料中拉硅锭，晶锭顶端杂磷或硼的熔料中拉硅锭，晶锭顶端杂质的浓度？如果晶锭长质的浓度？如果晶锭长1m1m，在何处杂质浓度是顶端，在何处杂质浓度是顶端浓度的浓度的2 2倍？倍？晶锭顶端晶锭顶端: :80182201057 . 10001. 035. 0105PC182201040001. 08 . 0105BC设分别在设分别在xP、xB处磷、硼杂质浓度处磷、硼杂质浓度为晶锭顶端杂质浓度的为晶锭顶端杂质浓度的2倍倍得：得：xP0.66m xB0.97m母合金掺杂

54、母合金掺杂将杂质元素先制成硅的合金，如硅锑合金，硅硼将杂质元素先制成硅的合金，如硅锑合金，硅硼合金，再按所需的计量掺入合金。这种方法适于合金，再按所需的计量掺入合金。这种方法适于制备一般浓度的掺杂。制备一般浓度的掺杂。母合金掺杂原因母合金掺杂原因：掺入杂质剂量很小，如果采用：掺入杂质剂量很小，如果采用合金的话，就能增加掺入计量，从而合金的话，就能增加掺入计量，从而减小误差减小误差。举例：举例：=1.cm=1.cm，n-Sin-Si，杂质为砷时，由，杂质为砷时，由- -n n曲曲线，砷杂质浓度线，砷杂质浓度6 6* *10101515/cm/cm3 3, ,硅单位体积原子数硅单位体积原子数5 5

55、* *10102222/cm/cm3 3，5 5千克硅，只需掺入千克硅，只需掺入1 1毫克砷，计量很毫克砷，计量很小，误差难免，小，误差难免，812 2、气相掺杂、气相掺杂在单晶炉内通入的惰在单晶炉内通入的惰性气体中加入一定量性气体中加入一定量的含掺杂元素的杂质的含掺杂元素的杂质气体。在杂质气氛下，气体。在杂质气氛下，蒸发常数小的杂质部蒸发常数小的杂质部分溶入熔体硅中，掺分溶入熔体硅中，掺入单晶体内。入单晶体内。无坩埚的悬浮区熔法无坩埚的悬浮区熔法生长单晶时，一般采生长单晶时，一般采用气相掺杂方法。用气相掺杂方法。 823 3、中子辐照（、中子辐照（NTDNTD）掺杂）掺杂NTD法是一种内掺杂

56、方法，将本征硅单晶放在核法是一种内掺杂方法，将本征硅单晶放在核反应堆中进行中子辐照，使硅中的天然同位素反应堆中进行中子辐照，使硅中的天然同位素30Si俘获中子后产生不稳定的俘获中子后产生不稳定的31Si, 释放一个电子释放一个电子后生成稳定的后生成稳定的31P，从而实现对硅单晶的磷掺杂，从而实现对硅单晶的磷掺杂硅有三种同位素：其中硅有三种同位素：其中30Si有中子嬗变现象：有中子嬗变现象：28Si ：92.28% , 29Si ：4.67% , 30Si ：3.05%， 30Si 31Si+ 31Si 31P+e83中子中子半衰期半衰期2.62h中子辐照掺杂特点中子辐照掺杂特点得到高均匀性的得

57、到高均匀性的NTDNTD硅单晶。硅单晶。最大掺杂浓度，最大掺杂浓度，1.53*1021/cm3 为了消除硅单晶在反应堆中受到中子辐照而为了消除硅单晶在反应堆中受到中子辐照而产生的快中子轰击位错、产生的快中子轰击位错、通量感生位错等通量感生位错等辐照损伤缺陷，提高中照单晶的少子寿命，辐照损伤缺陷，提高中照单晶的少子寿命，需要将需要将NTDSiNTDSi在在HClHCl、O O2 2、和、和ArAr气氛中进行高气氛中进行高温温(800(800950)950)热处理。热处理。842.2.4 磁控直拉法（磁控直拉法（MCZ法）法） 在直拉法单晶炉上附加了一在直拉法单晶炉上附加了一个稳定的强磁场，工艺与

58、一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直般直拉法相同，能生长大直径的，无氧的，均匀的单晶径的，无氧的，均匀的单晶硅。硅。在在CZ法单晶炉上加一强磁法单晶炉上加一强磁场，高传导熔体硅的流动因场，高传导熔体硅的流动因切割磁力线而产生洛仑兹力，切割磁力线而产生洛仑兹力，这相当于增强了熔体的粘性，这相当于增强了熔体的粘性，熔体对流受阻。熔体对流受阻。洛仑兹力洛仑兹力 F=qB85 MCZ单晶炉单晶炉西安理工大学工厂承担的国家西安理工大学工厂承担的国家863计划项目，计划项目，07年年6月月15日通过了中国科技部的验收日通过了中国科技部的验收 磁场方向磁场方向86电 流 方向VMCZ1）纵向磁场HMCZ2）横向磁场3）尖角形磁场 各种各种MCZ炉的磁场分布炉的磁场分布轴向MCZ法拉制法拉制Si棒照片棒照片北京有色金属总院采用北京有色金属总院采用MCZ法生产的法生产的12吋硅吋硅棒，等经长棒，等经长400mm，晶体重晶体重81Kg。872.2.5 悬浮区熔法悬浮区熔法（FZ法） 多晶与单晶均由夹具夹着，由多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮