集成电路制造工艺 课件 第7章 硅衬底制备

集成电路制造工艺

--硅单晶的制备第七章衬底制备硅单晶的制备硅单晶的质量检验硅圆片的制备本章要点第七章衬底制备硅单晶的制备硅单晶的质量检验硅圆片的制备本章要点点沙成“金”信息大厦的金砖本节主要内容：1.多晶硅的制备3.单晶硅的制备§7.1半导体硅单晶的制备直拉法悬浮区熔法2.从多晶硅制备单晶硅的原理1.单晶、多晶的概念

2.多晶硅的制备

SiHCl3还原法一.多晶硅的制备单晶：由分子、原子或离子按统一规则周期

性排列构成的晶体称为单晶。多晶：—由若干个取向不同的小单晶构成的晶

体称为多晶粗硅粉纯度99.9%粉碎酸浸法提纯

焦碳还原硅

石（

SiO2）工业粗硅纯度95～99%SiHCl3精馏纯SiHCl3提纯氢还原纯多晶硅纯度5个9合成中间化合物区熔法多晶硅电子级纯（9个9）用于半导体生产光伏级纯（6-7个9）太阳能电池生产用电子级纯多晶硅纯度可达9个“9”SiHCl3还原法的化学反应式：三氯氢硅的沸点为31.5℃,与绝大多数杂质的氯化物挥发温度相差较大,所以可用精馏法提纯。1.从多晶转变成单晶的实质：原子按统一规则进行重新排列2.从多晶硅制备单晶的三个条件：（1）使原子具有一定的动能（2）使原子排列有一个标准（3）使重新排列后的原子稳定下来加热提供籽晶提供过冷温度二.从多晶硅制单晶硅的原理3.单晶硅制备的方法(Float-Zone）

FZ法单晶硅制备直拉法悬浮区熔法(Czochralski，CZ法)，所占的比例更大，超过85%

又叫切克拉斯基法，简写CZ

,是把具有一定晶向的单晶----籽晶插入到熔融的Si中，控制一定的过冷温度，以一定的速度将籽晶缓慢提升并同时将籽晶轴旋转，新的晶体就在籽晶下生长出来了。

1.直拉法概念三.直拉法制备单晶硅美国凯克斯公司(Kayex)300mm直拉单晶炉提拉机构炉体电气控制系统气氛控制系统2.设备------直拉单晶炉直拉法的设备主要包括四个部份：直拉单晶炉炉体机械传动系统气氛及气压控制系统电气控制系统顺时针单晶接收室籽晶夹具籽晶颈部晶锭坩埚和熔料热屏蔽加热器泵抽气口泵抽气口波纹管坩埚轴逆时针磁流体密封法兰真空腔观察窗氩气流热屏蔽石墨杯(1)炉体：石英坩埚石墨坩埚托石墨加热器热屏蔽包括炉腔及炉腔中的所有部件拉单晶硅用的石墨热场(3)气氛控制系统真空气氛：杂质挥发严重，容易出现跳硅常压氩气氛：对系统的密封性要求低，但氩气的消耗大低压氩气氛：较常用的一种气氛控制方法(2)机械传动系统提拉机构坩埚升降和转动机构（包括气体源、流量控制、排气）(4)电气控制系统控制晶体生长的基本工艺参数，如熔硅的温度，升降的提拉的速度等，包括侦测感应器和电脑控制器3.拉单晶工艺搭桥跳硅：熔硅在坩埚内沸腾似地跳跃搭桥：上部熔硅和下部熔硅的脱离容易出现两种现象：跳硅、搭桥使多晶硅熔化以便重新结晶注意三个方面：坩埚的位置、熔硅的温度和熔硅的量（1）熔硅：给熔硅一个晶核（籽晶），提供标准，使其在过冷温度下能够按标准结晶（2）引晶（下种）：注意：籽晶与熔硅的接触情况，如果籽晶迅速熔断，说明熔硅温度过高，如果熔硅沿着籽晶迅速攀沿，说明温度过低籽晶（3）收颈：位错线颈部抑制位错从籽晶向颈部以下的单晶延伸通过略升温和加快提拉速度使直径减小。得到所需要的单晶直径通过略降温和减慢提升速度使直径增大，直到所需要的单晶直径（4）放肩：避免出现锋利的棱角产生较多的缺陷（5）转肩：获得单晶硅棒，单晶的部份特征显示出来，过程中严格控制旋转和提拉速度，并进行坩埚的自动跟踪。（6）等径生长：使坩埚中的熔硅全部拉完，保持坩埚的完整性。（7）收尾：

(a)下种（b）收颈(c)放肩

(d)转肩(e)等径生长(f)收尾

CZ法拉制单晶硅锭及硅片CZ法拉制300mm和400mm的单晶硅锭（TOKYO）优点能够拉大直径的单晶，目前6英寸以上的硅片基本都是用直拉法拉制而成。缺点单晶中氧、碳等杂质含量高，主要来自于石英坩埚和石墨坩埚托。4.直拉法特点应用生产16兆位的动态存储器，直径6英寸的硅片可出芯片100个，而直径8英寸的硅片可出芯片200个。简写FZ法，是利用高频感应线圈对多晶锭逐段融化,在多晶锭下端装置籽晶，熔区从籽晶和多晶锭界面开始，当熔区推进时，单晶锭也拉制成功了。1.悬浮区熔法概念四.悬浮区熔法制备单晶硅销钉承重小球籽晶瓶颈单晶熔化部份多晶料柱射频线圈2.设备原理图天津环欧半导体德国普发拓普公司优点由于不用坩埚和石墨加热器，所以氧、碳杂质含量少缺点由于多晶硅棒是靠熔硅的表面张力支撑，所以不能拉大直径的单晶应用区熔硅单晶纯度高，晶格结构相对更完美，是大功率器件、探测器器件的主要材料3.悬浮区熔法制单晶的特点从3英寸到12英寸硅片的直径大小比较谢谢！集成电路制造工艺

--硅单晶的制备单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室第七章衬底制备硅单晶的制备硅单晶的质量检验硅圆片的制备本章要点第七章衬底制备硅单晶的制备硅单晶的质量检验硅圆片的制备本章要点§7.2硅单晶的质量检验单晶锭拉完以后，主要从以下几个方面进行质量检验：物理性能是否单晶晶向直径电气参数导电类型电阻率少子寿命载流子迁移率缺陷位错微缺陷（1）对光的反射单晶对光线反射均匀，表面光滑，色泽一致多晶是由多个小单晶构成，两个单晶体相交地方，有反射光线，色泽不一致（2）棱线单晶结构对称，有规则的棱线多晶的棱线不规则，不明显一.物理性能的检验1.单晶体的检验：2.晶向的测定：三根或六根：（111）晶向四根或八根：

(100）晶向六根不对称：（110）晶向（2）位错腐蚀法：（1）根据棱线的数目判定晶向：原理：位错处原子排列不规则，所以位错处原子首先被腐蚀，不同的晶向，腐蚀坑的形状不同，所以可以根据腐蚀坑的形状判定晶向。腐蚀液：铬酸腐蚀液HF（48%）：铬酸溶液（5克分子浓度）=1：1结论：（111）晶向（100）晶向（110）晶向位错腐蚀法还可以测试硅单晶中的缺陷（1）热探针法原理：利用半导体温差电动势的效应I：电阻丝使AB探针产生热量，在探针A端半导体由于受热产生非平衡载流子II：金半接触产生整流结，产生的非平衡少子被扫入探针中III：从A点到D点存在一个多子的浓度梯度，于是多子就由热端向冷端运动，形成电位差IV：由光点检流计的偏转方向即可判定导电类型（2）霍尔法：原理：利用半导体的霍尔效应（一般了解）+-ADBCG1.导电类型的测量二.电气参数的检验2.电阻率的测量----四探针法测量原理：样品为半无限大样品，在1，4探针中通电流，2，3探针测出半导体的电压，根据电阻率ρ～f(V2,3,I1,4)的公式可算出电阻率Ρ=2πsV2,3/I1,4G电位差计1234GS少子寿命----少数载流子从非平衡状态恢复到平衡状态的时间就是少子存在的时间，称为少子寿命。测量----光电导衰减法（一般了解）3.少子寿命的测量谢谢！集成电路制造工艺

--硅圆片的制备单位：江苏信息职业技术学院微电子教研室第七章衬底制备硅单晶的制备硅单晶的质量检验硅圆片的制备本章要点第七章衬底制备硅单晶的制备硅单晶的质量检验硅圆片的制备本章要点§7.3硅衬底的制备硅衬底制备的工艺流程：整形处理基准面研磨定向切片磨片倒角抛光刻蚀清洗检查包装通过在硅片上磨出主平面和次平面，可以在机械加工中作为硅片定位的参考面，同时可以快速的识别硅片的晶向和导电类型一.基准面或基准槽研磨注意：对于直径等于或大于200mm的晶体不再磨出基准面，而是沿着晶锭长度方向磨出一个小沟。定位面标准硅片定位槽P(111)N(111)P(100)N(100)激光定向仪原理图作用：通过定向使切片能沿硅晶体的解理面裂开，提高成品率，同时可以根据器件的要求先择偏离某一晶向一定的角度方法：激光定向法二.定向目前主要采用的切片方法：内圆切割法内圆切割机三.切片目前主要采用行星