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1、微电子工艺微电子工艺第二章第二章 晶体生长晶体生长 第一章第一章 引言引言第二章第二章 晶体生长晶体生长第三章第三章 工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章第四章 硅的氧化硅的氧化第五章第五章 光刻光刻第六章第六章 刻蚀刻蚀第七章第七章 扩散扩散第八章第八章 离子注入离子注入第九章第九章 薄膜淀积薄膜淀积第十章第十章 工艺集成工艺集成 第十一章第十一章 集成电路制造集成电路制造目标目标通过本章的学习，你将能够：通过本章的学习，你将能够：1. 掌握用直拉单晶法制备硅片所用的原料，以及提纯的过程掌握用直拉单晶法制备硅片所用的原料，以及提纯的过程 和制

2、造单晶硅锭的步骤。和制造单晶硅锭的步骤。2. 了解区熔单晶法制备单晶硅锭的过程。了解区熔单晶法制备单晶硅锭的过程。3. 了解两种制备方法各自的特点。了解两种制备方法各自的特点。5. 从单晶锭到单晶硅片的步骤。从单晶锭到单晶硅片的步骤。6. 硅片质量检测的指标。硅片质量检测的指标。 一一、衬底材料的类型衬底材料的类型1.元素半导体元素半导体 Si、Ge.2. 化合物半导体化合物半导体 GaAs、SiC 、GaNGe： 漏电流大，禁带宽度窄，仅漏电流大，禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.1eV)； 工作温度低，工作温度低，75（Si:150）；）； GeO2易水解（易水解（SiO2稳定）；稳定

3、）； 本征电阻率低：本征电阻率低：47 cm（Si: 2.3x105 cm）；）； 成本高。成本高。Si： 含量丰富，占地壳重量含量丰富，占地壳重量25%； 单晶单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大生长工艺简单，目前直径最大18英吋英吋（450mm） 氧化特性好，氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、界面性能理想，可做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料； 易于实现平面工艺技术；易于实现平面工艺技术；二、对衬底材料的要求二、对衬底材料的要求 直径直径 导电类型：导电类型：N型与型与P型都易制备；型都易制备； 晶向：晶向：Si:双极器件双

4、极器件-；MOS-； 电阻率：电阻率：0.01-105 cm，均匀性好（纵向、横向、微区）、可，均匀性好（纵向、横向、微区）、可 靠性高（稳定、真实）；靠性高（稳定、真实）； 寿命（少数载流子）：晶体管寿命（少数载流子）：晶体管长寿命；长寿命； 开关器件开关器件短寿命；短寿命； 晶格完整性：低位错（晶格完整性：低位错（1000个个/cm2）；）； 平整度平整度、禁带宽度、迁移率等。禁带宽度、迁移率等。Si 的基本特性的基本特性: FCC 金刚石结构，晶格常数金刚石结构，晶格常数a=5.431 间接带隙半导体，间接带隙半导体， 禁带宽度禁带宽度 Eg=1.12eV 相对介电常数，相对介电常数，

5、r=11.9 熔点：熔点： 1417oC 原子密度：原子密度： 5x1022 cm-3 本征载流子浓度：本征载流子浓度：ni=1.45x1010 cm-3 本征电阻率本征电阻率 =2.3x105 cm 电子迁移率电子迁移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴迁移率空穴迁移率 h=450 cm2/Vs三、起始材料三、起始材料-石英岩（高纯度硅砂石英岩（高纯度硅砂-SiO2） 1. SiO2+SiCSi(s)+SiO(g)+CO(g) 冶金级硅：冶金级硅：98%；2. Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2 三氯硅烷室温下呈液态沸点为三氯硅烷室温下呈液态沸点为32，利用分馏法去，利用

6、分馏法去除杂质；除杂质；3. SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g) 得到电子级硅（片状多晶硅）。得到电子级硅（片状多晶硅）。 300oC单晶制备单晶制备一、直拉法（一、直拉法（CZ法）法）CZ CZ 拉晶仪拉晶仪1.1. 熔炉熔炉石英坩埚：盛熔融硅液；石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；旋转装置：顺时针转；旋转装置：顺时针转；加热装置：加热装置：RFRF线圈；线圈；2.2. 拉晶装置拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；旋转提拉装置：逆时针；3.3. 环境控制系统环境控制

7、系统气路供应系统气路供应系统流量控制器流量控制器排气系统排气系统4.4. 电子控制反馈系统电子控制反馈系统拉晶过程拉晶过程1.熔硅熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；注意事项：熔硅时间不易长；2.引晶引晶 将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤烤晶晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉， 控制温度使熔体在籽晶上结晶；控制温度使熔体在籽晶上结晶； 3.3. 收颈收颈

8、 指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm20mm。 4.4. 放肩放肩 缩颈工艺完成后，略降低温度（缩颈工艺完成后，略降低温度（15-4015-40） ，让晶体逐，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩放肩”。5. 等径生长等径生长 当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体

9、直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速。此时要严格控制温度和拉速。6. 收晶收晶 晶体生长所需长度后，升高熔体温度或熔体温度不变，晶体生长所需长度后，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。加快拉速，使晶体脱离熔体液面。硅片掺杂硅片掺杂目的：目的：使硅片具有一定电阻率使硅片具有一定电阻率 （比如：（比如： N/P型硅片型硅片 1-100 cm）分凝现象：分凝现象：由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样，所以，杂由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样，所以，杂 质在固质在固-液界面

10、两边材料中分布的浓度是不同的，这就液界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就 是所谓杂质的分凝现象。是所谓杂质的分凝现象。分凝系数分凝系数: Cs 和和 Cl分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度 一般情况下一般情况下k01，ke 1， 为了得到均匀的掺杂分布，为了得到均匀的掺杂分布， 可以通可以通 过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。D: 熔液中掺杂的扩散系数熔液中掺杂的扩散系数直拉法生长单晶的特点直拉法生长单晶的特点优点优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工

11、艺参数的优化，可较好通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好 控制电阻率径向均匀性。控制电阻率径向均匀性。缺点缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响， 易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常 10-40ppm)。二、悬浮区熔法（二、悬浮区熔法（float-zonefloat-zone，FZFZ法）法）方法方法： 依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶SiSi与下方长出与下方长出 的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。的单晶之间

12、，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。区熔晶体生长区熔晶体生长RF气体入口 (惰性)熔融区可移动RF线圈多晶棒 (硅)籽晶惰性气体出口卡盘卡盘悬浮区熔法（悬浮区熔法（float-zone，FZ法）法）特点特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高；法高； 无需坩埚、石墨托，污染少；无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点缺点: 单晶直径不及单晶直径不及CZ法法 掺杂分布掺杂分布dxLSkAdxCdSed 0 假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为C0（质量浓度），（质量浓度），

13、d为硅为硅的密度，的密度，S为熔融带中杂质的含量，那么当熔融带移动为熔融带中杂质的含量，那么当熔融带移动dx距离时，距离时，熔融带中杂质的浓度变化熔融带中杂质的浓度变化dS为：为： LxkeseekCC/0)1 (1 区熔提纯区熔提纯 利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（一次区熔提纯与直

14、拉法后的杂质浓度分布的比较（K=0.01）单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。 多次区熔提纯多次区熔提纯晶体生长整型切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片制备基本工艺步骤硅片制备基本工艺步骤硅片制备硅片制备1. 单晶生长单晶生长2. 单晶硅锭单晶硅锭3. 单晶去头和径向研磨单晶去头和径向研磨4. 定位边研磨定位边研磨5. 硅片切割硅片切割 6. 倒角倒角 7. 磨片磨片 8. 硅片刻蚀硅片刻蚀 9. 抛光抛光10. 硅片检查硅片检查磨料磨料抛光台抛光台磨头磨头多晶多晶籽晶籽晶加热器加热器坩埚坩埚晶面定向与晶面标识晶面定向与晶面标识 由于晶体

15、具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割。必须按一定的晶向（或解理面）进行切割。 例如：例如： 双极器件：双极器件：111面；面； MOS器件：器件：100面。面。1主参考面（主定位面，主标志面）主参考面（主定位面，主标志面） 作为器件与晶体取向关系的参考；作为器件与晶体取向关系的参考； 作为机械设备自动加工定位的参考；作为机械设备自动加工定位的参考； 作为硅片装架的接触位置；作为硅片装架的接触位置；2. 次参考面（次定位面，次标志面）次参考面（次定位面，次标志面） 识别晶向和导电类型识别晶向和

16、导电类型 ；3. 8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电 类型。类型。硅片标识定位边硅片标识定位边 P-type (111)P-type (100)N-type (111)N-type (100)硅片定位槽和激光刻印硅片定位槽和激光刻印 1234567890定位槽定位槽 标识数字标识数字内刃内刃内圆切割机内圆切割机抛光的硅片边缘抛光的硅片边缘用于去除硅片表面损伤的化学刻蚀用于去除硅片表面损伤的化学刻蚀双面硅片抛光双面硅片抛光上抛光垫上抛光垫下抛光垫下抛光垫硅片硅片磨料磨料切片、磨片、抛光切片、磨片、抛光1切片切片 将已整形、定

17、向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求将已整形、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。的单晶薄片。 切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘度，切片切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘度，切片 损耗占损耗占1/3。2. 磨片磨片 目的：去除刀痕与凹凸不平；目的：去除刀痕与凹凸不平； 改善平整度；改善平整度； 使硅片厚度一致；使硅片厚度一致； 磨料：磨料： 要求要求其硬度大于硅片硬度。其硬度大于硅片硬度。 种类种类Al2O3、SiC、SiO2、MgO等等3. 抛光抛光 目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无 损层的

18、损层的“理想理想”表面。表面。 方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光晶体缺陷晶体缺陷缺陷的含义缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发 生偏差的区域。生偏差的区域。理想晶体理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。：格点严格按照空间点阵排列。实际晶体实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷点缺陷 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三

19、维方向上缺陷的尺寸都很小。寸都很小。线缺陷线缺陷 在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错。分为刃型位错和螺位错。刃型位错刃型位错:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插 入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。螺位错螺位错:将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断）

20、，然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯成一个类似于楼梯 拐角处的排列结构，则此时在拐角处的排列结构，则此时在“剪开线剪开线”终结终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错 面缺陷面缺陷 二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小

21、。如孪晶陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。晶粒间界以及堆垛层错。孪晶：孪晶：是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪孪晶晶”，此公共晶面就称孪晶面。，此公共晶面就称孪晶面。晶粒间界晶粒间界：彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。：彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。 孪晶界孪晶界晶粒间界晶粒间界堆垛层错堆垛层错：是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层间出：是晶体

22、结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布的错误排布 。 体缺陷体缺陷 由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度，由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度， 当掺入的数量超当掺入的数量超过晶体可接受的浓度时，过晶体可接受的浓度时， 杂质在晶体中就会沉积，形成体缺陷。杂质在晶体中就会沉积，形成体缺陷。成品率成品率 =66 合格芯片合格芯片88 总芯片总芯片= 75%硅片上的成品率硅片上的成品率减小硅片上的缺陷密度是提高成品率关键的关键因素减小硅片上的缺陷密度是提高成品率关键的关键因素

23、本节课主要内容本节课主要内容硅单晶的制备：硅单晶的制备：CZ 直拉法、直拉法、 悬浮区熔法悬浮区熔法 掺杂分布：掺杂分布： 有效分凝系数有效分凝系数衬底制备：衬底制备： 整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷思考题思考题半导体生产要求一个非常洁净的环境，特别是工艺越先进，半导体生产要求一个非常洁净的环境，特别是工艺越先进，集成度越高，环境的洁净度也越高，那么这样的环境我们需集成度越高，环境的洁净度也越高，那么这样的环境我们需要考虑哪几大方面呢？净化级别又如何定义呢？要考虑哪几大方面呢？净化级别又如何定义呢？课后习题课后习题课后课后1.3.7.81.3.7.8题题人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。