Chapter4zhang

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1、第四章第四章 硅和硅片制备硅和硅片制备学习目标：学习目标：1 1、描述硅原材料怎样精炼成半导体级硅、描述硅原材料怎样精炼成半导体级硅、描述硅原材料怎样精炼成半导体级硅、描述硅原材料怎样精炼成半导体级硅 2 2、解释晶体结构和单晶硅的生长办法、解释晶体结构和单晶硅的生长办法、解释晶体结构和单晶硅的生长办法、解释晶体结构和单晶硅的生长办法3 3、硅晶体的主要缺陷种类、硅晶体的主要缺陷种类、硅晶体的主要缺陷种类、硅晶体的主要缺陷种类4 4、硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到硅片完、硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到硅片完、硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到硅片完、硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到硅

2、片完 5 5、陈述并讨论对硅片供应商的、陈述并讨论对硅片供应商的、陈述并讨论对硅片供应商的、陈述并讨论对硅片供应商的7 7种质量标准种质量标准种质量标准种质量标准6 6、解释什么是外延（、解释什么是外延（、解释什么是外延（、解释什么是外延（EpitaxyEpitaxy）及其对硅片的重要性）及其对硅片的重要性）及其对硅片的重要性）及其对硅片的重要性1单晶硅生长单晶硅生长24.1 引言引言n n天然硅石提炼成非常纯净的硅材料天然硅石提炼成非常纯净的硅材料天然硅石提炼成非常纯净的硅材料天然硅石提炼成非常纯净的硅材料 n n硅原子级的微缺陷减到最小硅原子级的微缺陷减到最小硅原子级的微缺陷减到最小硅原子

3、级的微缺陷减到最小n n特定的晶向特定的晶向特定的晶向特定的晶向n n适量的掺杂浓度适量的掺杂浓度适量的掺杂浓度适量的掺杂浓度n n半导体硅片制备所需的物理尺寸半导体硅片制备所需的物理尺寸半导体硅片制备所需的物理尺寸半导体硅片制备所需的物理尺寸34.2 半导体级硅半导体级硅（semiconductor-grade siliconsemiconductor-grade silicon）n n表表4.1 4.1 制备半导体级硅（制备半导体级硅（SGSSGS）的过程）的过程 步骤过程描述反应方程式1用碳加热硅石来制备冶金级硅SiC（s）+SiO2（s）Si（1）+SiO（g）+CO（g）冶金级硅纯度

4、98%2通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯硅烷Si（s）+3HCl（g）SiHCl3（g）+H2（g）+加热3利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应来生产SGS2SiHCl3（g）+2H2（g）2Si（s）+6HCl（g）9N半导体级硅4半导体级硅的西门子反应器半导体级硅的西门子反应器百万分之（百万分之（百万分之（百万分之（ppmppm）二的碳元素和少于十亿分之（）二的碳元素和少于十亿分之（）二的碳元素和少于十亿分之（）二的碳元素和少于十亿分之（ppbppb）一）一）一）一的的的的IIIIII、V V族元素。此时，西门子工艺生产的硅没有按照希族元素。此时，西门子工艺生产的硅没有按照希族元素。此

5、时，西门子工艺生产的硅没有按照希族元素。此时，西门子工艺生产的硅没有按照希望的晶体顺序排列原子望的晶体顺序排列原子望的晶体顺序排列原子望的晶体顺序排列原子54.3晶体结构晶体结构n n非晶材料（不能使用）材料不仅有高纯度，必须是单晶材料n n晶胞n n多晶和单晶结构n n晶向64.3 晶体结构晶体结构（单晶、多晶和非晶）（单晶、多晶和非晶）（单晶、多晶和非晶）（单晶、多晶和非晶）晶体的原子排列晶体的原子排列74.3 晶体结构晶体结构（单晶、多晶和非晶）（单晶、多晶和非晶）（单晶、多晶和非晶）（单晶、多晶和非晶）非晶原子结构非晶原子结构8面心立方结构面心立方结构9多晶和单晶结构多晶和单晶结构多晶

6、：局部有序多晶：局部有序单晶：长程有序单晶：长程有序Polycrystalline structureMonocrystalline structure104.4 晶向晶向（晶面的米勒指数）（晶面的米勒指数）MOSMOS器件采用（器件采用（器件采用（器件采用（100100）晶向硅片（最低的）晶向硅片（最低的）晶向硅片（最低的）晶向硅片（最低的SiOSiO2 2/Si/Si界面态密度）界面态密度）界面态密度）界面态密度）；双极器件采用（；双极器件采用（；双极器件采用（；双极器件采用（111111）晶向的硅片）晶向的硅片）晶向的硅片）晶向的硅片ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)114

7、.5单晶硅的生长（单晶硅的生长（Growth）n nCZ(Czochralski 切克劳斯基）n nCZ CZ 拉单晶炉拉单晶炉n nDopingDopingn nImpurity ControlImpurity Controln n区熔法Float-Zone n n追求更大硅锭的原因124.5 单晶硅生长单晶硅生长CZ法：生长单晶硅把融化了的半导体级硅变为有正确晶向并法：生长单晶硅把融化了的半导体级硅变为有正确晶向并被掺杂成被掺杂成n型或型或p型的固体硅锭型的固体硅锭主要参数：拉升速率和旋转速率主要参数：拉升速率和旋转速率134.5 单晶硅生长单晶硅生长14CZ Crystal Puller

8、Photograph courtesy of Kayex Corp.,300 mm Si crystal puller154.5 单晶硅生长单晶硅生长下种，又名引晶。多晶材料全熔后，升坩埚到拉晶位下种，又名引晶。多晶材料全熔后，升坩埚到拉晶位置，使熔硅位于加热器上部，把籽晶下降到页面上方置，使熔硅位于加热器上部，把籽晶下降到页面上方35mm处。等熔硅温度稳定，籽晶温度上升之后，下处。等熔硅温度稳定，籽晶温度上升之后，下降籽晶与液面接触。慢慢提升，随着籽晶上升硅在籽降籽晶与液面接触。慢慢提升，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶。晶头部结晶。164.5 单晶硅生长单晶硅生长收颈，又名缩颈。指引晶后略微降

9、低温度，提高拉收颈，又名缩颈。指引晶后略微降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。主要作用在于接速，拉一段直径比籽晶细的部分。主要作用在于接触不良导致的多晶以及籽晶内部原有位错的提升。触不良导致的多晶以及籽晶内部原有位错的提升。174.5 单晶硅生长单晶硅生长放肩：缩颈到所要求的长度，略降低温度，让晶体放肩：缩颈到所要求的长度，略降低温度，让晶体长到所需直径为止。长到所需直径为止。184.5 单晶硅生长单晶硅生长垂直生长，即等径生长。直径长到接近所需的尺寸，垂直生长，即等径生长。直径长到接近所需的尺寸，升高拉速，使直径不再增大，称为收肩。此后保持升高拉速，使直径不再增大，称为收肩。此后保

10、持直径不变。直径不变。194.5 单晶硅生长单晶硅生长随着晶体的生长，坩埚中的熔硅不断减少，熔硅中随着晶体的生长，坩埚中的熔硅不断减少，熔硅中杂质含量相对提高，为保证晶体纵向电阻率的均匀杂质含量相对提高，为保证晶体纵向电阻率的均匀性，降低晶体生长速率（拉速），稍升温，降拉速，性，降低晶体生长速率（拉速），稍升温，降拉速，使直径逐渐变小。使直径逐渐变小。201 1、为得到所需电阻率的晶体，掺杂材料如硼和磷加到单晶炉的、为得到所需电阻率的晶体，掺杂材料如硼和磷加到单晶炉的、为得到所需电阻率的晶体，掺杂材料如硼和磷加到单晶炉的、为得到所需电阻率的晶体，掺杂材料如硼和磷加到单晶炉的熔体中熔体中熔体中熔

11、体中2 2、氧的、氧的、氧的、氧的吸杂吸杂吸杂吸杂效应（效应（效应（效应（GetteringGettering）来控制杂质尤其是深能级复合中）来控制杂质尤其是深能级复合中）来控制杂质尤其是深能级复合中）来控制杂质尤其是深能级复合中心如过渡金属离子的分布心如过渡金属离子的分布心如过渡金属离子的分布心如过渡金属离子的分布-硅的缺陷工程硅的缺陷工程硅的缺陷工程硅的缺陷工程 HLHHLH过程（高温过程（高温过程（高温过程（高温-低低低低温温温温-高温）高温）高温）高温）掺杂与杂质控制掺杂与杂质控制纯纯纯纯SiSi电阻率电阻率电阻率电阻率 2.5102.5105 5欧姆欧姆欧姆欧姆.cmcm21硅中电阻

12、率和掺杂浓度之间的关系硅中电阻率和掺杂浓度之间的关系224.5.2 区熔法（区熔法（Floating）1 1、把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，一个籽晶固定在一端、把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，一个籽晶固定在一端、把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，一个籽晶固定在一端、把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，一个籽晶固定在一端然后放入生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。然后放入生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。然后放入生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。然后放入生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法的最主要部分。加热多晶硅棒是区熔法的最主

13、要部分。加热多晶硅棒是区熔法的最主要部分。加热多晶硅棒是区熔法的最主要部分。2 2、纯度高、含氧量少（生长环境为惰性气氛，不采用石英舟）、纯度高、含氧量少（生长环境为惰性气氛，不采用石英舟）、纯度高、含氧量少（生长环境为惰性气氛，不采用石英舟）、纯度高、含氧量少（生长环境为惰性气氛，不采用石英舟）234.5.3 追求更大直径的硅锭追求更大直径的硅锭24Wafer Dimensions&AttributesTable 4.3 252627300mm 硅片尺寸和晶向要求的发展硅片尺寸和晶向要求的发展Table 4.4 284.6硅晶体中的缺陷硅晶体中的缺陷 Defects 三种典型的缺陷三种典型的

14、缺陷:1.点缺陷点缺陷-Localized crystal defect at the atomic level2.位错位错-Displaced unit cells层错层错-Defects in crystal structure（没有缺陷的晶体是不可能的）（没有缺陷的晶体是不可能的）294.6.1 点缺陷点缺陷原子层面的局部缺陷原子层面的局部缺陷30硅中的杂质硅中的杂质n nIII族，受主杂质n nV族，施主杂质，n n集成电路中，主要是替位式固溶体n n外来原子造成晶格形变314.6.2 位错位错错位的晶胞（正常的晶胞形成错位的晶胞（正常的晶胞形成重复型结构）重复型结构）位错可由器件制作

15、过程中的硅片表面的热氧化所引入，位错可由器件制作过程中的硅片表面的热氧化所引入，称为氧化导致层积位错（称为氧化导致层积位错（OISF）324.6.3 层错层错滑移滑移沿着一个或更多的平面发生滑移沿着一个或更多的平面发生滑移334.6.3 层错层错孪生平面孪生平面就是在一个平面上，晶体沿着就是在一个平面上，晶体沿着不同的个方向生长不同的个方向生长34硅单晶片参数对电子器件的影响硅单晶片参数对电子器件的影响材料参数材料参数对电子器件的影响对电子器件的影响位错位错增加漏电流，降低少子寿命增加漏电流，降低少子寿命影响双极增益影响双极增益层错层错增加漏电流，造成击穿增加漏电流，造成击穿降低栅氧化层质量降

16、低栅氧化层质量金属杂质金属杂质增加漏电流，增加漏电流，降低栅氧化层质量降低栅氧化层质量降低少子寿命，影响双极增益降低少子寿命，影响双极增益电阻率电阻率影响阈值电压，影响击穿电压影响阈值电压，影响击穿电压晶向晶向影响表面电荷，影响开启电压影响表面电荷，影响开启电压35材料参数材料参数对电子器件的影响对电子器件的影响D-缺陷（空位）缺陷（空位）降低栅氧化层质量，造成降低栅氧化层质量，造成击穿击穿A-缺陷（间隙）缺陷（间隙）增加漏电流，降低少子寿增加漏电流，降低少子寿命命影响双极增益影响双极增益氧沉淀氧沉淀影响吸杂效果，影响力学影响吸杂效果，影响力学性能，热施主的影响性能，热施主的影响平坦度平坦度影

17、响器件线宽度，影响器件线宽度，影响开启电压影响开启电压364.7 硅片制备硅片制备机械加工机械加工化学处理化学处理表面抛光表面抛光质量测量质量测量374.7.1 整型处理整型处理1、去掉两端、去掉两端（籽晶端）（籽晶端）（籽晶端）（籽晶端）2、径向研磨、径向研磨（定直径）（定直径）（定直径）（定直径）3、硅片定位边或定、硅片定位边或定 位槽位槽（200mm200mm及及及及 以上硅片）以上硅片）以上硅片）以上硅片）38硅片标识硅片标识 Identifying Flats P-type(111)P-type(100)N-type(111)N-type(100)Figure 4.21 394.7.

18、1 整型处理整型处理40常用的硅片常用的硅片n n1.CMOSn nP type P type（Boron dopedBoron doped）n n（100100）晶向，电阻率：）晶向，电阻率：25502550 cmcm，n n 2.BJT n n(111)(111)晶向晶向41硅片定位槽硅片定位槽 Notch and Laser Scribe 1234567890Notch Scribed identification number200mm以上采用定位槽424.7.2 切片切片Internal diameter wafer saw434.7.3 磨片和倒角磨片和倒角磨片：磨片：切片完成后需

19、要用双面的机械磨片以去除切片时留下的切片完成后需要用双面的机械磨片以去除切片时留下的损伤，达到两面高度的平行与平坦。垫片和带有磨料的浆料利损伤，达到两面高度的平行与平坦。垫片和带有磨料的浆料利用旋转的压力来完成。平整度是关键参数。用旋转的压力来完成。平整度是关键参数。倒角：倒角：硅片边缘抛光修整。可是硅片边缘获得平滑的半径周线，硅片边缘抛光修整。可是硅片边缘获得平滑的半径周线，可在磨片之前或之后完成。边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产可在磨片之前或之后完成。边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错，尤其在高温过程中。生机械应力并会产生位错，尤其在高温过程中。444.7.4 刻蚀刻蚀刻蚀

20、：刻蚀：硅片整形使硅片表面和边缘损伤及沾污，一般几微米深。硅片整形使硅片表面和边缘损伤及沾污，一般几微米深。硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性的去除表面物质的过程。硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性的去除表面物质的过程。硅片通过湿法化学刻蚀工艺消除表面损伤和沾污。一般腐蚀硅片通过湿法化学刻蚀工艺消除表面损伤和沾污。一般腐蚀20微米以上以保证所有的损伤被去掉。可用酸碱物质。微米以上以保证所有的损伤被去掉。可用酸碱物质。454.7.5 抛光（抛光（CMP 18章）章）刻蚀：刻蚀：硅片整形使硅片表面和边缘损伤及沾污，一般几微米深。硅片整形使硅片表面和边缘损伤及沾污，一般几微米深。硅片刻蚀是一个利用化学刻

21、蚀选择性的去除表面物质的过程。硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性的去除表面物质的过程。硅片通过湿法化学刻蚀工艺消除表面损伤和沾污。一般腐蚀硅片通过湿法化学刻蚀工艺消除表面损伤和沾污。一般腐蚀20微米以上以保证所有的损伤被去掉。可用酸碱物质。微米以上以保证所有的损伤被去掉。可用酸碱物质。464.7.6 清洗清洗474.7.6 清洗清洗484.8 质量测量质量测量（硅片的硅片的硅片的硅片的7 7种质量标准种质量标准种质量标准种质量标准）1、物理尺寸、物理尺寸 硅片的直径、厚度、晶向位置、尺寸、定位边硅片的直径、厚度、晶向位置、尺寸、定位边硅片的直径、厚度、晶向位置、尺寸、定位边硅片的直径、厚度、晶向

22、位置、尺寸、定位边 （定位槽）和硅片形变（定位槽）和硅片形变（定位槽）和硅片形变（定位槽）和硅片形变2、平整度、平整度 通过硅片或硅片上某一位置的直线上的厚度变化通过硅片或硅片上某一位置的直线上的厚度变化通过硅片或硅片上某一位置的直线上的厚度变化通过硅片或硅片上某一位置的直线上的厚度变化3、微粗糙度、微粗糙度 实际表面同规定平面的小数值范围内的偏差，测实际表面同规定平面的小数值范围内的偏差，测实际表面同规定平面的小数值范围内的偏差，测实际表面同规定平面的小数值范围内的偏差，测 量硅片表面最高点和最低点的偏差（均方根量硅片表面最高点和最低点的偏差（均方根量硅片表面最高点和最低点的偏差（均方根量硅

23、片表面最高点和最低点的偏差（均方根 0.1nm0.1nm）4、氧含量、氧含量 2433 ppm5、晶体缺陷、晶体缺陷 每平方厘米的晶体缺陷小于每平方厘米的晶体缺陷小于每平方厘米的晶体缺陷小于每平方厘米的晶体缺陷小于10001000个个个个6、颗粒、颗粒 表面颗粒减少，清洗去除。表面颗粒减少，清洗去除。表面颗粒减少，清洗去除。表面颗粒减少，清洗去除。1300/1300/平方米（尺寸大于平方米（尺寸大于平方米（尺寸大于平方米（尺寸大于 0.080.08微米）微米）微米）微米）7、体电阻率、体电阻率 依赖于晶体生长前掺杂到硅熔体内的杂质浓度。依赖于晶体生长前掺杂到硅熔体内的杂质浓度。依赖于晶体生长前

24、掺杂到硅熔体内的杂质浓度。依赖于晶体生长前掺杂到硅熔体内的杂质浓度。半径方向存在温度梯度，中间温度最高（半径方向存在温度梯度，中间温度最高（半径方向存在温度梯度，中间温度最高（半径方向存在温度梯度，中间温度最高（电阻率怎样变化？电阻率怎样变化？电阻率怎样变化？电阻率怎样变化？）494.8 质量测量质量测量50n n1.外形尺寸外形尺寸1.1 直径直径:76.2 土土 0.4mm1.2 厚度厚度:200-350 m1.3 总厚度变化总厚度变化:0.03 mm1.4 垂直度：片内矩形对角线相等，公差土垂直度：片内矩形对角线相等，公差土0.5mm1.5 2.技术参数技术参数51n n2.1 导电参数

25、导电参数:N 型型2.2 电阻率电阻率:5-6O.cm或按客户要求加工或按客户要求加工2.3 少子寿命少子寿命:大于大于 100 s2.4 氧含量氧含量:1.0 1018atoms/cc2.5 碳含量碳含量:5.0 1016atoms/cc2.6 晶向晶向:111 1.502.7 位错密度位错密度:100 个个/cm33.产品用途产品用途:本产品适用于制造二极管、三极管、整流器本产品适用于制造二极管、三极管、整流器或小功率可控硅等或小功率可控硅等52Improving Silicon Wafer Requirements534.8 质量测量质量测量544.8 质量测量质量测量554.9 外延层

26、外延层必要性：必要性：必要性：必要性：需要有非常纯的与衬底有相同晶体结构的硅表面，需要有非常纯的与衬底有相同晶体结构的硅表面，需要有非常纯的与衬底有相同晶体结构的硅表面，需要有非常纯的与衬底有相同晶体结构的硅表面，同时保持对杂质类型和浓度的控制。同时保持对杂质类型和浓度的控制。同时保持对杂质类型和浓度的控制。同时保持对杂质类型和浓度的控制。外延：外延：外延：外延：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层的方法。衬底晶向相同的单晶层的方法。衬

27、底晶向相同的单晶层的方法。衬底晶向相同的单晶层的方法。硅基片作为籽晶在硅片上硅基片作为籽晶在硅片上硅基片作为籽晶在硅片上硅基片作为籽晶在硅片上生长一薄层硅，外延层会复制硅基底的晶体结构，但掺杂生长一薄层硅，外延层会复制硅基底的晶体结构，但掺杂生长一薄层硅，外延层会复制硅基底的晶体结构，但掺杂生长一薄层硅，外延层会复制硅基底的晶体结构，但掺杂浓度不一样。浓度不一样。浓度不一样。浓度不一样。重要性：重要性：重要性：重要性：外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外延层，可以

28、优化延层，可以优化延层，可以优化延层，可以优化pnpn结击穿电压，同时降低集电极电阻，在结击穿电压，同时降低集电极电阻，在结击穿电压，同时降低集电极电阻，在结击穿电压，同时降低集电极电阻，在适当的电流强度下提高器件速度。在适当的电流强度下提高器件速度。在适当的电流强度下提高器件速度。在适当的电流强度下提高器件速度。在CMOSCMOS电路中，器件电路中，器件电路中，器件电路中，器件尺寸缩小，闩锁（尺寸缩小，闩锁（尺寸缩小，闩锁（尺寸缩小，闩锁（Latch up)Latch up)效应降到最低（减小寄生电阻）效应降到最低（减小寄生电阻）效应降到最低（减小寄生电阻）效应降到最低（减小寄生电阻）。56

29、4.9 外延层外延层57n n峨嵋半导体材料厂、所峨嵋半导体材料厂、所n n峨嵋半导体材料厂、所座落在风景秀美的著名佛教圣地峨嵋半导体材料厂、所座落在风景秀美的著名佛教圣地峨眉山脚下，环境清洁优美，是中国最早从事半导峨眉山脚下，环境清洁优美，是中国最早从事半导体材料研究和生产的单位之一。峨嵋半导体材料厂、所体材料研究和生产的单位之一。峨嵋半导体材料厂、所生产和经营半导体硅材料、高纯金属及合金系列产品、生产和经营半导体硅材料、高纯金属及合金系列产品、有机硅和高纯四氯化硅系列产品，并从事产品的出口业有机硅和高纯四氯化硅系列产品，并从事产品的出口业务，是中国半导体硅材料和高纯金属最大的供应商之一，务

30、，是中国半导体硅材料和高纯金属最大的供应商之一，我们的产品在国内市场占有较大的份额，并远销英国、我们的产品在国内市场占有较大的份额，并远销英国、法国、美国、日本、韩国、新加坡、台湾地区和香港特法国、美国、日本、韩国、新加坡、台湾地区和香港特别行政区等地。产品广泛用于分立器件、集成电路、电别行政区等地。产品广泛用于分立器件、集成电路、电力电子器件等。力电子器件等。58国内半导体材料有关资料国内半导体材料有关资料59第四章作业第四章作业n n采用更大直径硅锭的原因采用更大直径硅锭的原因n n写出写出MOSMOS电路采用的晶向，双极电路采用电路采用的晶向，双极电路采用的晶向？为什么？的晶向？为什么？n n写出硅片质量的写出硅片质量的7 7个标准个标准n n 4 4 为什么大规模集成电路用硅片一般采用提为什么大规模集成电路用硅片一般采用提拉硅片而不采用纯度更高的浮区法硅片？拉硅片而不采用纯度更高的浮区法硅片？60电子科技大学课程中心电子科技大学课程中心n n教育网：222.197.164.43n n公网：125.71.228.237n n登录用户名为您的工资号，密码为123456n n学生登录的用户名为学号，密码为12345661