集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗硅襯底制備JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU硅片制造第一章硅片制造JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.5切制硅片目錄CONTENTS1.1硅晶體的結(jié)構(gòu)特點1.2單晶硅襯底制備1.3硅晶體缺陷1.1單晶硅特性電學(xué)性質(zhì)（室溫）SiGeGaAs禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/V·s）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征電阻率（Ω·cm）2.3×10547108硅與鍺、砷化鎵電學(xué)性質(zhì)比較硅作為最常用半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢原料充分；表面易氧化；重量輕，密度2.33g/cm3；熱學(xué)特性好，熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高；1.1單晶硅特性1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性一個晶胞含多少個硅原子？8+4=8硅晶體的幾個結(jié)構(gòu)常數(shù)1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性αrSiα=5.43?

atoms/cm3空間利用率:硅原子密度為：硅晶體的幾個結(jié)構(gòu)常數(shù)1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性（100）[100][010][001][100],[010],[001](100)，(010)，(001)<100>:{100}:集成電路常采用（100）晶面的硅片來制造硅器件與電路的常用晶向與晶面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性[111]（111）晶體管最常使用（111）晶面的硅片來制造硅器件與電路的常用晶向與晶面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性硅器件與電路的常用晶向與晶面[110]（110）（110）晶面也是集成電路和器件常采用的晶面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性常用晶向的原子分布[100]a[110][111][100][110][111]α1/a1.41/a1.15/a線密度1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性常用晶面的原子分布α2/a2α2.83/a22.3/a2面密度（100）（110）（111）α1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性雙層密排面[111]（111）ABCA’B’C’雙層密排面雙層密排面雙層密排面（111）面容易劈裂，稱為晶體的解理面1.1.1硅單晶結(jié)構(gòu)1.1單晶硅特性一、多晶硅制備石英砂冶煉SiO2+2C→Si（粗）+2CO↑粗硅主要含有：Fe、Al、C、B、P、Cu等雜質(zhì)1.2.1多晶硅制備1.2.2單晶硅生長1.2單晶硅襯底的制備半導(dǎo)體純度的多晶硅1.2.1多晶硅制備酸洗：化學(xué)提純精餾：物理提純Si+3HCl→SiHCl3+H2

還原：SiHCl3+H2→Si+3HCl1.2.2單晶硅的生長多晶硅→熔體硅→單晶硅直拉法（CZ法）磁控直拉法（MCZ法）有坩鍋懸浮區(qū)熔法（FZ法）無坩鍋TDR-A型單晶爐照片1.2.2.1直拉法1.2.2單晶硅的生長放肩Shoulder等徑Body引晶Neck工藝流程：準(zhǔn)備→開爐→生長→停爐生長：引晶→縮頸→放肩→等徑生長→收尾控制生長速率、直徑的主要因素：提拉器的升速與轉(zhuǎn)速坩堝內(nèi)熔體溫度1.2.2.1直拉法1.2.2單晶硅的生長籽晶的作用：樣本晶核縮頸的作用：終止籽晶中的位錯、表面劃痕向晶錠延伸避免籽晶與熔體結(jié)合處的缺陷向晶錠延伸1.2.2.1直拉法1.2.2單晶硅的生長1.2.2.1單晶生長機(jī)理1.結(jié)晶的熱力學(xué)條件熔體→單晶體ΔG<0ΔG=Gs-GL

過冷是結(jié)晶的必要條件+γA<01.2.2單晶硅的生長1.2.2單晶硅的生長1.2.2.1單晶生長機(jī)理2.結(jié)晶動力學(xué)忽略對流和輻射在界面處單位體積內(nèi)的熱流平衡方程為：T≈0直拉法有最大提拉速率L=340cal/g10℃/cmρ=2.33g/cm3ks=1.5W/cm·℃爐絲最大拉升速率并不等于計算值拉升速率對晶體質(zhì)量的影響：速率過快：缺陷增多，甚至結(jié)晶不是單晶速率過慢：界面附近晶體缺陷會結(jié)團(tuán)實際拉升速率必須考慮質(zhì)量和效率兩方面因素1.2.2單晶硅的生長1.2.2.1單晶生長機(jī)理MCZ-3000型單晶爐1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）MCZ法工藝與CZ法的基本相同1.2.2單晶硅的生長洛侖茲力:f=qν×HOOOO附面層1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）1.2.2單晶硅的生長HMCZ2）橫向磁場3）尖角形磁場VMCZ1）縱向磁場vv1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）1.2.2單晶硅的生長JN-FZ-3A型高真空懸浮區(qū)熔單晶爐二、單晶硅的生長1.2.2.3懸浮區(qū)熔法（FZ）1.2.2單晶硅的生長硅熔區(qū)的表面張力與重力保持平衡籽晶與多晶硅的熔接是區(qū)熔法拉單晶的關(guān)鍵摻雜，采取在多晶錠中預(yù)埋含雜質(zhì)元素的硅合金芯體沒有坩堝的污染，能生長無氧、高純度的單晶硅錠難以拉制大直徑的硅錠。1.2.2.3懸浮區(qū)熔法（FZ）1.2.2單晶硅的生長三種方法比較及發(fā)展趨勢CZ法工藝成熟，晶錠直徑大，但有氧。MCZ法相對于CZ法，無氧、質(zhì)量好，但設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)成本大幅提高。FZ法相對于CZ，無氧、純度更高、單晶質(zhì)量好。但能拉制的晶錠直徑小。上述三種方法都朝著增大直徑，提高質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本方向發(fā)展。1.2.2單晶硅的生長1.3.1硅晶體中的缺陷與雜質(zhì)實際硅晶體中的缺陷與雜質(zhì)零維點缺陷一維線缺陷二維面缺陷和三維-體缺陷雜質(zhì)本質(zhì)上也是晶體中的缺陷1.3硅晶體缺陷1.點缺陷硅晶體點缺陷有三種：自填（間）隙原子雜質(zhì):空位替位雜質(zhì)填（間）隙雜質(zhì)1.3硅晶體缺陷1.點缺陷空位和自填隙原子對稱為弗倫克爾（Frenkel）缺陷空位稱為肖特基（schottky）缺陷空位的平衡濃度比自填隙平衡濃度高得多1.3硅晶體缺陷1.點缺陷空位有：A，A-、A2-…A4-，A+…A4+帶電子或失電子空位的平衡濃度也可以計算得出：1.3硅晶體缺陷1.點缺陷替位雜質(zhì)主要是Ⅲ、Ⅴ族原子：硼、磷、砷，銻等。有電活性。摻磷摻硼空穴自由電子1.3硅晶體缺陷1.點缺陷填隙雜質(zhì)如C、Na、H、K、Li等。無電活性。填隙—替位雜質(zhì)如O、Au、Fe、Cu等位于間隙位置的無電活性，位于替位位置的具有電活性。1.3硅晶體缺陷混合位錯螺位錯刃位錯螺位錯2.線缺陷位錯刃位錯：位錯線與滑移矢量垂直螺位錯：位錯線與滑移矢量平行bEFbbEF┴1.3硅晶體缺陷2.線缺陷⊥⊥∥∥⊥⊥刃位錯的滑移螺位錯的滑移刃位錯的攀移滑移消失1.3硅晶體缺陷2.線缺陷滑移面硅晶體的（111）面是滑移面滑移面滑移面滑移面1.3硅晶體缺陷3.面缺陷和體缺陷AAAAAAABBBCCC層錯面ACBACBA[111]堆垛層錯(stackingfault)，簡稱層錯。1.3硅晶體缺陷3.面缺陷和體缺陷結(jié)團(tuán)現(xiàn)象：指晶體中的低維缺陷濃度高時將傾向于集聚，形成更高維缺陷，從而釋放能量的現(xiàn)象。體缺陷：雜質(zhì)結(jié)團(tuán)，空隙1.3硅晶體缺陷1.4.1晶體摻雜摻雜濃度分類輕摻雜，可記為n--Si、p--Si中等摻雜，可記為n-Si、硅錠摻雜方法液相摻雜氣相摻雜摻雜，可記為n+-Sip+-Si中子輻照摻雜，又稱中子嬗變摻雜(NeutronTransmutationDoping,NTD)1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.2.1液相摻雜將雜質(zhì)放入坩鍋的多晶中，由熔體摻入硅錠：直接摻雜母合金摻雜例題，生長電阻率為1Ω·cm的n-Si，多晶硅重量為50kg，雜質(zhì)為磷，需摻多少磷？若先制備1:10的磷硅合金？需摻多少合金？若稱量誤差為±1mg？分別計算誤差百分比？磷的原子量是30.97；原子量單位為1.661×10-21mg：Wp=1.661×10-21×30.97×1.287×1020≈6.62mgWSiP=6.62×10≈66.2mg誤差：1/WP=±15%誤差：1/WSiP=±1.5%CP=6×1015atoms/cm31.4硅晶體中的雜質(zhì)分凝現(xiàn)象雜質(zhì)在不同相中的溶解度不同的現(xiàn)象分凝系數(shù)k：k=Cg/Cl蒸發(fā)現(xiàn)象熔體中的雜質(zhì)從表面進(jìn)入到氣相中的現(xiàn)象蒸發(fā)常數(shù)E：N=EACl硅中常見雜質(zhì)的分凝系數(shù)和蒸發(fā)常數(shù)參數(shù)BPAsSb分凝系數(shù)0.800.350.270.02蒸發(fā)常數(shù)5×10-610-45×10-37×10-21.4.2.1液相摻雜1.4硅晶體中的雜質(zhì)影響硅錠摻雜濃度的主要因素坩鍋污染：SiO2→Si+O2雜質(zhì)分凝：晶錠雜質(zhì)濃度軸向呈由低到高分布其它因素：雜質(zhì)的蒸發(fā)、真空度、工藝衛(wèi)生等nOρ1.4.2.1液相摻雜1.4硅晶體中的雜質(zhì)懸浮區(qū)熔法1.4.2.2.氣相摻雜PH3PH3PH3PPP在單晶爐內(nèi)通入的惰性氣體中加入一定量的含摻雜元素的氣體，如，PH3、B2H6，在雜質(zhì)氣氛下，P、B等溶入熔體，然后摻入單晶體內(nèi)。雜質(zhì)的蒸發(fā)常數(shù)應(yīng)小難以制備輕摻雜硅錠。1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.2.3中子輻照摻雜硅有三種同位素：28Si：92.28%,29Si：4.67%,30Si：3.05%.硅錠放在核反應(yīng)堆中進(jìn)行中子輻照30Si有中子嬗變現(xiàn)象：

30Si→31Si+γ

31Si→31P+e中子Nmax=5×1022×3.05%=1.53*1021atoms/cm3中子輻照會產(chǎn)生缺陷需要高溫?zé)崽幚砣コ?.4硅晶體中的雜質(zhì)硅晶體中各種雜質(zhì)的固溶度曲線1.4.3固溶度與相圖固溶體：在一種晶體內(nèi)摻入雜質(zhì)，達(dá)到一定濃度之前，這種晶體仍保持原結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)不會結(jié)團(tuán)或沉積，這樣的晶體稱為固溶體。固溶度：一定溫度，雜質(zhì)B在晶體A中具有的最大平衡濃度。1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.3固溶度與相圖相圖：用來討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示方法鋁-硅體系相圖共晶點577℃共晶點時鋁中硅原子的原子濃度為1.59%1.4硅晶體中的雜質(zhì)鍺硅相圖1.4硅晶體中的雜質(zhì)1.4.3固溶度與相圖1.5硅片的加工1.工藝流程腐蝕液：HF:HNO3=3:11.5硅片的加工硅片主要晶向、晶型的定位平邊主平邊次平邊1.5硅片的加工2.硅片規(guī)格及用途按直徑劃分：主要規(guī)格3~18英寸（75~450mm），IC集成度越高使用的硅片尺寸就越大按拋光面劃分：單拋多用于