chapter 4(zhang)

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1、第四章硅和硅片制备学习目标：1、描述硅原材料怎样精炼成半导体级硅2、解释晶体结构和单晶硅的生长办法3、硅晶体的主要缺陷种类4、硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到硅片完成的过程5、陈述并讨论对硅片供应商的7种质量标准6、解释什么是外延（Epitaxy）及其对硅片的重要性单晶硅生长4.1引言天然硅石提炼成非常纯净的硅材料硅原子级的微缺陷减到最小特定的晶向适量的掺杂浓度半导体硅片制备所需的物理尺寸4.2半导体级硅（semiconductor-gradesilicon）表4.1制备半导体级硅（SGS）的过程步骤过程描述反应方

2、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半导体级硅半导体级硅的西门子反应器百万分之（ppm）二的碳元素和少于十亿分之（ppb）一的III、V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64.3晶体结构非晶

3、材料（不能使用）　　材料不仅有高纯度，必须是单晶材料晶胞多晶和单晶结构晶向4.3晶体结构（单晶、多晶和非晶）晶体的原子排列4.3晶体结构（单晶、多晶和非晶）非晶原子结构面心立方结构多晶和单晶结构多晶：局部有序单晶：长程有序PolycrystallinestructureMonocrystallinestructure4.4晶向（晶面的米勒指数）MOS器件采用（100）晶向硅片（最低的SiO2/Si界面态密度）；双极器件采用（111）晶向的硅片ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)124.5单晶硅的生长（G

4、rowth）CZ(Czochralski切克劳斯基）CZ拉单晶炉DopingImpurityControl区熔法Float-Zone追求更大硅锭的原因4.5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被掺杂成n型或p型的固体硅锭主要参数：拉升速率和旋转速率4.5单晶硅生长15CZCrystalPullerPhotographcourtesyofKayexCorp.,300mmSicrystalpuller4.5单晶硅生长下种，又名引晶。多晶材料全熔后，升坩埚到拉晶位置，使熔硅位于加热器上部，把籽晶

5、下降到页面上方3~5mm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晶头部结晶。4.5单晶硅生长收颈，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。主要作用在于接触不良导致的多晶以及籽晶内部原有位错的提升。4.5单晶硅生长放肩：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。4.5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，升高拉速，使直径不再增大，称为收肩。此后保持直径不变。4.5单晶硅生长随着晶体的生长，坩埚中的熔硅不断减少，熔硅

6、中杂质含量相对提高，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，使直径逐渐变小。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熔体中2、氧的吸杂效应（Gettering）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---硅的缺陷工程HLH过程（高温-低温-高温）掺杂与杂质控制纯Si电阻率2.5×105欧姆.cm22硅中电阻率和掺杂浓度之间的关系4.5.2区熔法（Floating）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然后放入生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅

7、棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法的最主要部分。2、纯度高、含氧量少（生长环境为惰性气氛，不采用石英舟）4.5.3追求更大直径的硅锭WaferDimensions&AttributesTable4.3300mm硅片尺寸和晶向要求的发展Table4.4294.6硅晶体中的缺陷Defects三种典型的缺陷:1.点缺陷-Localizedcrystaldefectattheatomiclevel2.位错-Displacedunitcells３．层错-Defectsincrystalstructure（没有缺陷的晶体是不可能

8、的）4.6.1点缺陷—原子层面的局部缺陷31硅中的杂质III族，受主杂质V族，施主杂质，集成电路中，主要是替位式固溶体外来原子造成晶格形变4.6.2位错—错位的晶胞（正常的晶胞形成重复型结构）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（OISF）4.6.3层错滑移—沿着一个或更多的平面发生滑移4.6.3层错孪生平面—就