集成电路制造技术 西交大 工程硕士 硅片的制备

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1、集成电路制造技术原理与工艺第2章硅片的制备1绪论用来制造IC的硅衬底材料有两种方法，一种是由石英砂经过冶炼、提纯，制备出高纯度多晶硅，然后由高纯多晶硅熔体拉制出单晶硅锭，再经过切片、磨片、抛光等工艺制备而成。另一种是在单晶衬底上通过“外延”工艺生长单晶硅外延片。这一章将介绍：2.1多晶硅的制备2.2单晶硅生长2.3硅片加工22.1多晶硅的制备制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学、物理的提纯工艺就制出半导体纯度的多晶硅。电子级多晶硅纯

2、度可达11N。32.1.1冶炼冶炼是采用木炭或其它含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的含量在98-99﹪之间，称为冶金级硅，也称为粗硅或硅铁。SiO2+2CSi+2CO↑主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。1600-1800℃42.1.2提纯酸洗(hydrochlorination)硅不溶于酸，所以粗硅初步提纯是用HCl、H2SO4、王水、ＨＦ等混酸泡洗至Ｓi含量99.7%以上。－－化学提纯Si+3HCl→SiHCl3+H2Si+2Cl2→SiCl4蒸馏提纯(distill

3、ation)利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯－－物理提纯先将酸洗过的硅氧化为SiHCl3或SiCl4，常温下SiHCl3(沸点31.5℃)，与SiCl4(沸点57.6℃)都是液态，蒸馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4。分解(discomposition)氢气易于净化，且在Si中溶解度极低，因此，多用H2来还原SiHCl3和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl52.2单晶硅生长采用熔体生长法制备单晶

4、硅棒多晶硅→熔体硅→单晶硅棒按制备时有无使用坩埚又分为两类有坩埚的：直拉法、磁控直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。62.2.1直拉法---Czochralski法(CZ法)1918年，切克劳斯基（J.Czochralski）从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。在20世纪50年代初期，G.K.Teal和J.B.Little采用类似的方法从熔融硅中拉制出了单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。目前拉制的单晶硅锭直径已可达450mm（18英寸）。。图2-1直拉法生长单晶硅装置示意图籽晶熔融多晶硅热屏蔽水套单晶硅

5、石英坩锅碳加热部件单晶拉伸与转动机械7单晶炉四部分组成：炉体部分有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动部分加热控温系统有光学高温计、加热器、隔热装置等；真空部分有机械泵、扩散泵、测真空计等；控制部分电控系统等图2-2TDR-A型单晶炉照片8直拉法-Czochralski法(CZ法)在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当晶向的籽晶，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液-固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。9CZ法工艺流程准备腐蚀清洗多晶-籽晶准备-装炉-

6、真空操作开炉升温-水冷-通气生长引晶-缩晶-放肩-等径生长-收尾停炉降温-停气-停止抽真空-开炉缩颈作用示意图10引晶是将籽晶与熔体很好的接触。缩晶在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有2-3mm。放肩将晶体直径放大至需要的尺寸。等径生长拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。拉升速度、转速，以及温度决定晶体直径大小，缩晶与放肩处的直径也是由拉升速度、转速，以及温度控制。收尾结束单晶生长。生长11籽晶是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶有相同的晶向；籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小

7、熔体向晶体转化时必须克服的能垒（即界面势垒）。籽晶的作用12缩颈缩颈能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的颈部表面时就终止了。为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。13提拉速度，晶体的质量对提拉速度很敏感，典型的拉杆提拉速度一般在10μm/s左右。在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。点缺陷结团后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。温度场的分布应适当，实际上坩埚内熔体温度

8、呈一定分布。籽晶的质量，晶格完好，表面无划痕、无氧化物。缩颈，目的是终止籽晶位错和缺陷，可多次缩颈。晶锭（棒）质量控制14CZ法缺陷直拉法生长单晶硅多是采用液相法掺杂，液相法掺杂受杂质分凝、杂质蒸发，以及坩埚污染影响大，因此，直拉法生长的单晶硅掺杂浓度的均匀性较差。纵向考虑杂质分凝横向温度场坩埚影响，即氧的引入SiO2→Si+O2152.2.3晶体掺杂轻掺杂（n-—Si、p--Si）杂质浓度在1014—1016/cm3之间，多用于大功率整流器件；中等掺杂（n—Si、p