第三章 硅和硅片制备

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1、东南大学无锡分校第三章硅和硅片制备东南大学无锡分校晶体生长东南大学无锡分校§3.1半导体级硅东南大学无锡分校一、半导体级硅semiconductor-gradesilicon，SGS高纯度硅，纯度99.9999999%矿石→SGS↑沙子、石英二、半导体级硅的制备东南大学无锡分校制备半导体级硅(SGS)的过程步骤过程描述反应方程式用碳加热硅石至2100℃左1右来制备冶金级硅(MGS)SiC(s)+SiO2(s)Si(l)+SiO(g)+CO(g)（杂质大约2%）通过化学反应将冶金级硅进2一步提纯为三氯硅烷Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)

2、+H2(g)+heat(SiHCl3)利用西门子方法，通过三氯3硅烷和氢气反应来生产半导2SiHCl3(g)+2H2(g)2Si(s)+6HCl(g)体级硅(SGS)三、硅的晶体结构东南大学无锡分校1.晶向东南大学无锡分校晶列：晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线系上晶向：空间点阵中各阵点列的方向（连接点阵中任意结点列的直线方向）（一族晶列所指的方向，可由连接晶列中相邻格点的矢量的方向来标记）晶向指数：2.晶向族---等效晶向东南大学无锡分校晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用表示<100><1

3、10><111>3.晶面东南大学无锡分校晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面（在点阵中由结点构成的平面）晶面指数：（hlk）ZZZYYYXXX(100)(111)(110)硅晶圆中最常使用的晶面是(100)和(111)砷化镓技术使用（100）晶面的晶圆用来制造MOS器件和电路（100）晶面的硅片（111）晶面的晶圆用来制造双极性器件和电路4.晶体缺陷东南大学无锡分校(1)定义在重复排列的晶胞结构中出现的任何中断，实际晶体中原子排列与理想晶体的差别。(2)晶体缺陷的影响A：生长出不均匀的二氧化硅膜B：淀积的外延膜质量差C：掺杂层不均匀D：在完成的

4、器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。东南大学无锡分校每个圆片的完好芯片数成品率100%每个圆片的芯片数单位面积缺陷数芯片面积芯片成品率1（工艺参数α约为3）4芯片成本f(芯片面积)圆片成本芯片成本每个圆片芯片数芯片成品率2圆片直径/2圆片直径每个圆片的芯片数芯片面积2芯片面积(3)硅中三种普遍的缺陷形式点缺陷：原子层面的局部缺陷位错：错位的晶胞层错：晶体结构的缺陷东南大学无锡分校A：点缺陷形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致替位杂质空位填隙杂质Frenkel缺陷11东南

5、大学无锡分校B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因：晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏东南大学无锡分校C：层错常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和孪晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。四、硅晶圆制备的四个阶段东南大学无锡分校芯片制造的第一部分：材料准备A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变芯片制造的第二部分：晶体生长和晶圆制备C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备东南大学无锡分校①冶炼SiO+C→Si+CO↑或者2SiC(s)SiO(

6、s)Si(f)SiO(g)CO(g)2得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。②酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、HSO、王水，24HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。15东南大学无锡分校③精馏提纯将酸洗过的硅转化为SiHCl或SiCl，34Si+3HCl（g）→SiHCl↑+H↑32Si+2Cl2→SiCl4↑好处：常温下SiHCl与SiCl都是气态，SiHCl的沸点仅为31℃343④还原多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：SiCl+2H→Si+4HCl42SiHCl+

7、H→Si+3HCl32原因：氢气易于净化，且在Si中溶解度极低§3.2单晶硅生长东南大学无锡分校定义:把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类：有坩埚的：直拉法、磁控直拉法、液体掩盖直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。晶体生长：半导体级多晶硅转变为单晶硅硅锭一、CZ（Czochralski）法（直拉法）东南大学无锡分校1.起源1918年由Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。2.设备石英坩埚、高频加热线圈等3.材

8、料半导体多晶材料和掺杂物、籽晶晶体生长的结构与籽晶晶体结构一致东南大学无锡分校东南大学无锡分校4.直拉法目的