第五章硅片制备

西门子反应器
生长的多晶硅
§ 4.2 晶体结构和晶向
集成电路的衬底采用什么结构？ 集成电路的衬底采用什么晶向？
固体分为： 非晶体 多晶体 晶体
非晶
多晶
单晶
制作集成电路的衬底材料
非晶：没有重复结构 ， 多晶：部分重复结构 单晶：完全重复结构，制造集成电路
的衬底材料。
晶向
<100>晶面
缺陷分类：
点缺陷 线缺陷——位错 面缺陷——层错 体缺陷
一、点缺陷
自间隙原子、空位、替位杂质、间隙杂质 弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷 本征缺陷，非本征缺陷
点缺陷在晶体中扮演的角色
1.有益：掺杂原子的替位型缺陷 2.无益：金属杂质沾污的填隙缺陷
二、位错
一维缺陷；单晶内部一组晶胞排错位置所制。
刃位错
螺位错
位错分类
原生位错：是晶体中固有的位错。
诱生位错：是指在芯片加工过程中引入 的位错，其数量远远大于原生位错。
产生位错的原因
大致可分为三个方面：
高温工艺过程引入的位错 掺杂过程中引入的位错 晶体的物理损伤引入的位错
在单晶硅生长过程中，应该避免位错 的出现。
位错对晶体的影响
位错是应力存在的标志。
单晶生长的过程：
（1）下种 （2）缩颈； （3）放肩； （4）等颈生长； （5）收尾。
单晶锭
直拉法中的掺杂
方式：掺杂杂质加入到粉碎的硅粉中。 方法： 元素掺杂
合金掺杂
区熔法
制备过程：
1）将掺杂好的多晶硅棒和籽晶 一起竖直固定在区熔炉内，多 晶棒底部和籽晶接触；
2）抽真空或通入惰性气体；
3）射频线圈通电流将多晶硅熔 化；
2、气体掺杂
PH3、AsCl3、BCl3 3、小球掺杂
适合分凝系数较小的杂质
4、中Байду номын сангаас嬗变掺杂
n型轻掺杂
30 14
Si
n0
1341Si1351P
两种生长方法的比较：
直拉法
区熔法
直径 杂质含量
大直径（300mm） 小直径 （150mm）
高
低
电阻率 低
高
成本
低
高
§4.4 硅中的晶体缺陷和杂质
本节目的：讨论晶体中的各种缺陷和杂 质，以及它们在晶体中扮演的角色。
非本征吸杂 ---引入应变或损伤区。
三、面缺陷——层错
二维缺陷 氧化层错 外延层错
六角密排晶格
面心立方晶格
硅中杂质
有意的掺杂： 作用： n型半导体、 p型半导体
第四章 硅片制备
本章研究目的：研究硅片的制备过程，
即 沙子
硅片
包括： 硅的提纯
单晶硅生长
硅片制备
本章主要内容：
硅的提纯 硅晶体结构和晶向 单晶硅生长 晶体缺陷和硅中杂质 硅片制备
以下是订购硅晶圆时，所需说明的规格：
项目 晶面
外径(吋) 厚度(微米)
杂质 阻值(Ω-cm) 制作方式 拋光面 平坦度(埃)
直拉单晶炉
熔融物质再结晶必备的条件：
降温 结晶中心
--籽晶: 单晶硅，无位错，晶向正，电阻率
高，表面没有任何损伤和杂质沾 污……
单晶拉制过程
1.清洁处理----炉膛、多晶硅、籽晶、掺杂剂、 坩埚等等
2.装炉----装多晶硅、掺杂剂 3.抽真空 4.回充保护性气体 5.加热融化----15000C左右 6.单晶拉制 7.关炉降温
缺点：是难以避免来自石英坩埚和加热装置 的杂质污染。
杂质污染：氧、碳 应用：生长大直径低电阻率的硅单晶。
区熔法特点：
优点：氧、碳含量低。 缺点：硅棒直径小，不能生长大直径的单
晶；并且掺杂困难。
应用：生长高纯度单晶硅；或单晶硅进一 步提纯。
区熔法的掺杂
1、芯体掺杂
适合扩散系数比较大的杂质；
<111>晶面
§4.3 单晶硅生长
多晶硅
单晶硅
晶体生长：把多晶块转变成一个大单 晶，并给予正确的晶向和适量的N型或
P型掺杂。
单晶硅生长方法
目前主要有两种不同的生长方法：
直拉法（CZ法） 区熔法
直拉法（CZ法）
85%的单晶都 是通过直拉法 生长的。
旋转卡盘
籽晶
生长晶体
射频加热线圈
熔融 硅
直拉单晶炉
硅的提纯过程
1.用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS） 2. 通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯
硅烷 3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气反应
来生产半导体级硅（SGS）
1.用碳加热硅石制备冶金级硅（MGS）
SiO2和碳（用煤和焦炭）加热到大约 2000oC
2C SiO2 Si 2CO
冶金级硅纯度98% 含大量杂质：铝、铁
杂质容易聚集在位错线附 近，沿位错线沉积。
1.有源区：无论是原生的还是诱生的缺陷对 器件特性都是不利的，因此在芯片制造过程 中都应该尽量避免。 2.非有源区：可以利用这些缺陷进行杂质的 吸杂。
杂质的吸杂
吸杂： 晶体中的杂质和缺陷扩散并被捕获在 吸杂位置的过程。
两种方法：本征吸杂 ---利用硅片中固有的氧原子
4）融化区从多晶硅底部区域开 始，然后慢慢地向上移动，形 成单晶硅；
5）反复多次，使硅棒沿籽晶生 长成具有预期电学性能的单晶 硅。
惰性气体 （氩气）
滑动射 频线圈
籽晶
行进 方向
通入惰性气体
上卡盘 多晶硅棒
熔融区
下卡盘
直拉法与区熔法比较
直拉法特点：
优点：工艺成熟，能较好地拉制低位错、大 直径的硅单晶。
晶圆片的直径；晶片的平整度；晶格的完整性；纯度； 晶向；导电类型（P型或N型）；电阻率；
例：
<100>晶向无缺陷的单晶硅片 8英寸硅片，硅片厚度约700um p 型硅片，电阻率为10-50Ωcm
§4.1 硅的提纯
半导体级硅（SGS）或电子级硅： 用来做硅片的高纯硅被称为半导体级硅 （SGS）或电子级硅。 纯度：99.9999999%
说明 {100}、{111}、
{110} ± 1o 3456 300~450 450~600
550~650 600~750(±25) p型、n型 0.01 (低阻值) ~ 100 (高阻值)
CZ、FZ (高阻值) 单面、双面
300 ~ 3,000
准备工作——衬底选择
常用的Si、Ge、GaAs选用的指标主要有：
2.通过化学反应将冶金级硅提纯生成三氯 硅烷
（1）冶金级硅磨成粉末，在催化剂的 情况下，高温度与HCl反应。
Si(s) 3HCl (g) SiHCl3 (l) H 2 (g)
（2）蒸馏提纯
SiHCl3和其中的杂质一起沸腾并由于沸 点不同而分离。
SiHCl3沸点31.40C
冶金级硅的提纯
3.利用西门子法，通过三氯硅烷和氢气 反应来生产半导体级硅（SGS）