微电子制造工艺Ch-3

3、冷凝器， 4、回流管， 5、出料口
精馏
还原（氢还原） SiHCl3+H2—1100~1200C→Si+3SiCl4+2H2 还原过程中的各种不完全 反应尾气化合物将影响纯度
2）硅烷法（SiH4） a）合成法： SiCl4+4LiH→SiH4↑+4LiCl b）硅化镁分解法： 2Mg+Si →Mg2Si Mg2Si+4NH4Cl —液NH3→SiH4 ↑ +2MgCl+4NH3
双面抛光（DSP）
7、Identification Marking，Cleaning， Gettering，and Shiping
• 硅片加工流程：
外观整形 测试、定位
子流程：
晶棒粘着 切片 硅片拆卸 清洗、检验
工艺规范: 粘胶配制 粘接温度 固化时间
定向切片
倒角 磨片 抛光 后腐蚀
清洗、包装
impurity Al As B C Cu Fe O P Sb
k0 0.002 0.3 0.8 0.007 4x10-4 8x10-6 1.25 0.35 0.023
3) O、C的控制 来源：？ 检测：FTIR 改善：MCz （P23~25）
通常：O：~1018 cm-3 C：<1017 cm-3 用途: a)绝大多数分离器件(：1~10cm) b)集成电路衬底
2、Cz-Si生长工艺：（19-25页）
工艺控制： 缩颈(Necking)；零位错生长 温度场的分布；（缺陷、杂质、二次热缺陷） 旋转速率；（温度场的均匀、杂质均匀） 提升速率；（直径、缺陷、应力） 弯月面的控制；（生长测控的特征面） 气场的控制；（缺陷、杂质）
冷却过程中的缺 陷；热历史对材 料和以后的器件 性质产生影响。
籽晶
B2O3
优点：生长快、成本 低； 缺点：位错密度高 （热应力大）
措施：后热退火
（Post-annealing）
也适合于InP、GaP等 材料的生长
名词：HPLEC
3.4.2 Bridgman Growth (p27) HB法(Horizontal Bridgman)
优点：
装置“简单”；容易控制；缺陷密度较小；
• 相律 P+F=C+2 P:系统中的相数 F:自由度 C:组元数
– 三相点
• 无限互溶、多相共存（F 2.1、F2.3）
3.1.2Impurity Solid Solubility (12页、p.11-阅读）
最大固溶度
Frozen-in Precipitation Quenching
3.1.3 Phenomenon of Segregation (13页、p.25）
缺点：
形成“D”型晶体，使用率低； 不易得到高阻材料； 与石英舟的接触面大；
改进：VB or VGF Method
(Vertical Bridgman；Vertical Gradient Freeze）
VGF
6in ~10Mcm Dislocation：
2~5103cm-3
• 3.6晶片的加工
7、材料参数测量？
• 3.1 Phase Diagram
—Phase-change, Solid Solubility & Segregation
相图—相变、固溶度与分凝 3.1.1Phase Diagram (9-12页）
• 基本性质 • Lever rule（杠杆法则）
WS C M C L L WL C S C M S
• 3.7晶片的杂质吸出工艺（18~19页）
– 杂质吸除 Gettering (晶体工程） – 外吸出（背吸除） – 背面淀积多晶硅薄膜（1~2m），并在 ~700C退火 – 内吸出 – 三段式氧吸除： – 1100C氧外扩散10h； 750C氧成核4h多次； 1000C氧吸除4h多次
– 氢、氦微孔结构的吸杂作用
Equilibrium Segregation Coefficient
k=CS/CL , (& k=CS1/CS2，or *** )
• 3.2 高纯多晶硅的制备
地球上最多的元素是Si， 化合物是石英砂（SiO2）， 与焦碳混合，在电炉中还原（1600~1800°C） 可以获得95~99%的工业粗硅（冶金级硅）。
3、杂质分布的控制： 1) 杂质的掺入, (高掺杂Si) ：0.001~100 cm 2) Segregation：17~20页；P23~24 生长附面层与有效分凝系数
附面层：
熔融体附面，杂质附面
公式（2-13) 例2-1 g=单晶硅重量/初始熔硅重量 g=0，0.1，0.5，0.8； C0=1x1015 atoms/cm3， （B）=15.3，14.98，13.3，11.1， （P）=14.4，13.4， 9.72，4.46，
MGS（Metallurgical Grade Silicon）
SiO2+2C=Si+2CO↑
1、硅粉的酸洗 HCl、王水、（HF+H2SO4）、蒸馏水
2、中间化合物的精馏提纯与高纯多晶硅 的还原 1）三氯氢硅法 （SiHCl3，trichlorosilanes—TCS） 合成 Si+3HCl←→SiHCl3+H2 通过控制温度、气压等，抑制SiCl4、 SiH2Cl2、SiH3Cl、SiH4的产生
偏向（offorientation） 内圆切割 Inner Diameter （ID Saw） 切片厚度？m
损伤层厚度~m
线切割（Wire Saw）
5、倒角（Edge-rounded） 边缘破裂、热应力缺陷、边缘平坦度
6、Etching & Polishing（腐蚀与抛光）
CMP（化学机械抛光）
3.3.2 Float-zone (悬浮区熔法—Fz-Si） 1、目的：
获得低O、C含量的Si 2、方法 F2.15(P.28、29)
• • • •
3、特点 Fz的纵向均匀 性比Cz好些; 可以多次区熔 提纯,获得探测 器级单晶硅; 难以制备大直 径单晶 掺杂浓度难以 控制
4、NTD Si （Neutron Transmutation Doping，中子嬗 变掺杂） 1）掺杂：
2）退火
电激活、与辐照损伤的消除
Fz-Si的O、C含量低于1016cm-3 电阻率一般大于100cm p型（掺B）材料均匀性较好 n型材料常以NTD方式获得 （可得~10 cm）的材料） 用于大功率器件和探测器
• 3.4其它化合物半导体材料的晶体生长 3.4.1. GaAs的LEC （液封直拉法）p26 （Liquid Encapsulated Czochralski Growth）
• H、He注入——退火成核——吸杂
• 回顾! 1、什么是CZ-Si、FZ-Si、MCZ-Si、NTD-Si？
基本工艺原理、材料特点和用途？ 2、GaAs等化合物半导体材料生长的工艺特点？ 3、什么是分凝效应？对材料工艺有什么影响？ 4、NTD-Si的制备中，高纯Si在反应堆中经热中 子辐照后，为什么还要进行退火处理？ 5、晶片的加工的主要工艺流程是什么？ 6、什么是杂质吸出工艺？什么是氧内吸出工艺？ 7、硅片加工工艺原理和工艺过程是什么？
3.6.1. 器件对材料的要求(p31, T2.3, 2.4)
3.6.2. Wafer Processing （Slicing，Etching，and Polishing）
1、去头、去尾、测试和分段 (外观、纵向均匀性） 2、滚磨（ROUNDING）
3、定向、磨参考面（Orientation） 4、 Slicing（切片） 晶棒（ingot）粘着
Chapter 3
Single-Crystal Growth &Wafer Preparation 硅单晶的生长与硅片加工
• 本章重点掌握： 1、什么是CZ-Si、FZ-Si、MCZ-Si、NTD-Si？
基本工艺原理、材料特点和用途？ 2、GaAs等化合物半导体材料生长的工艺特点？ 3、什么是分凝效应？对材料工艺有什么影响？ 4、NTD-Si的制备中，高纯Si在反应堆中经热中 子辐照后，为什么还要进行退火处理？ 5、晶片的加工的主要工艺流程是什么？ 6、什么是杂质吸出工艺？什么是氧内吸出工艺？ 期工艺原理和工艺过程是什么？
硅烷热分解 SiH4—900C→Si+2H2
三氯氢硅法较经济 效率高；９Ｎ 硅烷法成本高，纯度高
基B的残留！
ＳＧＳ
Electronic-grade Silicon （EGS）
• 3.3单晶硅的生长(pp19~25) • 3.3.1 Czochralski (切克劳斯基）Growth （直拉法单晶生长，Cz-Si） 1、原理：在适当的温度梯度、气压 下，熔融的硅在高度完美的籽晶（Seed） 的旋转牵引下可控地生长。
原因：在高温下，Ga、As的蒸气压有很大的不 同（Ga：~0.001atm；As：~10atm） 即：在晶体外保持10atm的As气压才能不使 GaAs晶体中的As分离→逸出。 Henry’s Low：Pi=HNSi 事实上，在~500°C热处理时， GaAs晶体近表 面（~m）的As已பைடு நூலகம்会有严重的逸出。