第二章晶体制备(2016)
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•区熔法 – 可制备纯度更高的单晶硅 – 设备更贵，可制备的硅棒直径较小 (150 mm) – 主要用于制备功率器件、高压器件等
第三节 晶圆的制备工艺
单晶硅圆片的制备主要包括外圆研磨、晶片定向、切片、倒角、磨片抛光工艺。
1、外圆研磨
2、晶片定向
用X射线定晶向，沿纵向磨出几个平面（基准面和辅助面），用以帮助 识别晶片划片方位、以及晶片晶向及导电类型
Electronic Grade Silicon
非晶
晶粒 晶粒
多晶
晶粒
单晶
Electronic Grade Silicon
单 晶 硅锭或棒
第二节 单晶硅的制备方法
单晶硅的制备主要是通过对高纯多晶硅的熔化，用提拉法 （CZ法） 、区熔法（ FZ法）等方法制备。
单晶硅制备的CZ法
CZ法的单晶拉制是被普遍 采用的晶体生长方法。它是将 多晶硅料放在铂或铱坩埚中加 热熔化，在适当的温度下，将 籽晶浸入液面，让熔体先在籽 晶的末端生长，然后边旋转边 慢慢向上提拉籽晶，因为籽晶 是慢慢浮出熔化物的，籽晶和 熔化物间的表面张力在籽晶表 面上形 成一层薄的硅膜，然后 冷却。冷却时，已熔化硅中的 原子会按照籽晶的晶体结构自 我定向，形成与籽晶同样的晶 体结构，即单晶。晶体即从籽 晶末端开始逐渐长大，这种方 法又称提拉法、直拉法。在国 内比较普遍，容易实现，且单 晶炉价格较FZ（区熔）法拉制 的设备便宜很多。
思考题
• 画一个提拉法晶体生长的示意图并指出你 认为重要的部位。
Thanks for listening
Czochralski Growth 提拉法生长晶体示意图
籽晶浸没
长细颈
放肩
等直径生长
CZ法单晶拉制过程 一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
CZ Crystal Pullers CZ法单晶拉制设备
提拉法单晶硅生产车间
单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450 毫米）等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。 但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。 Intel为研制和生产300毫米硅锭而建立 的工厂耗费了大约35亿美元，新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高，功能 更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。
2000℃
SiO2 + 2C -ห้องสมุดไป่ตู้--> Si + 2CO2
上述过程在电弧炉中完成，能量消耗很高，约为14kwh／kg，因此硅的生产通常
冶金级多晶 硅（MGS）
在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行，这样被还原出来的硅的纯度约98 ％一99％，称为冶金级硅（MG一Si），主要用于冶金工业的添加剂。
（2）去除机械研磨损伤 Wet Etch
• Remove defects from wafer surface • 4:1:3 mixture of HNO3 (79 wt% in H2O), HF (49 wt% in H2O), and pure CH3COOH
（3）化学机械抛光 CMP
晶圆制备过程
硅来自哪里？
如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是 不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格 昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的 沙子，因为沙子里含有石英，石英中又含有硅。
第一节 多晶硅的制备方法
石英沙
单质化
1、由 无 水 氯 化 氢 和 MGS 反 应生 成三 氯 氢 硅（SiHCl3）
纯化
2、2SiHCl3(气态) + 2H2(气态) ---> 2Si(固态) + 6HCl(气态)
太阳级硅 (SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间
电 子 级 多 晶 硅（EGS）
一般要求含Si > 99.9999 %以上，超高纯达到99.9999999%～ 99.999999999%（9～11个9），是制造集成电路晶圆的主要原料。
Ingot Polishing, Flat, or Notch
3、切片
常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3一0.35mm，使晶体硅切割损失 较大，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下 降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只 有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小，可减少腐蚀的深度。一般可减 少硅材料的损失。目前先进的大公司基本上都采用该设备。一台设备可切割2一 4MW／年的硅片。近期研究出可将85％的碳化硅磨料及油液经过离心机分离后重复 使用工艺，可进一步降低材料消耗。
硅片尺寸（ 硅片尺寸（ Wafer SizeWafer Size））的变化趋势
单晶硅制备的FZ法
FZ法（区熔法）为将 一多晶硅棒(Polysilicon Rod)通过铜线圈等环带 状加热器，以产生局部 融化现象，再控制凝固 过程而生长单晶棒。熔 区被限制在加热器加热 的狭小范围内，绝大部 分的原料处于固态。加 热器从一端向另一端缓 慢移动，熔区也缓慢移 动，晶体逐渐生长。
区熔法生长晶体示意图
区熔法生长晶体过程示意图
区熔法的另一个主要用途在于材料的物理提纯。加热器不断地重复移动， 杂质被逐渐赶到一边，原料从而得到提纯。
两种单晶硅制备方法对比
•提拉法 –成本低，更常用，目前在硅单晶总产量中，80%以上是CZ硅，剩余约20%则主
要是FZ硅。 – 可制备大直径硅棒 (300 mm in production) –主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底
集成电路工艺
第二章 晶圆制备
本章内容
• 硅圆片是如何制备出来的
为什么现代集成电路主要用硅来制造？
• 丰富、廉价：地 壳 中 硅 含 量 丰 富,仅 次 于 氧， 达 25.7%。
• 热稳定性较好
多子
导带
+++ + + 杂质电离 本征激发
少子
价带
容易在其表面形成二氧化硅膜作为掺杂工艺的掩蔽层；同时 • 二氧化硅又是很好的绝缘介电层
晶圆
4、倒角
大圆片边缘加工成圆弧，即边缘轮廓整形，也叫倒角
5、磨平抛光
（1）双面机械研磨 Wafer Lapping
• Rough polished • conventional, abrasive, slurry-lapping • To remove majority of surface damage • To create a flat surface
第三节 晶圆的制备工艺
单晶硅圆片的制备主要包括外圆研磨、晶片定向、切片、倒角、磨片抛光工艺。
1、外圆研磨
2、晶片定向
用X射线定晶向，沿纵向磨出几个平面（基准面和辅助面），用以帮助 识别晶片划片方位、以及晶片晶向及导电类型
Electronic Grade Silicon
非晶
晶粒 晶粒
多晶
晶粒
单晶
Electronic Grade Silicon
单 晶 硅锭或棒
第二节 单晶硅的制备方法
单晶硅的制备主要是通过对高纯多晶硅的熔化，用提拉法 （CZ法） 、区熔法（ FZ法）等方法制备。
单晶硅制备的CZ法
CZ法的单晶拉制是被普遍 采用的晶体生长方法。它是将 多晶硅料放在铂或铱坩埚中加 热熔化，在适当的温度下，将 籽晶浸入液面，让熔体先在籽 晶的末端生长，然后边旋转边 慢慢向上提拉籽晶，因为籽晶 是慢慢浮出熔化物的，籽晶和 熔化物间的表面张力在籽晶表 面上形 成一层薄的硅膜，然后 冷却。冷却时，已熔化硅中的 原子会按照籽晶的晶体结构自 我定向，形成与籽晶同样的晶 体结构，即单晶。晶体即从籽 晶末端开始逐渐长大，这种方 法又称提拉法、直拉法。在国 内比较普遍，容易实现，且单 晶炉价格较FZ（区熔）法拉制 的设备便宜很多。
思考题
• 画一个提拉法晶体生长的示意图并指出你 认为重要的部位。
Thanks for listening
Czochralski Growth 提拉法生长晶体示意图
籽晶浸没
长细颈
放肩
等直径生长
CZ法单晶拉制过程 一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
CZ Crystal Pullers CZ法单晶拉制设备
提拉法单晶硅生产车间
单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450 毫米）等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。 但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。 Intel为研制和生产300毫米硅锭而建立 的工厂耗费了大约35亿美元，新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高，功能 更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。
2000℃
SiO2 + 2C -ห้องสมุดไป่ตู้--> Si + 2CO2
上述过程在电弧炉中完成，能量消耗很高，约为14kwh／kg，因此硅的生产通常
冶金级多晶 硅（MGS）
在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行，这样被还原出来的硅的纯度约98 ％一99％，称为冶金级硅（MG一Si），主要用于冶金工业的添加剂。
（2）去除机械研磨损伤 Wet Etch
• Remove defects from wafer surface • 4:1:3 mixture of HNO3 (79 wt% in H2O), HF (49 wt% in H2O), and pure CH3COOH
（3）化学机械抛光 CMP
晶圆制备过程
硅来自哪里？
如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是 不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格 昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的 沙子，因为沙子里含有石英，石英中又含有硅。
第一节 多晶硅的制备方法
石英沙
单质化
1、由 无 水 氯 化 氢 和 MGS 反 应生 成三 氯 氢 硅（SiHCl3）
纯化
2、2SiHCl3(气态) + 2H2(气态) ---> 2Si(固态) + 6HCl(气态)
太阳级硅 (SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间
电 子 级 多 晶 硅（EGS）
一般要求含Si > 99.9999 %以上，超高纯达到99.9999999%～ 99.999999999%（9～11个9），是制造集成电路晶圆的主要原料。
Ingot Polishing, Flat, or Notch
3、切片
常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为0.3一0.35mm，使晶体硅切割损失 较大，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下 降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只 有0.22mm，硅片可切薄到0.2mm，且切割的损伤小，可减少腐蚀的深度。一般可减 少硅材料的损失。目前先进的大公司基本上都采用该设备。一台设备可切割2一 4MW／年的硅片。近期研究出可将85％的碳化硅磨料及油液经过离心机分离后重复 使用工艺，可进一步降低材料消耗。
硅片尺寸（ 硅片尺寸（ Wafer SizeWafer Size））的变化趋势
单晶硅制备的FZ法
FZ法（区熔法）为将 一多晶硅棒(Polysilicon Rod)通过铜线圈等环带 状加热器，以产生局部 融化现象，再控制凝固 过程而生长单晶棒。熔 区被限制在加热器加热 的狭小范围内，绝大部 分的原料处于固态。加 热器从一端向另一端缓 慢移动，熔区也缓慢移 动，晶体逐渐生长。
区熔法生长晶体示意图
区熔法生长晶体过程示意图
区熔法的另一个主要用途在于材料的物理提纯。加热器不断地重复移动， 杂质被逐渐赶到一边，原料从而得到提纯。
两种单晶硅制备方法对比
•提拉法 –成本低，更常用，目前在硅单晶总产量中，80%以上是CZ硅，剩余约20%则主
要是FZ硅。 – 可制备大直径硅棒 (300 mm in production) –主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底
集成电路工艺
第二章 晶圆制备
本章内容
• 硅圆片是如何制备出来的
为什么现代集成电路主要用硅来制造？
• 丰富、廉价：地 壳 中 硅 含 量 丰 富,仅 次 于 氧， 达 25.7%。
• 热稳定性较好
多子
导带
+++ + + 杂质电离 本征激发
少子
价带
容易在其表面形成二氧化硅膜作为掺杂工艺的掩蔽层；同时 • 二氧化硅又是很好的绝缘介电层
晶圆
4、倒角
大圆片边缘加工成圆弧，即边缘轮廓整形，也叫倒角
5、磨平抛光
（1）双面机械研磨 Wafer Lapping
• Rough polished • conventional, abrasive, slurry-lapping • To remove majority of surface damage • To create a flat surface