工艺-硅片制造
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且很容易通过热过程生长 • 禁带宽度大，工作温度范围宽 • 电学和机械性能都非常奇异。
名称 元素符号 原子序数 原子重量
发现者 发现地 发现时间 名称由来 晶格常数 固体密度 摩尔体积
声速 电阻率 反射率
熔点 沸点
硅
19.10.2020
Si
14
28.0855
Jöns Jacob Berzelius
Sweden
1824
由拉丁语单词 "silicis"而来，意为"燧石"
2.352 Å 2.33 g/cm3 12.06 cm3
2200 m/sec
100,000 cm
28%
1414 C
2900 C
Source: http://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html
• 去除硅片表面的缺陷 • 4:1:3 比例混合物：HNO3 (79 wt% in H2O),
HF (49 wt% in H2O), and pure CH3COOH. • 化学反应:
3 Si + 4 HNO3 + 6 HF 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O
19.10.2020
十、化学机械抛光
19.10.2020
（2）区熔法－FZ Method
热板运动
多晶硅 棒 Rod
熔化后的硅 热板
单晶硅
晶种
两种方法的比较
19.10.2020
• CZ 方法更普遍
– 成本更低 – 硅片尺寸更大 (300 mm已可投入生产) – 材料可重复使用
• FZ方法（Floating Zone)
– 单晶纯度更高 (无坩锅) – 成本更高，硅片尺寸偏小 (150 mm) – 主要用于功率器件
+ C Si Carbon MGS
+ CO2 Carbon Dioxide
19.10.2020
二、生成三氯硅烷（TCS）并提纯
Si ＋ HCl MGS
SiHCl3 ＋ SiCl4 TCS
冷凝器 Condenser
氯化氢
Si + HCl TCS
Filters
提纯室
反应腔, 300 C
硅粉末 MGS
Carrier gas bubbles
电子级硅
19.10.2020
Source: http://www.fullman.com/semiconductors/_polysilicon.html
19.10.2020
四、多晶硅转变成单晶硅
两种主要方法： （1）直拉法（CZ） （2）区熔法（FZ）
19.10.2020
Pure TCS with 99.9999999%
19.10.2020
三、用氢从TCS中还原出硅（EGS）
SiHCl3 TCS
Heat (1100 °C)
+ H2 Si
Hydrogen
EGS
+ 3HCl Hydrochloride
H2
液态 TCS
工艺腔
Chamber
EGS
H2 and TCS
TCS+H2EGS+HCl
集成电路工艺
19.10.2020
－硅片制备
19.10.2020
分两部分： 1、体硅材料的制备 2、SOI材料的制备
晶体结构
• 单晶
– 全域重复结构
• 多晶
– 局域重复结构
• 非晶（无定形）
– 完全不存在重复结构
19.10.2020
单晶结构
19.10.2020
Grain Boundary
Grain
多晶结构
19.10.2020
19.10.2020
无定形（非晶）结构
硅的金刚石结构图 晶胞
19.10.2020
单晶硅单位结构 原胞
z
<100> plane
x
晶向
z
y
z
x
19.10.2020
<111> plane
y
<110>
y
plane
x
晶面格点
19.10.2020
<100> 晶面
基本格点单胞
<111> 晶面
基本格点原胞
硅片表面腐蚀坑
19.10.2020
<100> plane
<111>plane
缺陷图解
19.10.2020
置换型杂质
硅原子
硅间隙原子
间隙型杂质
空位（Schottky缺陷）
Frenkel缺陷
层错
19.10.2020
为什么是硅?
19.10.2020
• 历史的选择 • 储量丰富，便宜, 取之不尽，用之不竭 • 二氧化硅性质非常稳定，绝缘性能极好，
Pressure
从沙子到硅片
19.10.2020
• 原材料：石英砂（二氧化硅） • 沙子先转化为多晶硅 (冶金级 MGS) • 将MGS粉末与HCl反应以形成三氯硅烷（TCS） • 用汽化＋凝结法提高TCS的纯度 • 将TCS与H2反应生成多晶硅(电子级EGS)
从沙子到硅片-2
19.10.2020
• 熔化EGS，拉成单晶硅锭 • 掐头去尾，磨边，做槽口或者切面 • 将硅锭切成硅片 • 边缘去角，抛光，湿法刻蚀，CMP • 激光刻线
（1）拉单晶: CZ 方法
石英坩锅 Quartz Crucible
单晶硅种子 seed 单晶硅锭 ingot
石墨坩锅 Graphite Crucible
熔化后的硅 1415 °C
加热板 Heating coils
CZ 拉单晶图示
19.10.2020
Source: http://www.fullman.com/semiconductors/_crystalgrowing.html
Diamond Coating
19.10.2020
七、硅片倒角 Edge Rounding
硅片
硅片运动
边缘去角前的硅片 边缘去角后的硅片
八、抛光
19.10.2020
• 粗抛 • 传统的, 研磨式的, 磨粉浆抛光 • 目的在于移除大部分的表面损伤 • 形成平坦的表面
19.10.2020
九、湿法腐蚀
五：
掐头去百度文库、 径向打磨、 切面、 或者制槽
19.10.2020
晶向指示标记
19.10.2020
Flat, ≤150 mm Notch, 200 mm
平口
槽口
19.10.2020
六、硅片切割 Wafer Sawing
Orientation Notch
Saw Blade
Coolant
Crystal Ingot Ingot Movement
• 外延淀积 (optional)
从沙子到硅片-3
19.10.2020
SiO2 ( 90-95% )
0.5元/kg
多晶硅 ( 99.99% )
1000元/kg
单晶硅 Wafer
10000元/kg
19.10.2020
一、用炭从二氧化硅中还原出硅
气体 液体
SiO2 Sand
Heat (1700°C)
名称 元素符号 原子序数 原子重量
发现者 发现地 发现时间 名称由来 晶格常数 固体密度 摩尔体积
声速 电阻率 反射率
熔点 沸点
硅
19.10.2020
Si
14
28.0855
Jöns Jacob Berzelius
Sweden
1824
由拉丁语单词 "silicis"而来，意为"燧石"
2.352 Å 2.33 g/cm3 12.06 cm3
2200 m/sec
100,000 cm
28%
1414 C
2900 C
Source: http://www.shef.ac.uk/chemistry/web-elements/nofr-key/Si.html
• 去除硅片表面的缺陷 • 4:1:3 比例混合物：HNO3 (79 wt% in H2O),
HF (49 wt% in H2O), and pure CH3COOH. • 化学反应:
3 Si + 4 HNO3 + 6 HF 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O
19.10.2020
十、化学机械抛光
19.10.2020
（2）区熔法－FZ Method
热板运动
多晶硅 棒 Rod
熔化后的硅 热板
单晶硅
晶种
两种方法的比较
19.10.2020
• CZ 方法更普遍
– 成本更低 – 硅片尺寸更大 (300 mm已可投入生产) – 材料可重复使用
• FZ方法（Floating Zone)
– 单晶纯度更高 (无坩锅) – 成本更高，硅片尺寸偏小 (150 mm) – 主要用于功率器件
+ C Si Carbon MGS
+ CO2 Carbon Dioxide
19.10.2020
二、生成三氯硅烷（TCS）并提纯
Si ＋ HCl MGS
SiHCl3 ＋ SiCl4 TCS
冷凝器 Condenser
氯化氢
Si + HCl TCS
Filters
提纯室
反应腔, 300 C
硅粉末 MGS
Carrier gas bubbles
电子级硅
19.10.2020
Source: http://www.fullman.com/semiconductors/_polysilicon.html
19.10.2020
四、多晶硅转变成单晶硅
两种主要方法： （1）直拉法（CZ） （2）区熔法（FZ）
19.10.2020
Pure TCS with 99.9999999%
19.10.2020
三、用氢从TCS中还原出硅（EGS）
SiHCl3 TCS
Heat (1100 °C)
+ H2 Si
Hydrogen
EGS
+ 3HCl Hydrochloride
H2
液态 TCS
工艺腔
Chamber
EGS
H2 and TCS
TCS+H2EGS+HCl
集成电路工艺
19.10.2020
－硅片制备
19.10.2020
分两部分： 1、体硅材料的制备 2、SOI材料的制备
晶体结构
• 单晶
– 全域重复结构
• 多晶
– 局域重复结构
• 非晶（无定形）
– 完全不存在重复结构
19.10.2020
单晶结构
19.10.2020
Grain Boundary
Grain
多晶结构
19.10.2020
19.10.2020
无定形（非晶）结构
硅的金刚石结构图 晶胞
19.10.2020
单晶硅单位结构 原胞
z
<100> plane
x
晶向
z
y
z
x
19.10.2020
<111> plane
y
<110>
y
plane
x
晶面格点
19.10.2020
<100> 晶面
基本格点单胞
<111> 晶面
基本格点原胞
硅片表面腐蚀坑
19.10.2020
<100> plane
<111>plane
缺陷图解
19.10.2020
置换型杂质
硅原子
硅间隙原子
间隙型杂质
空位（Schottky缺陷）
Frenkel缺陷
层错
19.10.2020
为什么是硅?
19.10.2020
• 历史的选择 • 储量丰富，便宜, 取之不尽，用之不竭 • 二氧化硅性质非常稳定，绝缘性能极好，
Pressure
从沙子到硅片
19.10.2020
• 原材料：石英砂（二氧化硅） • 沙子先转化为多晶硅 (冶金级 MGS) • 将MGS粉末与HCl反应以形成三氯硅烷（TCS） • 用汽化＋凝结法提高TCS的纯度 • 将TCS与H2反应生成多晶硅(电子级EGS)
从沙子到硅片-2
19.10.2020
• 熔化EGS，拉成单晶硅锭 • 掐头去尾，磨边，做槽口或者切面 • 将硅锭切成硅片 • 边缘去角，抛光，湿法刻蚀，CMP • 激光刻线
（1）拉单晶: CZ 方法
石英坩锅 Quartz Crucible
单晶硅种子 seed 单晶硅锭 ingot
石墨坩锅 Graphite Crucible
熔化后的硅 1415 °C
加热板 Heating coils
CZ 拉单晶图示
19.10.2020
Source: http://www.fullman.com/semiconductors/_crystalgrowing.html
Diamond Coating
19.10.2020
七、硅片倒角 Edge Rounding
硅片
硅片运动
边缘去角前的硅片 边缘去角后的硅片
八、抛光
19.10.2020
• 粗抛 • 传统的, 研磨式的, 磨粉浆抛光 • 目的在于移除大部分的表面损伤 • 形成平坦的表面
19.10.2020
九、湿法腐蚀
五：
掐头去百度文库、 径向打磨、 切面、 或者制槽
19.10.2020
晶向指示标记
19.10.2020
Flat, ≤150 mm Notch, 200 mm
平口
槽口
19.10.2020
六、硅片切割 Wafer Sawing
Orientation Notch
Saw Blade
Coolant
Crystal Ingot Ingot Movement
• 外延淀积 (optional)
从沙子到硅片-3
19.10.2020
SiO2 ( 90-95% )
0.5元/kg
多晶硅 ( 99.99% )
1000元/kg
单晶硅 Wafer
10000元/kg
19.10.2020
一、用炭从二氧化硅中还原出硅
气体 液体
SiO2 Sand
Heat (1700°C)