4-硅和硅片制备详解

4.3 晶体结构
不仅 SGS 的超高纯度对制造半导体器件非常 关键，而且它也要有几乎完美的晶体结构。只有 这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械 缺陷。
单晶是一种固体材料，它的特点是在许多原 子长程范围内，原子都在三维空间中保持有序且 重复的排列结构，如图4.2所示。 非晶材料同样也是固体材料，但它们没有重 复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱无 序的结构（见图4.3）。
半导体制造技术
第4章
硅和硅片制备
4.1 引 言
硅是用来制造芯片的最重要半导体材料。对于 可用于制造半导体器件的硅而言。使用一种特殊纯 度级以满足严格的材料和物理要求。 在硅片上制作的芯片的最终质量与开始制作时 所采用的硅片的质量有直接关系。如果原始硅片有 缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。对硅片 以及制备过程的了解有助于理解硅片在整个芯片制 造过程中的重要性。 纯硅要求将硅原子级的微缺陷降到最小，这些 缺陷对芯片的性能是非常有害的。一旦得到了纯硅 ，就要把它制作成带有想要的晶向、适量的掺杂浓 度和半导体芯片制备所需物理尺寸的硅片。
图 4.6
面心立方金刚石结构
晶向 晶向非常重要， 因为它决定了在硅片中 晶体结构的物理排列是 怎样的。不同晶向的硅 片，其化学、电学和机 械性能是不一样的，而 且会影响工艺条件和最 终的器件性能。 为了描述晶向，我 们需要一个坐标系，如 图4.8所示。 对于单晶 结构，所有的晶胞就会 沿着这个坐标轴重复地 排列。
图 4.2 晶体结构的原子排列
图 4.3 非晶原子结构
晶胞 在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实 体就是晶胞。晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重 复单元，它给出了晶体结构。下图给出了由晶胞组成的三维 结构。
晶胞
图 4.4
三维结构的晶胞
图 4.5 面心立方（FCC）晶胞
对于硅晶体来说，其 晶胞如图 4.6所示，它是 由俩个面心立方沿对角线 位移四分之一构成的面心 立方金刚石结构，如右图 所示。和面心立方不同之 处的是体对角线上还有四 个原子，所以对硅晶胞来 说，一个晶胞总共有 8个 完整的原子,其中4个共有 原子和4个非共有原子。
浓度 (Atoms/cm3) 杂质 五价 三价 材料类 型 n p < 1014
(极轻掺杂)
1014 to 1016
(轻掺杂)
1016 to 1019
(中掺杂)
>1019
(重掺杂)
n-p--
np-
n p
n+ p+
表 4.2
硅掺杂浓度术语
区熔法
气体入口 (惰性) 卡盘 多晶棒 (硅) 熔融区 可移动 RF 线圈
CZ 法
单晶坩锅 碳加热部件
热屏蔽 水套
图 4.10 CZ直拉单晶炉
Photo 4.1 用CZ 法生长的硅锭
Photo 4.2 CZ 拉单晶炉
CZ法的特点是工艺成熟，能较好地拉制低位错 、大直径的硅单晶。缺点是难以避免来自石英坩埚 和加热装置的杂质污染。 为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料 被加到拉单晶炉的熔体中，晶体生长中最常用的掺 杂杂质是生产p型硅的三价硼或者生产n型硅的五价 磷。硅中的掺杂浓度范围可以用字母和上标来表示 ，如下表所示。
表 4.3
更大直径硅片上芯片数的增长
88 die 200-mm wafer 232 die 300-mm wafer
图 4.13
300 毫米硅片尺寸和晶向要求的发展说明
参 数 直径 厚度 (center point) 翘曲 (max) 九点厚度差异 (max) 定位槽深度 定位槽角度 背面修整 边缘轮廓表面完整 固定质量区域 FQA（硅片 表面半径允许范围） mm 单位 mm m m m mm Degree 数 值 300.00 775 100 10 1.00 90 明亮/抛光 抛光 147 + 0.25, -0.00 +5, -1 容许误差 0.20 25
本章要点
1. 了解硅原材料如何精炼成半导体级硅；
2. 解释晶体结构和单晶硅的生长方法；
3. 讨论硅晶体的主要缺陷种类；
4. 了解硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到 硅片的制作过程；
5. 解释什么是外延及其对硅片的重要性。
4.2 半导体级硅
用来制造芯片的高纯硅称为半导体级硅（SemiconductorGrade Silicon ），简称SGS，从天然硅中获得达到生产半导体器 件所需纯度的SGS通常通过下面几个步骤来实现。
2
Si (s) + 3HCl (g) SiHCl3 (g) + H2 (g)
3
2SiHCl3 (g) + 2H2 (g) 2Si (s) + 6HCl (g)
表 4.1
上面简单介绍的生产半导体级硅(SGS)的工 艺称为西门子工艺。
半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯 度，它包含少于百万分之（ppm）二的碳元素和 少于十亿分之(ppb)一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的 掺杂元素）。然而用以上工艺生产的硅，未必 是我们所希望的按照某种序列排列硅原子的晶 体。下面我们将讨论晶体结构以了解半导体级 硅正确的原子排列。
制备半导体级硅 (SGS)的过程 步骤 过程描述 用碳加热硅石来制备冶金级 硅 (MGS) 纯度：98% 通过化学反应将冶金级硅提 纯以生成三氯硅烷 (SiHCl3) 通过三氯硅烷和氢气反应来 生产半导体级硅 (SGS) 纯度：＞99.9999999% 反应方程式
1
SiC (s) + SiO2 (s) Si (l) + SiO(g) + CO (g)
RF
籽晶 惰性气体出口 图 4.11区熔法晶体生长示意图
卡盘
晶圆尺寸和参数
直径 (mm) 150 200 300 400 厚度 (m) 675 20 725 20 775 20 825 20 面积 (cm2) 176.71 314.16 706.86 1256.64 重量 (grams/lbs) 28 / 0.06 53.08 / 0.12 127.64 / 0.28 241.56 / 0.53 重量/25 硅片 (lbs) 1.5 3 7 13
Z
1
0
1
Y
X
1
图 4.8 晶胞的坐标轴方向
用来描述硅晶体平面及其方向的参数称作密勒指数，其 中（）用来表示特殊的平面，而<>表示对应的方向。
Z Z Z
Y X X
Y X (110) 图 4.9 晶面的密勒指数 (111)
Y
(100)
4.5 单晶硅的生长
• CZ (Czochralski)法 –CZ 直拉单晶炉 –掺杂 –杂质控制 • 区熔法 • 追求更大直径的理由