4-硅和硅片制备详解

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
CZ 法
单晶拉伸与 转动机械
籽晶
单晶硅
熔融多晶硅
石英坩锅 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。
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 面心立方来自百度文库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。
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）。
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。
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
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。
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。
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
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
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)