第一章 硅材料及衬底制备

§1.1 半导体材料的特征与属性
集成电路制造工业对半导体材料的综合指标有一个基本的要 求： 1.导电类型：N型或P型； 2.要有确定的体电阻率（特定的、均匀的杂质含量）；
3.符合要求的晶体结晶质量（要求晶体的缺陷面密度<10个/
平方厘米）； 4.具有确定的晶体取向，例如：<111>、<100>或<110>（描述 晶体取向采用密勒指数，相关教学内容详见固体物理学有关 章节。例如：<111>表示晶体的晶向指数；(111)表示晶体的 晶面指数）。
§l.6 半导体硅材料的提纯技术
§l.6.1 精馏提纯四氯化硅技术及其提纯装置
SiC14粗料中所含杂质组分及其沸点值 组 分 8.3 SiH2CL2 12.1 SiHCL3 31.5 沸 点 组 （℃） 分 沸 点 （℃）
BCL3
57.6 SiCL4 76
SnCL4
CrO2CL2
113
116.7
PCL3
（1）衬底材料必须是纯净的（仅含所需类型及所需数量的杂质）、晶体结
构完美（含有尽可能少的晶体缺陷）的单晶体； （2）单晶硅片：单面或双面高度平整和光洁（▽13～▽14-属机械行业的表 面光洁度的最高标识）； （3）衬底片的厚度在800至500微米范围内。
§l.1 半导体材料的特征与属性
晶体的基本形态可认为有单晶形态、多晶形态和非晶形态 。 1、单晶形态则为单晶体，体内原子呈三维有序排列；
§l.7 直拉法生长硅单晶
晶体生长的方式可以分为三大类 （1）固相生长方式：固相生长方式是通过固-固相转变完成的 晶体生长过程。 （2）液相生长方式：液相生长方式包括溶液中生长和熔体中生 长两种。 GaAs液相外延是最为典型的溶液生长过程。以硅的单晶生 长为例，获得硅体单晶的生长过程则是从熔体中生长晶体的 典型实例。 （3）汽相生长方式：汽相生长方式是由汽相向固相晶体转变的 汽-固相转变的过程，属于气体凝华过程。
化学汽相淀积（CVD）方式即属于这种方式。
§l.7 直拉法（CZ法）生长硅单晶
单晶硅的直拉生长技术
熔体中生长体单晶，是当前制备半导体单晶材料的主要方 法。例如Ge、Si、GaAs、InP等单晶材料，都是从熔体中 生长获得的。
构成： ①炉体 ②拉晶装置 ③环境控制 ④电子控制及电源系统
单晶生长过程中的热传递示意
硅器件占世界上出售的半导体器件的98％以上
§l.1 半导体材料的特征与属性
电阻率（ρ）来度量自然界物质的导电能力，可划分为三类
导 体，其电阻率范围在1×10-6Ω·cm至1×10-3 Ω·cm之间； 绝缘体，其电阻率范围在1×108Ω·cm至1×1020Ω·cm之间； 半导体，其电阻率范围在 1×10-3Ω·cm至1×108Ω·cm之间 制造集成电路对半导体材料（通常称制造集成电路所使用的基底材料为衬底 材料—Substrate-Sub.）有以下基本要求：
§l.2 半导体材料硅的结构特征
硅晶体属金刚石晶格结构，由两个面心立方晶格套构而成。但其原子 在晶格中的几何位置是不等价。
硅晶体原子
的排列，其各向
异性特征。
硅单晶的面心立方晶格套构 硅的四面体单位晶胞
硅单晶体的
各向异性特征在
晶体管和集成电 路的制造过程中 有着十分重要的 应用。
硅六棱柱晶胞三维示意 硅六棱柱晶胞原子架构
§l.7 直拉法生长硅单晶
1.拉晶仪
①炉体
• • • • 石英坩埚：盛熔融硅液； 石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚； 旋转装置：顺时针转； 加热装置：RF线圈；
②拉晶装置
• 籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）； • 旋转提拉装置：逆时针；
③环境控制
• 真空系统： • 气路系统：提供惰性气体； • 排气系统：
直拉单晶生产设备
直拉法—Czochralski法（CZ法）
起源:
1918年由Czochralski从熔融金属中拉制细 灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单 晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。
21
§l.7 直拉法生长硅单晶
• 一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅 锭，生长的单晶硅就像是籽晶的复制品; • 坩锅里的硅被单晶炉加热，硅变成熔体; • 籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅 的旋转方向相反; • 随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体 会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中拉出， 与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。
§l.8硅单晶的各向异性特征在管芯制造中的应用
硅单晶体定向切割出硅晶圆片之前，首要的任务就是确定晶 圆基准定位面。在硅单晶体晶锭上定向切割出基准定位面，再 进行硅晶圆片的定向切割。这样，每枚硅晶圆片都带有定位切 口而作为电路管芯排布的定位参考依据。
§l.8硅单晶的各向异性特征在管芯制造中的应用
• 晶体具有各向异性
刻蚀
• 消除硅片表面的损伤和沾污 • 将硝酸 (水中浓度79% ), 氢氟酸(水中浓 度49% ), 和纯醋酸 依照4:1:3 比例混合. • 化学反应式:
3 Si + 4 HNO3 + 6 HF 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O
抛光
• 普通的磨片完成过后硅片表面还有一个 薄层的表面缺陷。现在的抛光是机械加 化学，经过抛光工艺后使硅片表面真正 达到高度平整、光洁如镜的理想表面。
2、多晶形态即为多晶体，是由若干微小的晶粒（晶粒内部的原子排列是三
维有序的，故每一个晶粒即可被认为是单晶体的最小形式。）结构而成。 所以，多晶体也可认为是由若干微小的单晶体结合而成。 3、非晶形态体内的原子排列就近程而言是有序的，而远程来看则是无序的， 故整体上可认为呈无序状态。但非晶体体内不存在间界（晶粒间界）。 （突出的光电转换效率和形态的韧性使其在光电器件领域有着广泛的应用 ）
§l.7 直拉法生长硅单晶
3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大 到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别 晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外 形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，<111>方向应有 对称三条棱，<100>方向有对称的四条棱。 4.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使 晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不 变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。 5.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度 或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。
77 CCL4 POCL3 105.3
VOCL3
AsCL3 TiCL4
127
130 136
§l.7 直拉法生长硅单晶
1、为什么要进行晶体生长？ 造不同要求的器件结构区还需要制备特定规格的体单晶或 单晶薄膜； 晶体生长是半导体材料制备中极为重要的课题； 2、晶体生长的发展 晶体生长理论的研究逐步向微观理论模型的定量计算方面 大踏步地前进.
有层错,同时，也不可避免地会引进一些有害杂质，如：铜、铁 、钠等重金属杂质和氧、碳等杂质。
§l.3 半导体单晶制备过程中的晶体缺陷
位错
刃型位错
螺型位错
刃型位错
多晶硅
§l.3 半导体单晶制备过程中的晶体缺陷
刃型位错、螺型位错
其生成均是起因于晶体生长时硅原子生长周围的
应力（如：单晶生长机械装置所造成的机械应力和
④电子控制及电源系统
§l.7 直拉法生长硅单晶
§l.7 直拉法生长硅单晶
1.籽晶熔接: 加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发 一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分 钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少 热冲击。 2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此 时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时， 可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这 一步骤叫“引晶”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温 度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是 排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的 延伸。颈一般要长于20mm。
§l.3 半导体单晶制备过程中的晶体缺陷
制造集成电路的衬底材料主要有三种类型：
一是元素半导体，如锗和硅；
二是化合物半导体材料，如砷化镓材料； 三是绝缘体类：如蓝宝石和尖晶石。 晶体缺陷：
单晶缺陷主要来自由于晶体生长条件的不良影响所造成的位错缺 陷、微缺陷、晶粒间界、局部多晶等等。
外延生长过程中形成的缺陷：
4、现代集成电路尽可能采取尽可能低的加工温度来完成管芯的制造 ；
5、追求高集成度和高性能,提高内部元器件互连的灵活性，在集成电路 的制造过程中，金属和介质薄膜淀积的层次越来越多； 6、集成电路的特点和发展方向不但对硅单晶的制备和加工以及对单晶材 料的检测分析方法和测试工具也提出了相应的要求。
§l.5关于半导体硅材料及硅衬底晶片的制备
因加热装置造成的热应力）场“失衡”。无论是机
械应力还是热应力，我们都将其等价为单位应力。
§l.3 半导体单晶制备过程中的晶体缺陷
刃型位错的形成
§l.3 半导体单晶制备过程中的晶体缺陷
螺形位错形成
§l.4集成电路技术的发展和硅材料的关系
集成电路的产业化生产要求不断地提高 集成电路管芯的性能价格比指标，其主要途 径之一就是在保障硅单晶综合质量参数的前 提下，向增大晶圆片直径和缩小器件图形特 征尺寸的方向发展 .
4K(LSI) 16K(LSI)
8-10
5-7 3-5
1980
1984 1988
100-125
150 200
525-625
625-675 725-775
4-6
1.5-2 1-1.5
64K(VLSI)
256K(VLSI) 1M(ULSI)
2-3
1.5-2 1.0-1.5