半导体工艺原理--硅衬底材料制备工艺(贵州大学)概要PPT课件

用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（
semiconductor-grade silicon），或者SGS，有时也被称
做电子级硅。
.
2
晶体结构
不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键， 而且它也要有近乎完美的晶体结构。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，在许多的原子长程范围内原子都在 三维空间中保持有序且重复的结构。
产生电子级硅EGS(纯度十亿分之一），它是多晶硅材料
.
19
Silicon Purification I
.
20
Silicon Purific.ation II
21
Electronic Grade Silicon
.
22
拉晶：CZ(直拉）法生长单晶
晶体生长是把半导体级硅的多晶硅转换成一块大的单晶硅。生
<100>
.
11
<100> Orientation Plane
.
12
<100> Wafer Etch Pits
.
13
<111>
.
14
<111> Orientation Plane
.
15
<111> Wafer Etch Pits
.
16
<110>
.
17
从沙子到晶圆（抛光片）
原料SiO2 多晶硅
长后的单晶硅被称为硅单晶锭。现在生产用于硅片制备的单晶硅锭
最普遍的技术是Czochralski（CZ）法，是按照发明者的名字来命名
的。
CZ法生长单晶硅是把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶
向并且被掺杂成n型或p型的固体硅。一块具有所需要晶向的单晶硅
作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅锭就像籽晶的复制品。为了用
硅衬底材料制备工艺
CZ(直拉）法生长单晶 硅片制备（切割－研磨－抛光） 晶体缺陷 抛光片主要技术指标
.
1
半导体级硅
硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产 业中最重要的材料。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。如果原始硅片上有缺陷，那么 最终芯片上也肯定会存在缺陷。
.
3
晶体结构——非晶材料
非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并 且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。非晶硅对生产半导 体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的 许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关。这就要求重 复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。
.
4
.
5
晶体结构——多晶材料
物理排列是怎样的。不同晶
向的硅片的化学、电学和机
械性质都不一样，这会影响
工艺条件和最终的器件性能。
如果晶体是单晶结构，那么
所有的晶胞就都会沿着这个
坐标轴重复地排列。
晶胞的坐标轴方向
.
10
硅晶体平面上 的方向由一套称做密 勒指数的参数所描。 在密勒系统的符号里， 小括号（）用来表示 特殊的平面，而尖括 号＜＞表示对应的方 向。
.
25
Байду номын сангаас
CZ Crystal Pulling
.
26
FZ(区熔)法生长单晶
区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模
型里。一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中。用射频线
圈加热籽晶与硅棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法最
主要的部分，因为在熔融晶棒的单晶界面再次凝固之前只
有30分钟的时间。晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向
CZ法得到单晶硅，在熔化了的硅和单晶硅籽晶的接触面的条件要精
确控制。这些条件保证薄层硅能够精确复制籽晶结构，并最后生长
成一个大的硅锭。这些是通过CZ拉. 单晶炉的设备得到的。
23
籽晶 石英坩埚
晶体 石墨基座
熔融硅（1415℃）
RF线圈
.
24
坩埚里的硅被拉单晶炉加热，使用电阻加热或射频（RF） 加热线圈。电阻加热用于制备大直径的硅锭。当硅被加热时， 它变成液体，叫做熔体。籽晶放在熔体表面并在旋转过程中 缓慢地拉起，它的旋转方向与坩埚的旋转方向相反。随着籽 晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因表面张力而提 高。籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随 着籽晶旋转着从熔体里拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生 长出来了。
移动。
典型的区熔法硅片直径要比直拉法小。由于不用坩埚，
区熔法生长的硅纯度高且含氧量低。
.
27
Floating Zon. e Method
28
CZ法与FZ法比较
CZ法：
成本低、可做大尺寸晶锭、材料可重复使用 欢迎
更受
FZ法：
纯度高、成本高、小尺寸晶锭
主要用在功率器件
.
29
硅片制备
硅是硬而脆的材料，晶体生长后的硅锭对半导体制造来说 用处很小。圆柱形的单晶硅锭（又叫单晶锭）要经过一系列 的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要 求。这些硅片制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光 和质量测量。硅片制备的基本流程如图所示。
.
面心立方晶胞
8
对于硅晶体来说，晶胞和金刚石晶体结构的面心立方 结构晶胞不同，除了面心立方所具有的那些共有原子之外， 还包括完全位于立方结构中的4个原子。对于硅晶胞来说， 总共有8个完整原子，其中4个共有原子和4个非共有原子。
硅晶胞：面心立方金刚石结. 构
9
晶向
晶向非常重要，因为它
决定了在硅片中晶体结构的
单晶
抛光片
.
蒸馏与还原 晶体生长 切割／研磨／抛光
18
起始材料
SiC +SiO2 2000 ℃ Si(固)+SiO(气)+CO(气)
形成 冶金级硅MGS(98%)
300 ℃
Si+3HCl
SiHCl3(气)+H2
将SiHCl3(室温下为液体，沸点32℃）分馏提纯
1100 ℃
SiHCl3＋H2
Si+3HCl （多晶硅沉积）
如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫多晶 材料。如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构， 就叫做多晶硅（polycrystal）。
.
6
晶体结构——单晶材料
如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列，那这样的结 构就叫单晶（monocrystal）、英文的另一种表达方式是 single crystal。
.
7
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， 它给出了晶体的结构。在一个晶体结构中， 晶胞紧密地排列，因此存在共有原子。共 有原子非常重要，因为晶胞是通过它们来 组成一个紧密连接在一起的晶格结构的。 在金刚石面心立方晶胞中每个角上的原子 被8个晶胞所共有，每个面上的原子被2个 晶胞所共有。因此每个面心立方晶胞包含 4个完整原子。