半导体制造技术第四章.ppt
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生长过程(掌握)
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。
dreamtower@163.com
20
晶体生长
定义: 把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和 适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。
按制备时有无使用坩埚分为两类： 有坩埚的：直拉法、磁控直 拉法、液体掩盖直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 。
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21
直拉法—Czochralski法（源自文库Z法）
常温下SiHCl3 与SiCl4都是气态， SiHCl3的沸点 仅为31℃
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19
④还原 多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅： SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl 原因： 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低
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C：层错
常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同 一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报 废的主要原因。
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硅晶圆制备的四个阶段
芯片制造的第一阶段：材料准备 A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅） B：气体到多晶的转变
①定义
半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的 技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。
②晶体缺陷的影响 A：生长出不均匀的二氧化硅膜 B：淀积的外延膜质量差 C：掺杂层不均匀 D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正 常工作。
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硅中三种普遍的缺陷形式
非晶原子排列
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三维结构的晶胞
晶胞
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多晶和单晶结构
多晶结构
单晶结构
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晶体结构的原子排列
dreamtower@163.com Figure 4.2
晶面（用密勒指数表示） 硅晶圆中最常使用的晶面是<100>和<111>
• 点缺陷：原子层面的局部缺陷 • 位错：错位的晶胞 • 层错：晶体结构的缺陷
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A：点缺陷 形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结
构引起的应力所致
替位杂质
空位
填隙杂质
Frenkel缺陷
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14
B：位错（单晶里一组晶胞排错位置） 形成原因：晶体生长条件、晶体内的晶 格应力、制造过程中的物理损坏
②酸洗
硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水， HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。
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18
③精馏提纯 将酸洗过的硅转化为SiHCl3或 SiCl4，
Si + 3HCl （g） → SiHCl3 ↑ + H2 ↑ Si + 2Cl2 → SiCl4 ↑ 好处：
• 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。
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1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等 2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶 3）晶体生长的结构与籽晶晶体结构一致
（100）晶面的晶圆用来制造MOS器件 和电路 （111）晶面的晶圆用来制造双极性器件和电路
砷化镓技术使用（100）晶面的硅片
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10
晶面密勒指数
Z
Z
Z
X (100)
Y X
(110)
Y
Y
X (111)
dreamtower@163.com Figure 4.9
晶体缺陷
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在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以 及硅片和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶 圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个 芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体 结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正 是对晶圆生产的一个挑战。
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CZ法工艺流程
准备： 腐蚀清洗多晶→籽晶准备→装炉→真空操作
开炉： 升温→水冷→通气
生长： 引晶→缩晶→放肩→等径生长→收尾
停炉： 降温→停气→停止抽真空→开炉
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半导体制造技术
陈弈星
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第四章 硅和硅片制备
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学习目标： 1.硅原材料怎样精炼成半导体级硅 2.解释晶体结构和单晶硅的生长方法 3.硅晶体的主要缺陷种类 3.描述硅片制备的基本步骤 4.对硅片供应商的7种质量标准 5.外延对硅片的重要性。
芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备 C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长） D：晶棒到晶圆的制备
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①冶炼
SiO2 + C → Si + CO↑或者 SiC(s) SiO2(s) Si( f ) SiO(g) CO(g) 得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进 一步提纯。
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。
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22
CZ直拉法的生长方法
• 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
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2.1 硅的晶体结构
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
非晶：原子排列无序 晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，
晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单 元。 单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。 多晶体：晶胞排列不规律
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生长过程(掌握)
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。
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晶体生长
定义: 把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和 适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。
按制备时有无使用坩埚分为两类： 有坩埚的：直拉法、磁控直 拉法、液体掩盖直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 。
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直拉法—Czochralski法（源自文库Z法）
常温下SiHCl3 与SiCl4都是气态， SiHCl3的沸点 仅为31℃
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19
④还原 多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅： SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl 原因： 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低
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C：层错
常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同 一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报 废的主要原因。
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硅晶圆制备的四个阶段
芯片制造的第一阶段：材料准备 A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅） B：气体到多晶的转变
①定义
半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的 技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。
②晶体缺陷的影响 A：生长出不均匀的二氧化硅膜 B：淀积的外延膜质量差 C：掺杂层不均匀 D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正 常工作。
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硅中三种普遍的缺陷形式
非晶原子排列
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三维结构的晶胞
晶胞
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多晶和单晶结构
多晶结构
单晶结构
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晶体结构的原子排列
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晶面（用密勒指数表示） 硅晶圆中最常使用的晶面是<100>和<111>
• 点缺陷：原子层面的局部缺陷 • 位错：错位的晶胞 • 层错：晶体结构的缺陷
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A：点缺陷 形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结
构引起的应力所致
替位杂质
空位
填隙杂质
Frenkel缺陷
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14
B：位错（单晶里一组晶胞排错位置） 形成原因：晶体生长条件、晶体内的晶 格应力、制造过程中的物理损坏
②酸洗
硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水， HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。
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18
③精馏提纯 将酸洗过的硅转化为SiHCl3或 SiCl4，
Si + 3HCl （g） → SiHCl3 ↑ + H2 ↑ Si + 2Cl2 → SiCl4 ↑ 好处：
• 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。
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1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等 2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶 3）晶体生长的结构与籽晶晶体结构一致
（100）晶面的晶圆用来制造MOS器件 和电路 （111）晶面的晶圆用来制造双极性器件和电路
砷化镓技术使用（100）晶面的硅片
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晶面密勒指数
Z
Z
Z
X (100)
Y X
(110)
Y
Y
X (111)
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晶体缺陷
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在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以 及硅片和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶 圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个 芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体 结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正 是对晶圆生产的一个挑战。
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CZ法工艺流程
准备： 腐蚀清洗多晶→籽晶准备→装炉→真空操作
开炉： 升温→水冷→通气
生长： 引晶→缩晶→放肩→等径生长→收尾
停炉： 降温→停气→停止抽真空→开炉
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半导体制造技术
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第四章 硅和硅片制备
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学习目标： 1.硅原材料怎样精炼成半导体级硅 2.解释晶体结构和单晶硅的生长方法 3.硅晶体的主要缺陷种类 3.描述硅片制备的基本步骤 4.对硅片供应商的7种质量标准 5.外延对硅片的重要性。
芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备 C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长） D：晶棒到晶圆的制备
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①冶炼
SiO2 + C → Si + CO↑或者 SiC(s) SiO2(s) Si( f ) SiO(g) CO(g) 得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进 一步提纯。
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。
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22
CZ直拉法的生长方法
• 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
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2.1 硅的晶体结构
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
非晶：原子排列无序 晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，
晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单 元。 单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。 多晶体：晶胞排列不规律
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