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dreamtower@163.com 半导体制造技术 陈弈星 dreamtower@163.com 第四章 硅和硅片制备 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。 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。 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 非晶原子排列 三维结构的晶胞 多晶和单晶结构 晶体结构的原子排列 晶面密勒指数 硅中三种普遍的缺陷形式 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 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 CZ法晶体提拉 两种方法的比较 CZ法是较常用的方法 价格便宜 较大的晶圆尺寸 (直径300 mm ) 晶体碎片和多晶态硅再利用 悬浮区熔法 纯度较高(不用坩埚) 价格较高，晶圆尺寸较小 (150 mm) 高压大功率元件 硅片的制备 切片（内圆切割机/线锯） 磨片和倒角 粗略研磨； 使用传统的浆料； 移除表面大部分损伤 产生平坦的表面 减小位错的影响 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 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。 200 mm的晶圆厚度和表面平坦度的变化 清洗 硅片评估 包装 质量测量 物理尺寸 平整度 微粗糙度 氧含量 晶体缺陷 颗粒 体电阻率 硅片要求 物理尺寸： 直径 厚度 晶向位置和尺寸 定位边 硅片变形 平整度： 通过硅片的直线上的厚度变化。 对光刻工艺很重要。 有局部平整度和整体平整度之分 微粗糙度 测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别，用均方根表示。用几种光学表面形貌分析仪的一种进行的。 氧含量 少量的氧能起俘获中心的作用，束缚硅中的沾污物。然而过量的氧会影响硅的机械和电学特性。通过横断面检测。 晶体缺陷 目前的要求是每平方厘米的晶体缺陷少于1000个。横断面技术史一种控制晶体体内微缺陷的方法。 颗粒 尺寸大于或等于0.08um。200mm的硅片表面每平方厘米少于0.13个颗粒。 体电阻率 依赖于杂质浓度。用四探针方法测量。 外延层 单晶 提高电路性能，降低闩锁效应 通常没有沾污 不同工艺的外延层厚度可以不同 外延层应用 外延层应用 小结 硅原材料怎样精炼成半导体级硅 晶体缺陷和晶面 CZ直拉法 硅片制备的基本步骤 对硅片供应商的7种质量标准 * 悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触的界面处生长单晶。熔区的存在是由于融体表面张力的缘故，悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒。 * 直拉法和区熔法晶体生长的比较 晶体生长 整型 切片 磨片倒角 刻蚀 抛光 清洗 检查 包装 定位边研磨 径向研磨 去掉两端 整型处理： 1.去掉两端； 2.径向研磨； 3.硅片定位边或定位槽 内圆切割机 抛光 研磨液 研磨垫 压力 晶圆夹具 晶圆 抛光 Upper polishing pad Lower polishing pad Wafer Slurry 76 mm 914 mm 晶圆切片之后 边缘圆滑化之后 76 mm 914 mm 12.5 mm 814 mm 2.5 mm 750 mm 725 mm 几