Chapter 4(zhang)

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第四章 硅和硅片制备,学习目标：,1,、描述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办法,3,、硅晶体的主要缺陷种类,4,、硅片制备的基本步骤，也就是从硅锭到硅片完,5,、陈述并讨论对硅片供应商的,7,种质量标准,6,、解释什么是外延（,Epitaxy,）及其对硅片的重要性,1,单晶硅生长,2,4.1,引言,天然硅石提炼成非常纯净的硅材料,硅原子级的微缺陷减到最小,特定的晶向,适量的掺杂浓度,半导体硅片制备所需的物理尺寸,3,4.2,半导体级硅,（,semiconductor-grade silicon,）,表,4.1,制备半导体级硅（,SGS,）的过程,步骤,过程描述,反应方程式,1,用碳加热硅石来制,备冶金级硅,SiC,（,s,）,+SiO,2,（,s,）,Si,（,1,）,+SiO,（,g,）,+CO,（,g,）,冶金级硅纯度,98%,2,通过化学反应将冶,金级硅提纯以生成,三氯硅烷,Si,（,s,）,+3HCl,（,g,）,SiHCl,3,（,g,）,+H,2,（,g,）,+,加热,3,利用,西门子法,，通,过三氯硅烷和氢气,反应来生产,SGS,2SiHCl,3,（,g,）,+2H,2,（,g,）,2Si,（,s,）,+,6HCl,（,g,）,9N,半导体级硅,4,半导体级硅的西门子反应器,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。此时，西门子工艺生产的硅没有按照希望的晶体顺序排列原子,5,4.3,晶体结构,非晶材料（不能使用）材料不仅有高纯度，必须是单晶材料,晶胞,多晶和单晶结构,晶向,6,4.3,晶体结构,（单晶、多晶和非晶）,晶体的原子排列,7,4.3,晶体结构,（单晶、多晶和非晶）,非晶原子结构,8,面心立方结构,9,多晶和单晶结构,多晶：局部有序单晶：长程有序,Polycrystalline structure,Monocrystalline structure,10,4.4,晶向,（晶面的米勒指数）,MOS,器件采用（,100,）晶向硅片（最低的,SiO,2,/Si,界面态密度）；双极器件采用（,111,）晶向的硅片,Z,X,Y,(100),Z,X,Y,(110),Z,X,Y,(111),11,4.5,单晶硅的生长（,Growth,）,CZ (Czochralski,切克劳斯基）,CZ,拉单晶炉,Doping,Impurity Control,区熔法,Float-Zone,追求更大硅锭的原因,12,4.5,单晶硅生长,CZ,法：生长单晶硅把融化了的半导体级硅变为有正确晶向并被掺杂成,n,型或,p,型的固体硅锭,主要参数：拉升速率和旋转速率,13,4.5,单晶硅生长,14,CZ Crystal Puller,Photograph courtesy of Kayex Corp., 300 mm Si crystal puller,15,4.5,单晶硅生长,下种，又名引晶。多晶材料全熔后，升坩埚到拉晶位置，使熔硅位于加热器上部，把籽晶下降到页面上方,35mm,处。等熔硅温度稳定，籽晶温度上升之后，下降籽晶与液面接触。慢慢提升，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶。,16,4.5,单晶硅生长,收颈，又名缩颈。指引晶后略微降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。主要作用在于接触不良导致的多晶以及籽晶内部原有位错的提升。,17,4.5,单晶硅生长,放肩：缩颈到所要求的长度，略降低温度，让晶体长到所需直径为止。,18,4.5,单晶硅生长,垂直生长，即等径生长。直径长到接近所需的尺寸，升高拉速，使直径不再增大，称为收肩。此后保持直径不变。,19,4.5,单晶硅生长,随着晶体的生长，坩埚中的熔硅不断减少，熔硅中杂质含量相对提高，为保证晶体纵向电阻率的均匀性，降低晶体生长速率（拉速），稍升温，降拉速，使直径逐渐变小。,20,1,、为得到所需电阻率的晶体，掺杂材料如硼和磷加到单晶炉的熔体中,2,、氧的,吸杂,效应（,Gettering,）来控制杂质尤其是深能级复合中心如过渡金属离子的分布,-,硅的缺陷工程,HLH,过程（高温,-,低温,-,高温）,掺杂与杂质控制,纯,Si,电阻率,2.510,5,欧姆,.,cm,21,硅中电阻率和掺杂浓度之间的关系,22,4.5.2,区熔法（,Floating,）,1,、把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，一个籽晶固定在一端然后放入生长炉中，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的最主要部分。,2,、纯度高、含氧量少（生长环境为惰性气氛，不采用石英舟）,23,4.5.3,追求更大直径的硅锭,24,Wafer Dimensions & Attributes,Table 4.3,25,26,27,300mm,硅片尺寸和晶向要求的发展,Table 4.4,28,4.6,硅晶体中的缺陷,Defects,三种典型的缺陷,:,1.,点缺陷,-Localized crystal defect at,the atomic level,2.,位错,-Displaced unit cells,层错,-Defects in crystal structure,（没有缺陷的晶体是不可能的）,29,4.6.1,点缺陷,原子层面的局部缺陷,30,硅中的杂质,III,族，受主杂质,V,族，施主杂质，,集成电路中，主要是替位式固溶体,外来原子造成晶格形变,31,4.6.2,位错,错位的晶胞（正常的晶胞形成重复型结构）,位错可由器件制作过程中的硅片表面的热氧化所引入，,称为氧化导致层积位错（,OISF,）,32,4.6.3,层错,滑移,沿着一个或更多的平面发生滑移,33,4.6.3,层错,孪生平面,就是在一个平面上，晶体沿着,不同的个方向生长,34,硅单晶片参数对电子器件的影响,材料参数,对电子器件的影响,位错,增加漏电流，降低少子寿命,影响双极增益,层错,增加漏电流，造成击穿,降低栅氧化层质量,金属杂质,增加漏电流， 降低栅氧化层质量,降低少子寿命，影响双极增益,电阻率,影响阈值电压，影响击穿电压,晶向,影响表面电荷，影响开启电压,35,材料参数,对电子器件的影响,D-,缺陷（空位）,降低栅氧化层质量，造成击穿,A-,缺陷（间隙）,增加漏电流，降低少子寿命,影响双极增益,氧沉淀,影响吸杂效果，影响力学性能，热施主的影响,平坦度,影响器件线宽度，,影响开启电压,36,4.7,硅片制备,机械加工化学处理表面抛光质量测量,37,4.7.1,整型处理,1,、去掉两端,（籽晶端）,2,、径向研磨,（定直径）,3,、硅片定位边或定 位槽,（,200mm,及 以上硅片）,38,硅片标识,Identifying Flats,P-type (111),P-type (100),N-type (111),N-type (100),Figure 4.21,39,4.7.1,整型处理,40,常用的硅片,1.CMOS,P type,（,Boron doped,）,（,100,）晶向，电阻率：,2550,cm,，,2. BJT,(111),晶向,41,硅片定位槽,Notch and Laser Scribe,1234567890,Notch,Scribed identification number,200mm,以上采用定位槽,42,4.7.2,切片,Internal diameter wafer saw,43,4.7.3,磨片和倒角,磨片：,切片完成后需要用双面的机械磨片以去除切片时留下的,损伤，达到两面高度的平行与平坦。垫片和带有磨料的浆料利,用旋转的压力来完成。平整度是关键参数。,倒角：,硅片边缘抛光修整。可是硅片边缘获得平滑的半径周线，,可在磨片之前或之后完成。边缘的裂痕和小裂缝会在硅片上产,生机械应力并会产生位错，尤其在高温过程中。,44,4.7.4,刻蚀,刻蚀：,硅片整形使硅片表面和边缘损伤及沾污，一般几微米深。,硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性的去除表面物质的过程。,硅片通过湿法化学刻蚀工艺消除表面损伤和沾污。一般腐蚀,20,微米以上以保证所有的损伤被去掉。可用酸碱物质。,45,4.7.5,抛光（,CMP 18,章）,刻蚀：,硅片整形使硅片表面和边缘损伤及沾污，一般几微米深。,硅片刻蚀是一个利用化学刻蚀选择性的去除表面物质的过程。,硅片通过湿法化学刻蚀工艺消除表面损伤和沾污。一般腐蚀,20,微米以上以保证所有的损伤被去掉。可用酸碱物质。,46,4.7.6,清洗,47,4.7.6,清洗,48,4.8,质量测量,（,硅片的,7,种质量标准,）,1,、物理尺寸,硅片的直径、厚度、晶向位置、尺寸、定位边 （定位槽）和硅片形变,2,、平整度,通过硅片或硅片上某一位置的直线上的厚度变化,3,、微粗糙度,实际表面同规定平面的小数值范围内的偏差，测 量硅片表面最高点和最低点的偏差（均方根,0.1nm,）,4,、氧含量,2433 ppm,5,、晶体缺陷,每平方厘米的晶体缺陷小于,1000,个,6,、颗粒,表面颗粒减少，清洗去除。,1300/,平方米（尺寸大于,0.08,微米）,7,、体电阻率,依赖于晶体生长前掺杂到硅熔体内的杂质浓度。 半径方向存在温度梯度，中间温度最高（,电阻率怎样变化？,）,49,4.8,质量测量,50,1.,外形尺寸,1.1,直径,:76.2,土,0.4mm1.2,厚度,:200 -350 m1.3,总厚度变化,:0.03 mm1.4,垂直度：片内矩形对角线相等，公差土,0.5mm1.5 2.,技术参数,51,2.1,导电参数,:N,型,2.2,电阻率,:5-6O .cm,或按客户要求加工,2.3,少子寿命,:,大于,100 s2.4,氧含量,: 1.0 1018atoms/cc2.5,碳含量,: 5.0 1016atoms/cc2.6,晶向,: 111 1.502.7,位错密度,: 100,个,/cm33.,产品用途,:,本产品适用于制造二极管、三极管、整流器或小功率可控硅等,52,Improving Silicon Wafer Requirements,53,4.8,质量测量,54,4.8,质量测量,55,4.9,外延层,必要性：,需要有非常纯的与衬底有相同晶体结构的硅表面，同时保持对杂质类型和浓度的控制。,外延：,在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层的方法。,硅基片作为籽晶在硅片上生长一薄层硅，外延层会复制硅基底的晶体结构，但掺杂浓度不一样。,重要性：,外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外延层，可以优化,pn,结击穿电压，同时降低集电极电阻，在适当的电流强度下提高器件速度。在,CMOS,电路中，器件尺寸缩小，闩锁（,Latch up),效应降到最低（减小寄生电阻）。,56,4.9,外延层,57,峨嵋半导体材料厂、所,峨嵋半导体材料厂、所座落在风景秀美的著名佛教圣地,峨眉山脚下，环境清洁优美，是中国最早从事半导体材料研究和生产的单位之一。峨嵋半导体材料厂、所生产和经营半导体硅材料、高纯金属及合金系列产品、有机硅和高纯四氯化硅系列产品，并从事产品的出口业务，是中国半导体硅材料和高纯金属最大的供应商之一，我们的产品在国内市场占有较大的份额，并远销英国、法国、美国、日本、韩国、新加坡、台湾地区和香港特别行政区等地。产品广泛用于分立器件、集成电路、电力电子器件等。,58,国内半导体材料有关资料,59,第四章作业,采用更大直径硅锭的原因,写出,MOS,电路采用的晶向，双极电路采用的晶向？为什么？,写出硅片质量的,7,个标准,4,为什么大规模集成电路用硅片一般采用提拉硅片而不采用纯度更高的浮区法硅片？,60,电子科技大学课程中心,教育网：,222.197.164.43,公网：,125.71.228.237,登录用户名为您的工资号，密码为,123456,学生登录的用户名为学号，密码为,123456,61,