半导体制造技术第四章.ppt

半导体制造技术第四章第一页，共五十八页，2022年，8月28日 第四章 硅和硅片制备第二页，共五十八页，2022年，8月28日 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。 第三页，共五十八页，2022年，8月28日 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。第四页，共五十八页，2022年，8月28日 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2.1 硅的晶体结构第五页，共五十八页，2022年，8月28日 非晶原子排列第六页，共五十八页，2022年，8月28日 三维结构的晶胞晶胞第七页，共五十八页，2022年，8月28日 多晶和单晶结构多晶结构单晶结构第八页，共五十八页，2022年，8月28日 晶体结构的原子排列Figure 4.2 第九页，共五十八页，2022年，8月28日 10晶面（用密勒指数表示）硅晶圆中最常使用的晶面是100和111（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）晶面的硅片第十页，共五十八页，2022年，8月28日 晶面密勒指数ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)Figure 4.9 第十一页，共五十八页，2022年，8月28日 晶体缺陷①定义②晶体缺陷的影响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。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。第十二页，共五十八页，2022年，8月28日 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：晶体结构的缺陷第十三页，共五十八页，2022年，8月28日 14A：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Frenkel缺陷填隙杂质第十四页，共五十八页，2022年，8月28日 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第十五页，共五十八页，2022年，8月28日 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。C：层错第十六页，共五十八页，2022年，8月28日 17硅晶圆制备的四个阶段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 芯片制造的第一阶段：材料准备芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备第十七页，共五十八页，2022年，8月28日 18①冶炼　SiO2 + C → Si + CO↑或者得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。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。第十八页，共五十八页，2022年，8月28日 19③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：常温下SiHCl3 与SiCl4都是气态， SiHCl3的沸点仅为31℃第十九页，共五十八页，2022年，8月28日 20④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中溶解度极低第二十页，共五十八页，2022年，8月28日 21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 。第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日 22直拉法—Czochralski法（C