第一章 硅材料及衬底制备

本章重点： 1.半导体材料的主要特点 2.硅的晶体结构 3.硅单晶材料的加工制造过程 4.直拉法生长单晶过程 5. 集成电路的发展对硅片的要求

半导体材料 目前用于制造半导体器件的材料有： 元素半导体（Si Ge） 化合物半导体（GaAs InSb锑化铟） 本征半导体： 不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（8~10个9）。 掺杂半导体： 半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷( P )或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍。

硅的共价键结构 +4 共价键共 用电子对 +4表示除去价电子后的原子

形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。 +4 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴 N型半导体（主要载流子为电子[+]，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴[-]，空穴半导体）

N型半导体 硅原子 Si P 多余电子 磷原子 + N型硅表示

P型半导体 硅原子 Si B 空穴 P型硅表示 硼原子 空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动

1.1、 半导体的主要特征 ⒈ 电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化 硅 绝缘体 半导体 导体 2x105 Ωcm 0.2 Ωcm 2x105 2.负电阻温度系数 Si：T=300K ρ=2 x 105 Ωcm T=320K ρ=2 x 104Ωcm 3.具有整流效应 2x105 Ωcm 0.2 Ωcm 2x105 B 10-5 P 10-5 硅

4.光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

5.具有光生伏特效应 1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。

1.2半导体材料硅的结构特征 物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体 单晶体:由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。 （1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断； （2）周期性是晶体结构最基本的特征 多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则 非晶体：原子排列无序

晶体的特点 1）均匀性,原子周期性排列. 2）各向异性,也叫非均质性.(各个方向上物理和化学性质不同) 3）有明显确定的熔点 4）有特定的对称性 5）使X射线产生衍射

硅的晶体结构：金刚石结构 金刚石结构 每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。 共价键夹角：109˚28’

<100>,<111>平面是单晶晶圆中最常用的方向。<100>的晶圆较常用来作金属氧化物半导体集成电路，而<111>方向的晶圆则通常用来制造双极型晶体管和集成电路，因为<111>方向的原子表面密度高，故该面较为坚固且比较适合高功率的元件。

晶体的缺陷 点缺陷 线缺陷（位错） 面缺陷（层错）

1.5半导体硅材料及硅衬底晶片的制备 制备原材料－－多晶硅（polysilicon） 多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级。 1、冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si 为90 - 95% 以上，高达 99.8% 以上。 2、太阳级硅 (SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含Si在 99.99 %– 99.9999%（4～6个9）。主要用于太阳能电池芯片的生产制造 3、电子级硅（EG）：一般要求含Si > 99.9999 %以上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～11个9）。其导电性介于 10-4 – 1010 欧厘米。主要用于半导体芯片制造。

多晶硅的制备 单晶硅制备 单晶硅性能测试 单晶硅加工，形成晶圆

多晶硅的制备方法 四氯化硅还原法 三氯氢硅氢还原法 硅烷热分解法

四氯化硅还原法 （从砂到硅） 石英砂的主要成份是二氧化硅 从沙到冶金级硅 (MGSmetallurgical grade(MG) silicon纯度98％～99％) MGS 粉末放进反应炉和氯化氢反应生三氯硅烷(TCS) 经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷 三氯硅烷和氢气反应生成电子级硅材料(EGS) EGS熔化和晶体提拉制备单晶硅 直拉法 悬浮区熔法

四氯化硅还原法 （从砂到硅） 加熱 (2000 ° C) SiO2 + C ® Si + CO2 砂 碳 冶金級矽 二氧化碳

制备TCS（三氯硅烷） 氯化氫 反應器, 300 C Si + HCl  TCS 矽粉末 冷凝器 過濾器 99.9999999%純度的三氯矽烷 純化器

电子级硅材料 加熱 (1100 ° C) SiHCl 3 + H 2 ® Si + 3HCl 三氯矽烷 氫氣 電子級矽材料 氯化氫

反应室 製程反應室 電子級矽材料 H2 氫和三氯矽烷 液態三氯矽烷 TCS+H2EGS+HCl 載送氣體的氣泡

电子级硅材料 資料來源: http://www.fullman.com/semiconductors/_polysilicon.html

1.7 直拉法生长硅单晶 单晶硅的制备 1.直拉法：晶体主流生长技术 1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等 1.7 直拉法生长硅单晶 单晶硅的制备 1.直拉法：晶体主流生长技术 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）条件：（1）结晶温度（2）结晶中心

直拉法:切克洛斯基(CZ)法 單晶矽種晶 石英坩堝 單晶矽矽棒 融熔的矽 加熱線圈 1415 °C 石墨坩堝

資料來源: http://www.fullman.com/semiconductors/_crystalgrowing.html 查克洛斯基法晶体提拉 資料來源: http://www.fullman.com/semiconductors/_crystalgrowing.html

悬浮区熔法(FZ Method) 多晶矽棒 融熔矽 加熱線圈移動 加熱線圈 單晶矽 種晶

兩種方法的比較 查克洛斯基(CZ)法是較常用的方法 悬浮区熔法(FZ Method) 價格便宜 較大的晶圓尺寸 (直徑300 mm ) 純度較高(不用坩堝) 價格較高, 晶圓尺寸較小 (150 mm)

直拉法是生长元素和III-V族化合物半导体体单晶的主要方法。 该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。

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 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。

工艺过程(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 2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时 要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”，又称“下种”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm

3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，<111>方向应有对称三条棱，<100>方向有对称的四条棱。 4.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。 5.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。

硅单晶的加工 一 单晶硅的切割 1 切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度 2 直径滚磨：把不均匀的直径变得均匀一致 3 晶体定向定面、电导率和电阻率的检查 1）检查是否得到所需要的晶向晶面 2）检查半导体被掺杂后的电导率，以保证掺杂类型的正确。 4 切片

二 硅单晶的研磨 1 目的：去除切片中残留的表面损伤，晶圆表面完全平整； 2 磨片：研磨晶圆，精调到半导体使用的要求。

化學機械研磨製程 壓力 研磨液 晶圓夾具 晶圓 研磨墊

三 硅单晶的倒角 使晶圆边缘圆滑的机械工艺。 三 硅单晶的倒角 指将切割成的晶片，锐利的边缘容易脱弱产生碎屑。因此要把税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，称为倒角（或者整圆） 使晶圆边缘圆滑的机械工艺。

四 硅单晶片的抛光 1 抛光目的：晶圆表面光滑，像镜面一样亮。 2 抛光的过程：化学和机械两种过程同时进行。 四 硅单晶片的抛光 1 抛光目的：晶圆表面光滑，像镜面一样亮。 2 抛光的过程：化学和机械两种过程同时进行。 3 化学腐蚀液：用于腐蚀晶圆表面 4 机械摩擦：同时去掉不平整的区域，获得最平整的晶圆表面。

200 mm的晶圓厚度和表面平坦度的變化 76 mm 晶圓切片之後 914 mm 76 mm 邊緣圓滑化之後 914 mm 12.5 mm 粗磨之後 814 mm <2.5 mm 蝕刻之後 750 mm 幾乎是零缺陷的表面 CMP 之後 725 mm

集成电路的发展对硅片的要求 1.集成电路的特征尺寸逐渐减小，芯片面积逐渐增大 (1) 微缺陷对芯片的影响增大 (2) 器件参数对单晶硅中杂质和缺陷的 密度，分布特点，电活性等更加敏感

2.为了降低成本，硅圆片的直径越来越大 (1) 硅片电参数径向均匀性问题 (2) 硅片平整度问题 3.集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片浅表层 4.集成电路越来越普遍的采用低温工艺 5. 金属和介质薄膜淀积的层数越来越多

本章重点： 1.半导体材料的主要特点 2.硅的晶体结构 3.硅单晶材料的加工制造过程 4.直拉法生长单晶过程