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1、半导体材料的制备半导体材料的制备半导体级硅半导体级硅 用来做芯片的高纯硅称为半导体级硅，有时也称为用来做芯片的高纯硅称为半导体级硅，有时也称为电子级硅，硅是做半导体器件的一种很好的材料。电子级硅，硅是做半导体器件的一种很好的材料。为了器件的需要，就要把它制作成想要的晶向、适为了器件的需要，就要把它制作成想要的晶向、适量的掺杂浓度和半导体硅片制备所需的物理尺寸。量的掺杂浓度和半导体硅片制备所需的物理尺寸。单晶硅材料制备流程单晶硅材料制备流程 原料（石英石原料（石英石-二氧化硅）二氧化硅）粗硅粗硅四氯化四氯化硅硅高纯四氯化硅高纯四氯化硅高纯多晶硅高纯多晶硅单晶硅单晶硅硅棒硅棒单晶定向切片单晶定向切
2、片研磨研磨抛光抛光清清洗洗检查检查包装包装 粗硅的形成：粗硅的形成：四氯化硅的形成：四氯化硅的形成：高纯多晶硅的形成：高纯多晶硅的形成：高纯四氯化硅的提纯高纯四氯化硅的提纯 n n采用精馏提纯技术采用精馏提纯技术 基本原理，将待提纯的原料置于一被基本原理，将待提纯的原料置于一被称为称为“精馏塔精馏塔”的装置中，对其进行反复的蒸馏的装置中，对其进行反复的蒸馏 ，根据，根据杂质的沸点不同，具有不同的挥发能力，进而实现各元素杂质的沸点不同，具有不同的挥发能力，进而实现各元素的分离。的分离。装置：筛板塔装置：筛板塔 组成部分组成部分 n n蒸馏釜体蒸馏釜体 用于盛装原料用于盛装原料n n精馏塔柱精馏塔
3、柱 是装置的核心部分是装置的核心部分 内部由筛板组成内部由筛板组成n n冷凝器冷凝器 气化物质进过冷凝为液化气化物质进过冷凝为液化 n n回流管回流管 n n出料口出料口 精馏塔装置示意图精馏塔装置示意图晶体的生长方式晶体的生长方式n n 固相生长方式固相生长方式 通过固通过固固相转变完成的晶体生长固相转变完成的晶体生长方式的过程，如石墨变成金刚石。方式的过程，如石墨变成金刚石。n n液相生长方式液相生长方式 包括溶液中生长和熔体中生长包括溶液中生长和熔体中生长GaAsGaAs外延为外延为溶液中生长，硅单晶为熔体中生长。溶液中生长，硅单晶为熔体中生长。n n气相生长方式气相生长方式 由气相向固
4、相的转变过程由气相向固相的转变过程单晶硅硅棒生长单晶硅硅棒生长n n指把半导体级硅制作成需要晶向、掺杂浓度和所需尺寸的指把半导体级硅制作成需要晶向、掺杂浓度和所需尺寸的硅锭，有区熔法和直拉法两种。硅锭，有区熔法和直拉法两种。n n区熔法区熔法 它所生产的单晶硅锭含氧非常少，能生产目前最它所生产的单晶硅锭含氧非常少，能生产目前最纯的硅单晶，直径比直拉法小。纯的硅单晶，直径比直拉法小。n n籽晶固定到一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶籽晶固定到一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域，由于不用坩埚，硅纯度高且含氧量低。与硅棒的接触区域，由于不用坩埚，硅纯度高且含氧量低。n n
5、直拉法直拉法 把溶化了的半导体级硅液体变为正确晶向并且把溶化了的半导体级硅液体变为正确晶向并且被参杂成被参杂成n n型或者是型或者是p p型的固体硅锭型的固体硅锭 ，属于液相生长。，属于液相生长。目的：是实现均匀参杂浓度的同时精确地复制籽晶结目的：是实现均匀参杂浓度的同时精确地复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径构，得到合适的硅锭直径 影响直拉法的主要参数：拉伸速度和晶体旋转速度。影响直拉法的主要参数：拉伸速度和晶体旋转速度。直拉单晶生长过程直拉单晶生长过程n n引种引种 就是将满足正确晶向的单晶硅与熔硅接触并控制引就是将满足正确晶向的单晶硅与熔硅接触并控制引晶的温度晶的温度 n n缩颈缩颈 通常
6、采用高温熔接低温快速细长缩颈通常采用高温熔接低温快速细长缩颈n n放肩阶段放肩阶段 指从缩颈到要求长度后将晶体放大到所需直指从缩颈到要求长度后将晶体放大到所需直径的这一段时间的操作过程径的这一段时间的操作过程n n等经生长等经生长 放肩至接近所需直径时，适当升温、增加提拉放肩至接近所需直径时，适当升温、增加提拉速度，使晶体圆滑的转入等直径生长速度，使晶体圆滑的转入等直径生长n n收尾阶段收尾阶段 直拉单晶生长工艺步骤直拉单晶生长工艺步骤n n籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢的拉起，它的方向籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢的拉起，它的方向与坩埚的旋转方向相反，熔体上的液体因为表面张力而提与坩
7、埚的旋转方向相反，熔体上的液体因为表面张力而提高高 掺杂掺杂n n为了得到所需的电阻率的晶体，掺杂材料被加到单晶炉的为了得到所需的电阻率的晶体，掺杂材料被加到单晶炉的熔体中，常用的掺杂杂质为三价硼五价磷。熔体中，常用的掺杂杂质为三价硼五价磷。n n杂质控制杂质控制 主要是控制杂质氧主要是控制杂质氧整形处理整形处理n n去掉两端去掉两端 n n径向研磨（径向研磨（产生精确的直径）产生精确的直径）n n硅片定位边或者定位槽（表示硅片的径向和结构）硅片定位边或者定位槽（表示硅片的径向和结构）切片切片n n产生符合要求厚度的硅片产生符合要求厚度的硅片n n外圆切割机外圆切割机 适合于大直径的硅片切割适
8、合于大直径的硅片切割n n内圆切割机内圆切割机 内圆切割机先定向后切割内圆切割机先定向后切割 优点：较稳定，能产生平整的切面优点：较稳定，能产生平整的切面研磨和倒角研磨和倒角n n 研研磨磨：去去除除切切片片时时留留下下的的损损伤伤，达达到到硅硅片片两两面面高高度度的的平平行及平坦，复合平整度要求的硅片行及平坦，复合平整度要求的硅片n n倒倒角角：获获得得平平滑滑的的半半径径周周线线，在在硅硅片片边边缘缘的的裂裂痕痕和和小小裂裂缝缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错会在硅片上产生机械应力并会产生位错抛光抛光n n 是一种表面全局平坦化技术，通过硅片和一个抛光头之间是一种表面全局平坦化技术，通过
9、硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面的相对运动来平坦化硅片表面 目的：符合光洁度指标要求的硅片目的：符合光洁度指标要求的硅片n n 纯化学抛光纯化学抛光 n n 纯机械抛光纯机械抛光 n n 化学机械抛光化学机械抛光 质量检测质量检测n n物理尺寸物理尺寸 为了达到芯片生产中器件制造的要求以及适为了达到芯片生产中器件制造的要求以及适合合 制造厂自动传诵设备的要求制造厂自动传诵设备的要求n n平整度平整度 平整度是硅片最主要的参数之一，因为光刻工平整度是硅片最主要的参数之一，因为光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的艺对局部位置的平整度是非常敏感的n n含氧量控制硅锭中的含氧量是非常重
10、要的，而且随着更大含氧量控制硅锭中的含氧量是非常重要的，而且随着更大的尺寸，难度也会越大，少量的氧起到俘获中心的作用，的尺寸，难度也会越大，少量的氧起到俘获中心的作用，能束缚硅中的玷污能束缚硅中的玷污 ，过多的氧会导致，过多的氧会导致PNPN结漏电流增加结漏电流增加n n晶体缺陷晶体缺陷n n颗粒颗粒 晶体表面的颗粒数量应加以控制，使在芯片制造中晶体表面的颗粒数量应加以控制，使在芯片制造中的成品率损失降到最底，的成品率损失降到最底，n n体电阻率硅锭的体电阻率依赖于在晶体生长前掺杂到熔体体电阻率硅锭的体电阻率依赖于在晶体生长前掺杂到熔体中的杂质浓度中的杂质浓度单晶制备过程中的缺陷n n在单晶制
11、备和器件制造过程中，造成的硅单晶中一些原子在单晶制备和器件制造过程中，造成的硅单晶中一些原子的排列发生错乱称为单晶缺陷。的排列发生错乱称为单晶缺陷。主要来自于晶体生长条件的不良影响造成的位错缺陷、微主要来自于晶体生长条件的不良影响造成的位错缺陷、微缺陷、晶粒间界等缺陷、晶粒间界等 减小缺陷密度是提高硅片成品率的重要方面减小缺陷密度是提高硅片成品率的重要方面n n点缺陷：空位缺陷，间歇缺陷，弗朗克缺陷点缺陷：空位缺陷，间歇缺陷，弗朗克缺陷n n位错位错 在晶胞形成重复性结构时，发生错位。可以再晶在晶胞形成重复性结构时，发生错位。可以再晶体生长和硅片制备中的任意一个阶段产生。体生长和硅片制备中的任意一个阶段产生。n n层错层错 与晶体结构相关，经常发生在晶体生长过程中与晶体结构相关，经常发生在晶体生长过程中