第2章 硅和硅片制备.ppt.convertor

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1、第二章  硅和硅片制备图2.1化学元素周期表根据流经材料电流的不同可分为三类材料:导体；绝缘体；半导体。半导体材料具有较小的禁带宽度,其值介于绝缘体和导体之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。这种行为在半导体被加热时发生,因而其导电性随温度增加而提高(对导体而言则正相反)。硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因：1）硅的丰裕度2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限3）更宽的工作温度范围4）氧化硅

2、的自然生成硅是地球上含量第二丰富的元素，其含量仅次于氧。然而，自然界中几乎不存在单质的硅，绝大部分的硅是以化合物的形式存在，如各种硅酸盐和二氧化硅等。要获得高纯度的硅，就必须将这些化合物中的硅还原出来。图2.2地壳元素含量分布2.1  半导体级硅用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-gradesilicon）,或者SGS，有时也被称做电子级硅。现介绍一种得到SGS的主要方法：第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2），一种纯沙，来生产冶金级硅。SiC（固体）

3、+SiO2（固体）→Si（液体）+SiO（气体）+CO（气体）第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。Si（固体）+3HCl（气体）→SiHCl3（气体）+H2（气体）+加热第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。2SiHCl3（气体）+2H2（气体）→2Si（固体）+6HCl（气体）这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ppm）二的碳元素和少于十亿分之（

4、ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素）。半导体级硅的西门子反应器提纯的SGS多晶2.2  晶体结构不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有近乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。单晶就是一种固体材料，在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构。3D结构的单元晶胞非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。非晶硅对半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的许多电学和机械性

5、质都与它的原子级结构有关，这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。硅的原子空间结构如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫做多晶材料。从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构，叫做多晶硅。如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列，那这样的结构就叫单晶。晶胞在晶体中的方向称为晶向。晶向非常重要，因为它决定了在硅片中晶体结构的物理排列是怎样的。不同晶向的硅片的化学、电学和机械性质都不一样，这会影响工艺条件和最终的器件性能。半导体制造中硅片常用的晶向是<100>、<111>、<110>。晶向和密

6、勒指数。晶胞的坐标轴方向晶面的密勒指数2.3 单晶硅生长晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅称为硅锭(Ingot或Boule)。在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski法，也称CZ法。另外还有区熔法。2.3.1CZ法CZ法生长单晶硅把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。CZ工艺最早是由Teal在20世纪50年代开发使用的，在此之前1906年，Czochralski采用

7、过类似的方法，从熔融的金属中拉制细灯丝。CZ拉单晶炉熔炉坩埚中熔融的硅【工艺线直击】－CZ法拉晶单晶硅锭CZ拉单晶炉CZ法掺杂分布平衡分凝系数k0其中，Cs和Cl分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度。绝大多数分凝系数都小于1，这意味着在晶体生长过程中杂质被排斥而留在熔融液中。CZ法掺杂分布生长初始条件：熔融液初始重量为M0，其初始掺杂浓度为C0。过程某一时刻：已长成的晶体重量为M，依然留在熔融液中的杂质重量为S。当晶体增加dM的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量-dS为：其中，Cs为晶体掺杂浓度

8、，此时熔融液中剩余重量为M0-M，熔融液中掺杂浓度Cl则为：两式结合，代入K0的表达式，则有：若初始掺杂重量为C0M0，对上式积分为：解得：拉晶速度控制（先快后慢，降低温度）拉晶速度过快，固体部分来不及散调热量且不会形成单晶。另一方面，较快的冷却速度导致晶体中出现较大的热梯度，产生热应力。但是，拉晶速度过慢，点缺陷的浓度很高。氧含量控制（控制熔料温度，或采取磁场中生长）Cz工艺中，用来装填熔料的坩埚通常是用熔融石英（fusedsilica，一种非晶SiO2）制成。在1500摄氏度的