集成电路制造技术复习笔记：第二章

硅片的制备

多晶硅的制备

制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学、物理的提纯工艺就制出半导体纯度的多晶硅。

电子级多晶硅纯度可达11N99.999999999%，11个9。

冶炼

$SiO_2+2C = Si+2CO\uparrow$

提纯

化学提纯——酸洗、物理提纯——蒸馏、分解

单晶硅生长

• 采用熔体生长法制备单晶硅棒：
  • 多晶硅 -> 熔体硅 -> 单晶硅棒
• 按制备时有无使用坩埚又分为两类
  • 有坩埚：直拉法、磁控直拉法
  • 无坩埚：悬浮区熔法

直拉法

直拉法生长单晶硅锭的设备：单晶炉。

单晶生长原理

单晶生长是热力学准平衡过程。任何系统都会自发处于吉布斯自由能最小状态。

满足晶体生成的必要条件：$G_s(T,P) \leqslant G_l(T,P) + \gamma\Delta A$

$G_s(T,P)$、$G_l(T,P)$分别为系统晶体和熔体的吉布斯自由能，T为熔体/晶体界面温度，P为压力。

晶体掺杂

掺杂程度

• 轻掺杂：10¹⁴-10¹⁶/cm³之间，多用于大功率整流器件；
• 中等掺杂：10¹⁶-10¹⁸/cm³之间，主要用于晶体管器件；
• 重掺杂：10¹⁸-10²⁰/cm³之间，是外延用的单晶衬底。

掺杂方法

• 液相掺杂
• 气相掺杂：难以制备轻掺杂的高阻硅
• 中子嬗变掺杂：又称中子辐照（NTD）掺杂

磁控直拉法

磁控直拉法在直拉法单晶炉的基础上附加了一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直径、无氧、均匀的单晶硅。

悬浮区熔法

三种方式优缺点比较

名称	优点	缺点
直拉法	工艺成熟，可拉出大直径硅棒，是目前采用最多的硅棒生产方法	有氧，难以控制晶体内氧含量
磁控直拉法	能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅棒	设备较直拉法设备复杂得多，造价也高得多，强磁场的存在使得生产成本也大幅提高
悬浮区熔法	去除坩埚，减少污染，能拉制出高纯度无氧的高阻硅	价格高昂，难以拉制大直径硅锭

切制硅片

切片工艺