单硅经典案例

1、1哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 田丽田丽864134422绪论绪论n引言引言n微电子工艺发展状况微电子工艺发展状况 n微电子工艺特点与用途微电子工艺特点与用途 n本课程内容本课程内容3n 早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。n 1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业电子业的诞生。电子业的诞生。 1 1 引言引言4基本器件的两个发展阶段基本器件的两个发展阶段n分立元件阶段（19051959）n真空电子管、半导体晶体管n集成电路阶段（1959）nssi、msi、lsi、vlsi、ulsi集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路从小规模集

2、成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化化的方向发展。的方向发展。 5什么是微电子工艺什么是微电子工艺n微电子工艺，微电子工艺，是指用半导体材料制作微电是指用半导体材料制作微电子产品的子产品的方法方法、原理原理、技术技术。n不同产品的制作工艺不同，但可将制作工不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序），艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为称为单项工艺。单项工艺。n不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺不同产品的制作就是

3、将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。序排列组合来实现的。6微电子工业生产过程图微电子工业生产过程图前工序：微电子产前工序：微电子产品制造的特有工艺品制造的特有工艺 后工序后工序7npn-si双极型晶体管芯片工艺流程双极型晶体管芯片工艺流程-硅外延平面工艺举例硅外延平面工艺举例举例举例n+npn+ebc82 微电子工艺发展历程微电子工艺发展历程n诞生诞生: :19471947年年1212月在美国的贝尔实验室，发明了月在美国的贝尔实验室，发明了半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术是合金法制作是合金法制作pnpn结。结。合金法合金法pn结示意图结示意图加

4、热、加热、降温降温pn结结ingen-ge10n19581958年在美国的德州仪器公司和仙年在美国的德州仪器公司和仙童公司各自研制出了集成电路，采童公司各自研制出了集成电路，采用的工艺方法是用的工艺方法是硅平面工艺硅平面工艺。pn结结sio2si氧化氧化光刻光刻扩散掺杂扩散掺杂诞生诞生11jack kilbys first integrated circuitphoto courtesy of texas instruments, inc.1959年2月，德克萨斯仪器公司（ti）工程师j.kilby申请第一个集成电路发明专利；利用台式法完成了用硅来实现晶体管、二极管、电阻和电容，并将其集成在一

5、起的创举。台式法-所有元件内部和外部都是靠细细的金属导线焊接相连。12仙童（fairchild）半导体公司n1959年7月，诺依斯提出：可以用蒸发沉积金属的方法代替热焊接导线，这是解决元件相互连接的最好途径。n1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。n1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。 13n6060年代的出现了外延技术，如：年代的出现了外延技术，如：n-si/nn-si/n+ +-si-si，n-si/p-sin-si/p-si。一般

6、双极电路或晶体管制作在外。一般双极电路或晶体管制作在外延层上。延层上。n7070年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。icic的集成度提高得以实现。的集成度提高得以实现。n新工艺，新技术，不断出现。（等离子技术新工艺，新技术，不断出现。（等离子技术的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）发展发展14张忠谋：台湾半导体教父 n全球第一个集成电路标准加工厂（foundry）是1987年成立的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为“晶体芯片加工之父”。 张忠谋张忠谋 15戈登-摩尔提出摩尔定律英特尔公司的联合创始人之一-戈登-

7、摩尔早在1965年，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。 “摩尔定律”： 集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长。 16drom集成度与工艺的进展集成度与工艺的进展年代年代1985年年1988年年1991年年1994年年1997年年 2000年年集成度集成度1m4m16m64m256m1g最小最小线宽线宽0.50.350.18光刻光刻技术技术光学曝光光学曝光准分子准分子电子束电子束电子束电子束x射线射线（电子束）（电子束）摩尔定律：每隔摩尔定律：每隔3年年ic集成度提高集成度提高4倍倍17n2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，它采用英特尔0.

8、13m制程技术生产，含有5500万个晶体管。n2002年8月13日：英特尔透露了90nm制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。n2003年3月12日：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，采用英特尔0.13m制程技术生产，包含7700万个晶体管。n2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾d处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管-90nm制程技术生产。n2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，含有17.2亿个晶体管-90nm制程技术生产。n2006年7月27日：英特尔酷睿2双核处理器

9、,含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65nm制程技术。n2007年1月8日：65nm制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。n2007年1月29日：英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45nm晶体管或微小开关中用来构建18n电子产品发展趋势：更小，更快，更冷电子产品发展趋势：更小，更快，更冷n现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。当前，光刻工艺线宽已达当前，光刻工艺线宽已达0.0450.045微米。由于量子微米。由于量子尺寸效应，集成电路线宽的物

10、理极限约为尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为0.0350.035微米，即微米，即3535纳米。纳米。n另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一步小型化的重要因素。步小型化的重要因素。n微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳电子技术出现，并越来越受到关注。电子技术出现，并越来越受到关注。 未来未来19n近10年来 ，“轻晶圆厂”（fab-light）或“无晶圆厂”（fabless）模式的兴起，而没有芯片设计公司反过来成为idm（integrated device manufacturer） 。n5年前英特尔做45

11、纳米时，台积电还停留在90纳米，中间隔了一个65纳米。但到45纳米，台积电开始“抢先半步”。即遵循“摩尔定律”的英特尔的路线是45、32、22纳米，台积电的路线则是40、28、20纳米。 203 微电子工艺特点及用途微电子工艺特点及用途n超净超净 环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，室，ulsiulsi在在100级超净室制作，超净台达级超净室制作，超净台达10级。级。n超纯超纯 指所用材料方面，如衬底材料、指所用材料方面，如衬底材料、功能性电子功能性电子材料、水、气等；材料、水、气等； si、ge单晶纯度达单晶纯度达11个个9。n高技术含量高技术含量

12、 设备先进，技术先进。设备先进，技术先进。n高精度高精度 光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。上述尺度之上。n大批量，低成本大批量，低成本 图形转移技术使之得以实现。图形转移技术使之得以实现。21超净环境 2223n21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向n特征尺寸继续等比例缩小n集成电路(ic)将发展成为系统芯片(soc)- soc是一个通过ip设计复用达到高生产率的软/硬件协同设计过程n微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如mems、dn

13、a芯片等-其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。微电子技术的三个发展方向24工艺课程学习主要应用工艺课程学习主要应用n制作微电子器件和集成电路制作微电子器件和集成电路n微机电系统微机电系统 (microelectromechanicol system mems)的所依托的微加工技术的所依托的微加工技术n纳米技术，如纳米技术，如光刻光刻图形复制转移工艺，图形复制转移工艺，mbe等等254 本课程内容本课程内容n重点介绍单项工艺和其依托的科学原理。重点介绍单项工艺和其依托的科学原理。n简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封简单介绍典

14、型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。术的发展趋势。26第一单元第一单元硅衬底硅衬底1 单晶硅结单晶硅结构构2 硅锭及圆硅锭及圆片制备片制备3 外延外延基本单项基本单项工艺工艺第二单元第二单元氧化与掺杂氧化与掺杂第三单元第三单元薄膜制备薄膜制备第四单元第四单元光刻技术光刻技术4 氧化氧化5 扩散扩散6 离子注离子注入入7 cvd8 pvd9 光刻光刻10 现代光现代光刻技术刻技术11 刻蚀刻蚀第五单元第五单元工艺集成和测工艺集成和测试封装试封装12 金属化与金属化与多层互连多层互连13 工艺集工艺集成成14 测试封测试封

15、装装课程内容框架图27教材与参考书教材与参考书n王蔚王蔚 微电子制造技术微电子制造技术-原理与工艺原理与工艺 科学出版社科学出版社 2010n关旭东关旭东 硅集成电路工艺基础硅集成电路工艺基础北京大北京大学出版学出版 2003n清华大学清华大学集成电路工艺集成电路工艺多媒体教学多媒体教学课件课件 2001nstephen a. c.微电子制造科学原理与微电子制造科学原理与工程技术工程技术电子工业出版社，电子工业出版社，200328考试与课程评定 n期末考试采取笔试方式，考试成绩占总成绩的60%；n平时成绩占40%， 出勤10%，小测验10%，作业20%。29n第一章第一章 硅的晶体结构硅的晶体

16、结构30第第1章章 单晶硅结构、制备方法单晶硅结构、制备方法n1.1 硅晶体结构的特点硅晶体结构的特点n1.2 硅晶体缺陷硅晶体缺陷n1.3 硅中杂质硅中杂质n1.4 杂质在硅晶体中的溶解度杂质在硅晶体中的溶解度 n1.5 硅单晶的制备硅单晶的制备31 1.1 硅晶体结构的特点硅晶体结构的特点n硅是微电子工业中应硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材用最广泛的半导体材料，占整个电子材料料，占整个电子材料的的95左右，人们左右，人们对它的研究最为深入，对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是成电路中基本上都是使用硅材料。使用硅材料。硅四面体结构硅四面体结构键角：键

17、角：1092832硅、锗、砷化镓电学特性比较硅、锗、砷化镓电学特性比较性质sigegaas禁带宽度（ev）1.120.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/vs）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/vs）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.4510102.410189.0106本征电阻率（cm）2.31054710833n锗应用的最早，一些分立器件采用；锗应用的最早，一些分立器件采用； gaas是目前应用最多的化合物半导体，是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速主要是中等集成度的高速ic，及超过，及超过ghz的模拟的模拟ic使用，以及光

18、电器件使用，以及光电器件n从电学特性看硅并无多少优势从电学特性看硅并无多少优势,硅在其它硅在其它方面有许多优势方面有许多优势 34性质性质sigegaassio2原子序数143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.0010224.4210222.2110222.301022晶体结构金刚石金刚石闪锌矿四面体无规则网络晶格常数（）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.325.322.27相对介电常数11.716.319.43.9击穿电场（v/m）30835600熔点（）141793712381700蒸汽压（托

19、）10-7（1050）10-7（880）1（1050）10-3（1050）比热（j/g）0.700.310.351.00热导率（w/cm）1.501扩散系数（cm2/s）0.900.360.440.006线热膨胀系数（1/）2.510-65.810-65.910-60.510-6有效态密度（cm-3）导带nc价带nv2.810191.010191.010196.010184.710177.0101835硅作为电子材料的优点硅作为电子材料的优点n原料充分；原料充分；n硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很

20、重要；护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；n重量轻，密度只有重量轻，密度只有2.33g/cm3；n热学特性好，线热膨胀系数小，热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/ ，热导率高，热导率高，1.50w/cm；n单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；n机械性能良好。机械性能良好。36硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞晶格常数：晶格常数：=5.4305原子密度：原子密度：8/a3=5*1022 cm-3原子半径：原子半径：rsi=3a/8=1.17空间利用率：空间利用率：371.2 硅晶向、晶面和堆积模型硅晶向、晶面和堆积模型硅的

21、几种常用晶向的原子分布图硅的几种常用晶向的原子分布图晶格中原子可看作是处在一系列方向相同晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。的平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记标记晶列方向用晶列方向用晶向晶向, 记为记为m1m2m3 。用。用表示等价的晶向表示等价的晶向.1/a1.41/a1.15/a晶向晶向38硅晶面硅晶面n晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫面系叫晶面晶面。用。用晶面指数晶面指数(h1h2 h3)标记。如（标记。如（100）晶面）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为（又称密勒指数）。等

22、价晶面表示为100n100晶向和晶向和(100)面是垂直的。面是垂直的。立方晶系的几种主要晶面立方晶系的几种主要晶面39硅晶面硅晶面硅常用晶面上原子分布硅常用晶面上原子分布si面密度面密度:(100) 2/a2(110) 2.83/a2(111) 2.3/a240abab六角密积六角密积（镁型）（镁型）abcabc立方密积立方密积（铜型）（铜型）堆积模型图堆积模型图41六角密积42立方密积：立方密积：第三层的另一第三层的另一种排列方式，是将球对准种排列方式，是将球对准第一层的第一层的 2，4，6 位，不位，不同于同于 ab 两层的位置，这两层的位置，这是是 c 层。层。123456123456

23、12345643面心立方晶格面心立方晶格n在在111晶向是立方密积，晶向是立方密积，n(111)面是密排面面是密排面44硅晶体为双层立方密积结构硅晶体为双层立方密积结构n硅单晶由两套面心立方结构套构而硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有成，有双层密排面双层密排面aabbccn双层密排面：双层密排面：原子距离最近，结合原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为表面成为111晶面的趋势。晶面的趋势。n两层双层密排面之间：两层双层密排面之间：原子距离最原子距离最远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这远，结

24、合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着容易沿着111晶面劈裂，这种易晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的劈裂的晶面称为晶体的解理面解理面。 45解理面解理面n（111）面为解理面，即为天然易破裂面。实）面为解理面，即为天然易破裂面。实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。n（100）面与（）面与（111）面相交成矩形，（）面相交成矩形，（100）面）面硅片破裂时裂纹是呈矩形的；硅片破裂时裂纹是呈矩形的；n（111）面和其它（）面和其它（111）面相交呈三角形，因此）面相交呈三角形，因此（111）面硅

25、片破裂时裂纹也是呈三角形，呈）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，呈60角。角。n硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的硅片作为衬底材料。面的硅片作为衬底材料。 461.2 硅晶体缺陷硅晶体缺陷n在高度完美的单晶硅片中，实际也存在缺在高度完美的单晶硅片中，实际也存在缺陷。有：陷。有：n零维零维-点缺陷、点缺陷、n一维一维-线缺陷、线缺陷、n二、三维二、三维-面缺陷和体缺陷面缺陷和体缺陷n晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。47点缺陷点缺陷n

26、本征本征空位空位 a，a+、a - 、a 2-自间（填）隙原子自间（填）隙原子b弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷n杂质杂质替位杂质替位杂质c填隙杂质填隙杂质dhttp:/ n杂质中，填隙杂质在微电子工艺中是应尽量避免的，这些杂质破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大；而替位杂质通常是在微电子工艺中有意掺入的杂质。例如，硅晶体中掺入a、a族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属au等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命。49线缺陷线缺陷n线缺陷最常见的就线缺陷最常见的就是是位错位错。位错附近，。位错附近，原子排列偏离了严原子排列

27、偏离了严格的周期性，相对格的周期性，相对位置发生了错乱。位置发生了错乱。n位错可看成由位错可看成由滑移滑移形成，滑移后两部形成，滑移后两部分晶体重新吻合。分晶体重新吻合。在交界处形成位错。在交界处形成位错。用用滑移矢量滑移矢量表征滑表征滑移量大小和方向。移量大小和方向。123ba缺陷附近共价键被缺陷附近共价键被压缩压缩1、拉长、拉长2、悬、悬挂挂3，存在应力，存在应力50刃位错和螺位错刃位错和螺位错n位错主要有刃位错和螺位位错主要有刃位错和螺位错：位错线与滑移矢量垂错：位错线与滑移矢量垂直称直称刃位错；刃位错；位错线与滑位错线与滑移矢量平行，称为移矢量平行，称为螺位错螺位错。n硅晶体的双层密排

28、面间原硅晶体的双层密排面间原于价键密度最小，结合最于价键密度最小，结合最弱，滑移常沿弱，滑移常沿111面发生，面发生，位错线也就常在位错线也就常在111晶面晶面之间。该面称为之间。该面称为滑移面。滑移面。51刃形位错的运动刃形位错的运动攀移攀移滑移滑移原位原位52面缺陷和体缺陷面缺陷和体缺陷n面缺陷主要是由于面缺陷主要是由于原子堆积排列次序原子堆积排列次序发生错乱，称为堆发生错乱，称为堆垛层错，简称垛层错，简称层错层错。 n体缺陷是杂质在晶体缺陷是杂质在晶体中沉积形成；晶体中沉积形成；晶体中的空隙也是一体中的空隙也是一种体缺陷。种体缺陷。 53缺陷的产生及结团缺陷的产生及结团n缺陷是存在应力的

29、标志，微电子工艺过程中能缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种：够诱导缺陷的应力主要有三种：n存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力，诱生位错；热塑性应力，诱生位错；n晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷；大小不同，形成内部应力诱生缺陷；n硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷

30、。n结团作用结团作用 高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量高维缺陷，释放能量54缺陷的去除缺陷的去除 缺陷在器件的有源区（晶体管所在位置）缺陷在器件的有源区（晶体管所在位置）影应响其性能，必须设法使之减少。影应响其性能，必须设法使之减少。n单晶生长时的工艺控制；单晶生长时的工艺控制；n非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；来吸杂；n本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。551.3 硅中杂质硅中杂质n

31、半导体材料多以掺杂混半导体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质有合物状态出现，杂质有故意掺入的和无意掺入故意掺入的和无意掺入的。的。n故意掺入故意掺入si中的杂质有中的杂质有aa、vava族族, ,金。金。故意杂故意杂质质具有具有电活性电活性，能改变，能改变硅晶体的电学特性。硅晶体的电学特性。n无意掺入无意掺入si中的杂质有中的杂质有氧，碳等。氧，碳等。1.45*101056si中杂质类型中杂质类型n间隙式杂质间隙式杂质 主要是主要是a和和a族元素，有：族元素，有：na、k、li、h等，它们通常无电活性，在硅中以间等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。隙方式扩散，扩散速率快。n替

32、位式杂质替位式杂质 主要是主要是a和和a族元素，具有电族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。称为慢扩散杂质。n间隙间隙替位式杂质替位式杂质 大多数过渡元素：大多数过渡元素：au、fe、cu、pt、ni、ag等。都以间隙等。都以间隙-替位方式扩散，替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具

33、有电活性。于替位的杂质具有电活性。571.3.1杂质对杂质对si电学特性的影响电学特性的影响naa、vava族族电活电活性杂质主要有：性杂质主要有：硼、磷、砷，硼、磷、砷，锑等锑等浅能级杂浅能级杂质质n金等杂质在室金等杂质在室温时难以电离，温时难以电离，多数无电活性，多数无电活性，是是复合中心复合中心，具有降低硅中具有降低硅中载流子寿命的载流子寿命的作用，是作用，是深能深能级杂质级杂质空穴空穴 硅晶体中硼电离示意图硅晶体中硼电离示意图bb束缚电子束缚电子自由电子自由电子 硅晶体中磷电离示意图硅晶体中磷电离示意图p+pdcdee 施主电离能施主电离能 受主电离能受主电离能 vaaee 58硅晶体

34、中杂质能级和电离能硅晶体中杂质能级和电离能59 硅单晶电阻率与掺杂浓度关系曲线硅单晶电阻率与掺杂浓度关系曲线硅的电阻率硅的电阻率-掺杂浓度曲线掺杂浓度曲线n不同类型杂质对导电能不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫力相互抵消的现象叫杂杂质补偿质补偿。n硅中同时存在磷和硼，硅中同时存在磷和硼，若磷的浓度高于硼，那若磷的浓度高于硼，那么这就是么这就是n型硅。型硅。n不过导带中的电子浓度不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度，并不等于磷杂质浓度，因为电离的电子首先要因为电离的电子首先要填充受主，余下的才能填充受主，余下的才能发送到导带。发送到导带。601.3.2 杂质在硅晶体中的溶解度杂质在硅晶体中

35、的溶解度n一种元素一种元素b(b(溶质溶质) )引入到另一种元素引入到另一种元素a(a(溶溶剂剂) )晶体晶体中时，在达到一定浓度之前，不中时，在达到一定浓度之前，不会有会有新相新相产生，仍保持原产生，仍保持原a a晶体结构，这晶体结构，这样的晶体称为样的晶体称为固溶体固溶体。n一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质浓度，这一平衡浓度就称为该杂质b在晶在晶体体a中中的的固溶度固溶度。61固溶体固溶体n固溶体主要可分为两类：固溶体主要可分为两类： 替位式固溶体替位式固溶体和和间隙式固溶体间隙式固溶体。 si中中a、va族杂质形成替位式有

36、限固溶体。族杂质形成替位式有限固溶体。n替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：n原子半径相差小于原子半径相差小于15，称，称“有利几何因素有利几何因素” r：si 1.17, b 0.89, p 1.10 ；n原子外部电了壳层结构相似；原子外部电了壳层结构相似；n晶体结构的相似。晶体结构的相似。62硅晶体中杂质的固溶度硅晶体中杂质的固溶度n掺杂浓度可掺杂浓度可以超过固溶以超过固溶度。给含杂度。给含杂质原子的硅质原子的硅片加热，再片加热，再快速冷却，快速冷却，杂质浓度可杂质浓度可超出其固溶超出其固溶度的度的10倍以倍以上上。63相图知识相图知识相图相图是用来

37、讨论混合物体系性质的一种图示是用来讨论混合物体系性质的一种图示方法。方法。相相定义为物质存在的一种状态，这一状态是由定义为物质存在的一种状态，这一状态是由一组均匀的性质来表征的。一组均匀的性质来表征的。当混合物体系中的各相均处于热力学平衡状态，当混合物体系中的各相均处于热力学平衡状态，一般包括一个以上固相的这种状态图就是相图。一般包括一个以上固相的这种状态图就是相图。相图与大气压也有关，微电子工艺大多是常压相图与大气压也有关，微电子工艺大多是常压工艺，一般只使用常压状态的相图。工艺，一般只使用常压状态的相图。 64相图用途相图用途 由材料的成分和温度预知平衡相；由材料的成分和温度预知平衡相；

38、材料的成分一定而温度发生变化时材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；其他平衡相变化的规律； 估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能预测材料的组织和性能65相图的构成相图的构成：由两条曲线将：由两条曲线将相图分为三个区。左右两端相图分为三个区。左右两端点分别为组元的熔点。上面点分别为组元的熔点。上面的一条曲线称为的一条曲线称为液相线液相线，液，液相线之上为液相的单相区，相线之上为液相的单相区，常用常用l l表示；下面的一条曲表示；下面的一条曲线称为线称为固相线固相线，固相线之下，固相线之下为固溶体的单相区，常用为固溶体的单相区，常用表示；两条曲线之间是表示；两条曲

39、线之间是双相双相区区，标记，标记l+l+表示。表示。 二元匀晶相图二元匀晶相图66相图与冷却曲线的关系相图与冷却曲线的关系： 成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果系统散热能力一样，温度随时间的变化系统散热能力一样，温度随时间的变化( (冷却冷却) )曲线上的斜率将曲线上的斜率将不同，曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时不同，曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。67两相平衡时的数量分配规律杠杆定律两相平衡时

40、的数量分配规律杠杆定律 如图，合金如图，合金x x在温度在温度t t1 1将由两相长期并存，这时两相的成分将由两相长期并存，这时两相的成分和数量保持不变。过和数量保持不变。过x x点作水平线交液相线和固相线于点作水平线交液相线和固相线于a a、c c点，点，经热力学证明经热力学证明a a、c c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分，点的成分分别为平衡的液体和固体的成分，设设m ml l和和m m 分别为两相的数量，分别为两相的数量，由物质不灭可推导出：由物质不灭可推导出：一般用占总体数量的百分一般用占总体数量的百分比的相对值来表示。如果比的相对值来表示。如果把线段把线段axcaxc当成一杠杆，

41、则当成一杠杆，则他们满足杠杆力的平衡原他们满足杠杆力的平衡原理，所以称之为理，所以称之为杠杆定律杠杆定律。用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便。适用所有两相平衡。用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便。适用所有两相平衡。68连续性固溶体：锗连续性固溶体：锗-硅相图硅相图硅硅-锗锗二元相图：二元相图：可完全互溶，又称为可完全互溶，又称为同晶体系同晶体系，用杠杆规则计算各组分量，用杠杆规则计算各组分量ls1414938.3结晶区结晶区t1t2cmclcslssmllsmwcclwccs69铝-硅体系相图 n纯铝的凝固点（熔点）是660，纯硅的凝固点是1412，在硅熔体中掺入铝

42、，或在铝熔体中掺入硅，熔体的凝固点都下降，凝固点最小值为577，这一点称为共晶点共晶点，这一点的组分称为共晶组成，共晶点硅原子占原子总数的11.3%。 l70砷砷-硅体系相图硅体系相图n两种中间化合物：两种中间化合物：sias和和sias2。有三个体系，。有三个体系，si-sias，sias-sias2，sias2-as。n有一重量比为有一重量比为86%as熔融熔融体从高温开始冷却。在温体从高温开始冷却。在温度达度达1020时，固体时，固体sias从熔体中结晶出来，熔体从熔体中结晶出来，熔体成为富砷相，直到温度降成为富砷相，直到温度降至至944，这时液相组成，这时液相组成为为90%as+10%

43、si。温。温度继续下降时，固体的度继续下降时，固体的sias与一些剩余的熔体结与一些剩余的熔体结合形成液体合形成液体+sias2相，相，sias被包在被包在sias2中。当温中。当温度降至度降至786，sias2和和相都从液相析出。该体系相都从液相析出。该体系称称包晶体系包晶体系。 as-si体系相图（si）71本章小结 n晶体结构，作为芯片衬底的主要晶向、晶面的特点；n晶体缺陷类型、产生原因，以及对工艺有重要影响的点缺陷的特点；n晶体中杂质类型，对硅电阻率的影响，以及固溶度。72n2.1 多晶硅的制备多晶硅的制备n2.2 单晶硅生长单晶硅生长 n2.3 硅片制造硅片制造第二章第二章 硅（单晶

44、）片制备硅（单晶）片制备732.1 多晶硅的制备多晶硅的制备n制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原制备多晶硅，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，料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学的、物理的提纯工艺就制出半导体纯度的、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的多晶硅。电子级多晶硅纯度可达11n。74半导体纯度多晶硅制备流程半导体纯度多晶硅制备流程n冶炼冶炼 sio2+2c si+ 2co 主要杂质：主要杂质：fe、al、c、b、p、cu 要进一步提纯。要进一步提纯。 n酸洗酸洗 hyd

45、rochlorination化学提纯化学提纯 si + 3hcl sihcl3 + h2 si + 2cl2 sicl4 硅不溶于酸，所以粗硅初步提纯是用硅不溶于酸，所以粗硅初步提纯是用hcl、 h2so4、王水、等混酸泡洗至王水、等混酸泡洗至i含量含量99.7%以上。以上。n蒸馏提纯蒸馏提纯 distillation 利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯物理提纯利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯物理提纯 先将酸洗过的硅氧化为先将酸洗过的硅氧化为sihcl3或或 sicl4，常温下，常温下sihcl3 沸点沸点31.5，与与sicl4 沸点沸点57.6都是

46、液态，蒸馏获得都是液态，蒸馏获得高纯的高纯的sihcl3或或sicl4。n分解分解 discomposition sicl4 + 2h2 si + 4hcl sihcl3 + h2 si + 3hcl 氢气易于净化，且在氢气易于净化，且在si中溶解度极低，因此，多用中溶解度极低，因此，多用h2来还原来还原sihcl3和和sicl4，还原得到的硅就是半，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。导体纯度的多晶硅。 1600-18007576多晶硅结构模型和性质 n多晶硅呈各向同性 多晶硅是由无数微小晶粒以不同取向无规则的堆积而成，晶粒内部原子排列有序，晶粒的大小和取向与制备方法、工艺条件有关，晶粒各向

47、异性，在晶粒与晶粒之间是晶界，晶界处原子排列无序，多晶硅的晶粒各个取向都有n多晶硅内杂质在晶粒与晶界之间有分凝效应 晶粒内杂质浓度低，而晶界处杂质浓度高；晶界处形成大量晶体缺陷，由此产生陷阱效应，易俘获载流子。n多晶硅与单晶硅比较具有：电阻率大，且电阻的温度系数可通过掺杂浓度选正、负、零；杂质在其内部扩散速率快；少子寿命低，约比单晶硅低三个数量级。 772.2 单晶硅生长单晶硅生长n采用熔体生长法采用熔体生长法制备单晶硅棒制备单晶硅棒n多晶硅多晶硅熔体硅熔体硅单晶硅棒单晶硅棒 n按制备时有无使用按制备时有无使用坩埚坩埚又分为两类又分为两类n有坩埚的：直拉法、磁控直拉法；有坩埚的：直拉法、磁控直

48、拉法；n无坩埚的：悬浮区熔法无坩埚的：悬浮区熔法 。 78直拉法直拉法-czochralski法法(cz法法)原理原理n物质的本质物质的本质：原子以哪种方式结合使系统吉布斯自由原子以哪种方式结合使系统吉布斯自由能更低。能更低。温度高时原子活动能力强，排列紊乱能量低，温度高时原子活动能力强，排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量-这是热力学的基本原则。这是热力学的基本原则。n熔融液体的粘度熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻粘度表征流体中发生相对运动的阻力力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温，随温度降低，粘度不

49、断增加，在到达结晶转变温度前。粘度增加到能阻止在度前。粘度增加到能阻止在重力重力作用物质发生流动时，作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。生结晶。n熔融液体的冷却速度熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可以固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可

50、以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面成为规则排列的晶体。决定因素有三方面:79结晶的热力学条件结晶的热力学条件n热力学定律指出，在等压条件下，一切自发热力学定律指出，在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统自由能（即能够对外做功过程都是朝着系统自由能（即能够对外做功的那部分能量）降低的方向进行。的那部分能量）降低的方向进行。n晶体生长过程亦即相变过程。熔体硅晶体生长过程亦即相变过程。熔体硅晶体硅，是相界面推移过程。晶体硅，是相界面推移过程。（1）g-t曲线曲线 a 是下降曲线：由是下降曲线：由g-t函数的一次导数函数的一次导数（负）确定。（负）确定。 dg/dt=-s b 是上凸曲线：由二次导

51、数（负）确定。是上凸曲线：由二次导数（负）确定。 d2g/d2t=-cp/t c 液相曲线斜率大于固相：液相曲线斜率大于固相： 由一次导数大小确定。由一次导数大小确定。 二曲线相交于一点，即材料的熔点。二曲线相交于一点，即材料的熔点。80结晶的热力学条件结晶的热力学条件 因为液体的熵值恒大于固体的熵，因为液体的熵值恒大于固体的熵，所以液体的曲线下降的趋势更陡，两所以液体的曲线下降的趋势更陡，两曲线相交处的温度曲线相交处的温度t tm m，当温度，当温度t= tt= tm m时，液相和固相的自由能相等，处于时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称平衡共存，所以称t tm m为临界点，也就

52、为临界点，也就是是理论凝固温度理论凝固温度。当当t tt tt tm m时，从固体向液体的转变使时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。生熔化过程。结晶过程的热力学条件结晶过程的热力学条件就是温度在就是温度在理论熔点以下。理论熔点以下。81n由结晶热力学，由结晶热力学，在单一的组元情况下，在一定的过冷度在单一的组元情况下，在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能变化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另

53、一方面增加了液固相界面，增加了表面自会下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此总的吉布斯自由能变化量为：由能，因此总的吉布斯自由能变化量为：为密度，为密度，为界面能（界面张力），为界面能（界面张力），a为表面积为表面积g0，是自发过程，是自发过程，tm 为熔点，为熔点， n定义：定义：表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为处在的温度之差称为过冷度过冷度，t=t- tm。过冷度越大自过冷度越大自发过程越易发生发过程越易发生-过冷是结晶的必要条件之一过冷是结晶的必要条件之一agggls)(82 单晶的制备单晶的制备 根据

54、凝固理论，要想得到单晶体，在凝固的过程中只有根据凝固理论，要想得到单晶体，在凝固的过程中只有晶体长大而不能有新的晶体长大而不能有新的晶核晶核形成，采取的措施就是：形成，采取的措施就是：熔体的纯度非常高，防止非均匀形核；熔体的纯度非常高，防止非均匀形核；液体的温度控制在精确的范围内，过冷度很小，可以生长液体的温度控制在精确的范围内，过冷度很小，可以生长但不足以发生自发形核；但不足以发生自发形核；引入一个晶体引入一个晶体( (晶种晶种) )，仅让这个晶体在此环境中长大，仅让这个晶体在此环境中长大。83结晶动力学结晶动力学n研究结晶物质的研究结晶物质的结晶结晶形成方式和过程以及形成方式和过程以及结晶

55、速率结晶速率对时间、温度和对时间、温度和分子结构分子结构等影响因素的依赖关系。等影响因素的依赖关系。n固液界面处，熔体硅必须释放热能（结晶潜能固液界面处，熔体硅必须释放热能（结晶潜能l），并在界面处产生一大的），并在界面处产生一大的温度梯度（约温度梯度（约100/cm)。在一维分析中，令界面处单位体积内的能流平衡。在一维分析中，令界面处单位体积内的能流平衡lksk-液态和固态硅在熔融温度下的热导率液态和固态硅在熔融温度下的热导率dtdm- 质量传递速度质量传递速度式中式中84提拉速度问题n在直拉工艺条件下，两个热扩散项都为正值，且第一项第二项，在直拉工艺条件下，两个热扩散项都为正值，且第一项第

56、二项，所以晶锭提升有一个最大提拉速度所以晶锭提升有一个最大提拉速度n假设向上扩散到固体的热量都由界面处结晶潜热产生（第一项为假设向上扩散到固体的热量都由界面处结晶潜热产生（第一项为0），），熔体部分没有温度梯度，则熔体部分没有温度梯度，则maxv85直拉法直拉法-czochralski法法(cz法法)在坩埚中放入多晶硅，在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当个夹头夹住一块适当晶向的晶向的籽晶籽晶，将它悬，将它悬浮在坩埚上，拉制时，浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上化，然后再缓慢向上提拉，这时在液提拉，这时在液-固界固界

57、面经过逐渐冷凝就形面经过逐渐冷凝就形成了单晶。成了单晶。86单晶炉单晶炉四部分组成：四部分组成：炉体部分，有坩埚、水炉体部分，有坩埚、水冷装置和拉杆等机械冷装置和拉杆等机械传动部分；传动部分；加热控温系统，有光学加热控温系统，有光学高温计、加热器、隔高温计、加热器、隔热装置等；热装置等；真空部分，有机械泵、真空部分，有机械泵、扩散泵、测真空计等扩散泵、测真空计等。控制部分，电控系统等控制部分，电控系统等 西安矽美单晶硅公司单晶生产照片西安矽美单晶硅公司单晶生产照片87cz法工艺流程法工艺流程n准备准备n腐蚀清洗多晶腐蚀清洗多晶- -籽晶准备籽晶准备- -装炉装炉- -真空操作真空操作 n开炉开

58、炉n升温升温- -水冷水冷- -通气通气 n生长生长n引晶引晶- -缩晶缩晶- -放肩放肩- -等径生长等径生长- -收收尾尾 n停炉停炉n降温降温-停气停气-停止抽真空停止抽真空-开炉开炉缩颈作用示意图缩颈作用示意图88n引晶引晶 是将籽晶与熔体很好的接触。是将籽晶与熔体很好的接触。 n缩晶缩晶 在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有部分直径只有2-3mm。 n放肩放肩 将晶体直径放大至需要的尺寸。将晶体直径放大至需要的尺寸。n等径生长等径生长 拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。拉升速度、转速，以及温度决

59、定晶体直径大小，晶。拉升速度、转速，以及温度决定晶体直径大小，缩晶与放肩处的直径也是由拉升速度、转速，以及缩晶与放肩处的直径也是由拉升速度、转速，以及温度控制。温度控制。 n收尾收尾 结束单晶生长。结束单晶生长。 生长生长89籽晶是必不可少的，因为当熔体温度籽晶是必不可少的，因为当熔体温度低于熔点时，在熔体中将出现晶体微粒，低于熔点时，在熔体中将出现晶体微粒，即晶核，晶核在母相内各处出现的几率相即晶核，晶核在母相内各处出现的几率相同。为了克服相当大的表面能垒（界面势同。为了克服相当大的表面能垒（界面势垒）垒） -表面张力，需要相当大的过冷度表面张力，需要相当大的过冷度才能形成晶核。才能形成晶核

60、。 理想工艺是在晶体生长时只产生一个理想工艺是在晶体生长时只产生一个晶核，整个晶棒是完整的单晶，所以籽晶晶核，整个晶棒是完整的单晶，所以籽晶的加入就是做的加入就是做晶核晶核，力图生长出完整的单，力图生长出完整的单晶。晶。 籽晶的作用籽晶的作用 90n提拉速度，晶体的质量对提拉速度很敏感，在靠近提拉速度，晶体的质量对提拉速度很敏感，在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。些缺陷结团。点缺陷结团点缺陷结团后多为位错环，这些环相后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。n温度场的