微电子工艺学课件_3

1、微电子工艺学第一章绪论第一章绪论第二章现代第二章现代 cmos 工艺技术第三章晶体生长与衬底制备工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章第四章加工环境与基片清洗加工环境与基片清洗第四章第四章加工环境与基片清洗加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章第十一章后段工艺与集成后段工艺与集成第十一章第十一章后段工艺与集成后段工艺与集成1第三章 单晶生长和衬底制备3.1 衬底材料衬底材料3.2 单晶生长3.3 衬底制备3.4 晶体特性3.5 晶体参数测量23.1 衬

2、底材料微电子器件衬底材料的种类：微电子器件衬底材料的种类：元素半导体元素半导体（如硅如硅、锗锗）、）、 化合物半导体化合物半导体（砷化镓砷化镓、磷化铟磷化铟、氮化氮化元素半导体元素半导体（如硅如硅、锗锗）、）、 化合物半导体化合物半导体（砷化镓砷化镓、磷化铟磷化铟、氮化氮化镓、碳化硅） 和镓、碳化硅） 和 绝缘体绝缘体（蓝宝石、尖晶石）（蓝宝石、尖晶石）? 结构结构、组成各有不同特点组成各有不同特点；? 结构结构、组成各有不同特点组成各有不同特点；? 不承担器件或电路的电子功能；不承担器件或电路的电子功能；? 品质高低对器件性能有很大影响品质高低对器件性能有很大影响。 导电类型：导电类型：n

3、型与型与 p 型都易制备；型都易制备； 电阻率：电阻率：0.01105 cm，均匀性好；，均匀性好； 寿命寿命（少数载流子少数载流子）：）：晶体管晶体管 长寿长寿? 品质高低对器件性能有很大影响品质高低对器件性能有很大影响。寿命寿命（少数载流子少数载流子）：）：晶体管晶体管长寿长寿命命, 开关器件开关器件 短寿命；短寿命； 晶格完整性：低位错（晶格完整性：低位错（ 1000 /cm2）；）；纯度纯度：电子级电子级109杂质杂质；选择和制备低成本、高用量的优良衬选择和制备低成本、高用量的优良衬底材料底材料，对微电子工业至关重要对微电子工业至关重要！ 纯度纯度：电子级电子级 10 9杂质杂质； 晶

4、向：双极器件晶向：双极器件, mos ； 直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。3底材料底材料，对微电子工业至关重要对微电子工业至关重要！si 的基本特性的基本特性:? 间接带隙半导体， 禁带宽度间接带隙半导体， 禁带宽度 eg=1.12ev? 相对介电常数：相对介电常数：r=11.9? 熔点：熔点： 1417 c；工作温度：；工作温度：150 c；? 本征载流子浓度：本征载流子浓度：ni=1.45 1010 cm 3? 本征电阻率本征电阻率：2 3105 ? 本征电阻率本征电阻率： =2.3 105 cm? 电子迁移率： 电子迁移率： e=1500 cm2/vs

5、；? 空穴迁移率空穴迁移率： h=450 cm2/vs空穴迁移率空穴迁移率： h50 c/vsge的基本特性：的基本特性：在半导体器件上的应用已大部分被硅取在半导体器件上的应用已大部分被硅取? 禁带宽度：禁带宽度： 0.66ev；? 工作温度：工作温度：75 c；? 本征电阻率本征电阻率：。在半导体器件上的应用已大部分被硅取在半导体器件上的应用已大部分被硅取代，仅在高频大功率器件有一定用量，其他以光电雪崩二极管用量较大。红外代，仅在高频大功率器件有一定用量，其他以光电雪崩二极管用量较大。红外光学上需要量占锗总用量光学上需要量占锗总用量5060。? 本征电阻率本征电阻率：47 cm。4光学上需要

6、量占锗总用量光学上需要量占锗总用量5060。单晶硅基片之所以在诸多衬底材料中脱颖而出，成单晶硅基片之所以在诸多衬底材料中脱颖而出，成为超大规模集成电路器件的基片材料为超大规模集成电路器件的基片材料，原因还在于原因还在于：? 可获得性：可获得性：地球表面存量最丰富的元素之一（地球表面存量最丰富的元素之一（27.6）；）；为超大规模集成电路器件的基片材料为超大规模集成电路器件的基片材料，原因还在于原因还在于：? 工艺优势：工艺优势：与晶片粘结或生长氧化层、外延层相对容易；与晶片粘结或生长氧化层、外延层相对容易；si/sio2 界面性能理想，可做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质界面性能理想，可

7、做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料材料；材料材料；? 制备成本：制备成本：能大量生长大尺寸（能大量生长大尺寸（450mm ）单晶棒，具有目前最经济、最成熟的规模生产技术。）单晶棒，具有目前最经济、最成熟的规模生产技术。微电子技术取得非凡进步并按摩尔定律发展的一个基本因素是微电子技术取得非凡进步并按摩尔定律发展的一个基本因素是硅材料的独有特性硅材料的独有特性硅材料的独有特性硅材料的独有特性5一个一个 fcc 中的原子中的原子另一另一中的原子中的原子另一另一 fcc 中的原子中的原子硅的晶体硅的晶体金刚石结构（金刚石结构（si, ge, gaas）两两中所有原子中所有原子体内 ：各向同性

8、体内 ：各向同性表面表面 ：电学电学、物理物理两两fcc 中所有原子中所有原子与四个相邻原子形成共价键与四个相邻原子形成共价键表面表面 ：电学电学、物理物理特性有差异特性有差异两套构两套构 fcc，三方向上偏移，三方向上偏移 a/4。(100) si ：主导地位：主导地位(111) si ：较少使用较少使用(111) si ：较少使用较少使用63.2 单晶生长gaas/ga, as原材料原材料si/sio2原材料原材料蒸馏和还原合成蒸馏和还原合成多晶半导体多晶半导体晶体生长晶体生长晶体生长晶体生长单 晶单 晶研磨研磨、切割切割、研磨研磨、切割切割、晶 片晶 片研磨研磨、切割切割、抛光抛光研磨研

9、磨、切割切割、抛光抛光7 7 7最纯材料最纯材料硅砂（硅砂（sio2）冶金级硅（）冶金级硅（mgs）电子级硅（电子级硅（egs）98% pureppb purity， ，最纯材料最纯材料高温碳还原高温氯化高温氢还原高温碳还原高温氯化高温氢还原gassolid1600-1800 cmsgmsg1000-1200 c精馏提纯精馏提纯grind to powdergrind to powdersicsio2sisio co si3hcl sihcl3 h2 (300 c)sihcl3h2 si3hcl c精馏提纯精馏提纯take several dayssicsio2sisio co sio2c s

10、ico si3hcl sihcl3 h2 (300 c)sicl2 sicl4 (500-700 c)sihcl3h2 si3hcl sicl4 h2 si4hcl 8一、直拉（一、直拉（czochralski ，cz）法）法籽晶籽晶? 目前目前 ic 所用所用 si 基片基本均由基片基本均由 cz 法法制备制备；ar ambient单晶棒石英坩埚水冷腔单晶棒石英坩埚水冷腔制备制备；? 加热加热 egs 至至 1417 c 左右熔融，使用左右熔融，使用籽晶浸入后拉出硅单晶籽晶浸入后拉出硅单晶；碳加热器热屏蔽石墨坩埚碳加热器热屏蔽石墨坩埚籽晶浸入后拉出硅单晶籽晶浸入后拉出硅单晶；1crystal

11、pulling.mov? 需控制工艺参数需控制工艺参数1crystalpulling.mov坩埚基座坩埚基座电极电极溢出托盘溢出托盘? 需控制工艺参数需控制工艺参数一级：温度、拉晶速度；二级：单晶和坩埚转速、 气体流量。一级：温度、拉晶速度；二级：单晶和坩埚转速、 气体流量。电极电极 c 1015-1016cm-3egs中杂质中杂质 1 ppb，晶体生长引入，晶体生长引入 o （ 1018cm-3） 和） 和 c （ 1016cm-3），）， introduces sio2in cz; oi1017-1018cm-3 c 1010cm融硅中掺杂杂质融硅中掺杂杂质 p、b、as 等等9? 拉晶：

12、拉晶：籽晶籽晶ccw，坩埚，坩埚cw，降低熔料温度梯度降低熔料温度梯度，提高生长和提高生长和降低熔料温度梯度降低熔料温度梯度，提高生长和提高生长和掺杂均匀性；掺杂均匀性；? 坩埚随液面下降而上升：坩埚随液面下降而上升：保持保持熔硅液面在温度场中位置不变；熔硅液面在温度场中位置不变；? 加磁场：加磁场：抑制热对流，降低缺抑制热对流，降低缺陷陷、杂质杂质、氧含量的浓度氧含量的浓度；陷陷、杂质杂质、氧含量的浓度氧含量的浓度；? 直径：直径：由拉速决定；由拉速决定；? 拉速拉速：由远离结晶表面的加热由远离结晶表面的加热 200mm单晶单晶, 500 c 退火退火， 硅氧络合物溶解硅氧络合物溶解；? 因

13、溶解度变化而析出，形成位错和堆垛层错，因溶解度变化而析出，形成位错和堆垛层错，（非有源区的）（非有源区的）可可用于用于本征吸杂本征吸杂。30 晶核晶核 700 c氧在硅中的平衡溶解度：氧在硅中的平衡溶解度：30 晶核晶核 700 c1 2 10183（1417 c ）1.2 1018cm 3（1417 c ）1.0 1017cm 3（1000 c ）t，异质，异质 or 同质成核同质成核11氧在硅中溶解度随温度的变化氧在硅中溶解度随温度的变化硅中的碳 （硅中的碳 （ 1 1016cm 3）来源来源：siocsico ，通过气相传输通过气相传输来源来源：sio + c si + co ，通过气相

14、传输通过气相传输? 通常以替位方式占据原有的硅晶格位置，通常以替位方式占据原有的硅晶格位置，非施主和受主非施主和受主；非施主和受主非施主和受主；? 影响氧的沉积（趋向于形成最小应力的氧、碳化合物）及吸杂效率；影响氧的沉积（趋向于形成最小应力的氧、碳化合物）及吸杂效率；? 在更高温度上（在更高温度上（6501000 c）形成氧施主；）形成氧施主；? 与点缺陷和其它掺杂杂质存在相互作用与点缺陷和其它掺杂杂质存在相互作用（补偿应力补偿应力）。）。（补偿应力补偿应力）。）。不是期望的杂质，需严格控制其浓度。不是期望的杂质，需严格控制其浓度。更高浓度的碳可改变硅禁带宽度更高浓度的碳可改变硅禁带宽度 （几

15、个百分几个百分更高浓度的碳可改变硅禁带宽度更高浓度的碳可改变硅禁带宽度 （几个百分几个百分点）- 未来可能的新型器件。点）- 未来可能的新型器件。12拉晶过程拉晶过程a. 引晶（下种）：引晶（下种）：籽晶旋转下降，预热（烤晶）后与熔籽晶旋转下降，预热（烤晶）后与熔硅表面熔接硅表面熔接，注意控制引晶温度注意控制引晶温度；硅表面熔接硅表面熔接，注意控制引晶温度注意控制引晶温度；b. 缩颈：缩颈：高温熔接，低温快速细长缩颈，以生长无位错单晶。高温熔接，低温快速细长缩颈，以生长无位错单晶。c. 放肩：放肩：缩颈到要求长度后，大幅降低提拉速度，将晶体放大到所需直径，控制出一均匀平滑的肩。缩颈到要求长度后

16、，大幅降低提拉速度，将晶体放大到所需直径，控制出一均匀平滑的肩。d 等径生长等径生长：放肩至接近所需直径时放肩至接近所需直径时，升温升温、加速加速，使使d. 等径生长等径生长：放肩至接近所需直径时放肩至接近所需直径时，升温升温、加速加速，使使晶体圆滑进入等径生长。恒定拉速使直径大小均匀。晶体圆滑进入等径生长。恒定拉速使直径大小均匀。e. 收尾：收尾：等径生长后，升温提速拉成锥形尾体，目的在于减少尾等径生长后，升温提速拉成锥形尾体，目的在于减少尾部位错的产生与攀移部位错的产生与攀移。部位错的产生与攀移部位错的产生与攀移。13（111）三棱三面，（）三棱三面，（100）四条对称棱线）四条对称棱线(

17、)dtjk=界面界面结晶硅的热流密度结晶硅的热流密度界面区单位时间内界面区单位时间内cz 晶体生长模型晶体生长模型1()ssdtjkdx=界面界面结晶硅的热流密度结晶硅的热流密度2()lldtjkdx=熔硅界面的热流密度熔硅界面的热流密度界面区单位时间内界面区单位时间内释放的潜能释放的潜能 e=j1-j2seed? 单晶生长实际上是液固两相的转化，实现条件是在两相界面单晶生长实际上是液固两相的转化，实现条件是在两相界面附近存在温度梯度附近存在温度梯度；c=辐射传热辐射传热dxc附近存在温度梯度附近存在温度梯度；? 晶体凝结发生在两等温面晶体凝结发生在两等温面 x1和和 x2间间，期间释放热量期

18、间释放热量；b=固体热传导固体热传导solid sibaisotherm x2和和2 间间，期间释放热量期间释放热量；? 热平衡热平衡 （a b c）：）：结晶潜热结晶潜热 + 液相到界面的热传液相到界面的热传导导界面到界面到固相的热传导固相的热传导（最最固体热传导固体热传导a=结晶潜热结晶潜热固液相界面固液相界面+ +liquid siisotherm x1导导= 界面到界面到固相的热传导固相的热传导（最最终由辐射和对流从固相耗散）终由辐射和对流从固相耗散）.固液相界面固液相界面液相到固相液相到固相 热量 热量 界面附近液相一侧无温度梯界面附近液相一侧无温度梯 ldmdt+ +kldtdx1

19、a1= = ksdtdx2a2固液相界面区域的热传输一固液相界面区域的热传输一维连续性方程维连续性方程界面附近液相一侧无温度梯界面附近液相一侧无温度梯度时，则单晶生长速度最大度时，则单晶生长速度最大熔解潜热单位时间内凝结量液相热导率熔解潜热单位时间内凝结量液相热导率x1面温度梯度固相热导率面温度梯度固相热导率x2面温度梯度面温度梯度维连续性方程维连续性方程14dmdx()= ()dtdt最大拉晶速度与晶体半径的平方根成反比最大拉晶速度与晶体半径的平方根成反比硅的发射系数硅的发射系数溶解温度溶解温度tm处的热导率处的热导率mpmax5m2k t1=lvr3 硅的密度硅的密度波尔兹曼常数波尔兹曼常

20、数6 in cz 晶体的最大拉速：晶体的最大拉速：23.6cmhr 1，是实际拉晶，是实际拉晶实际拉晶过程中，拉晶速度变化同时引起单晶直径和轴向温度分布的变化。实际拉晶过程中，拉晶速度变化同时引起单晶直径和轴向温度分布的变化。速度的速度的 2 倍。倍。通常使用反馈系统监视和实时调节拉速，以维持均一直径。通常使用反馈系统监视和实时调节拉速，以维持均一直径。15掺杂分布掺杂分布目的：目的：在晶体生长时，往往将一定数量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度，使硅片具有一定电阻率（比如：在晶体生长时，往往将一定数量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度，使硅片具有一定电阻率（比如：n/p

21、型硅片型硅片1-100 cm）任何一种杂质在不同相中的溶解度是）任何一种杂质在不同相中的溶解度是不同的不同的。固液两相界面随着单晶生长不断固液两相界面随着单晶生长不断不同的不同的。固液两相界面随着单晶生长不断固液两相界面随着单晶生长不断向液相中推移，原存在于融硅中的杂质将向液相中推移，原存在于融硅中的杂质将在界面两边再分布直至达到在界面两边的在界面两边再分布直至达到在界面两边的在界面两边再分布直至达到在界面两边的在界面两边再分布直至达到在界面两边的化学势相同，这种现象称为化学势相同，这种现象称为分凝现象，分凝现象，平衡时的比例常数称为平衡时的比例常数称为分凝系数。分凝系数。对于对于均匀溶液，平

22、衡分凝系数均匀溶液，平衡分凝系数，其中其中 cs和和 cl分别是晶体和分别是晶体和熔融液中两相界面附近的平衡掺杂浓度熔融液中两相界面附近的平衡掺杂浓度。0/slkcc=16熔融液中两相界面附近的平衡掺杂浓度熔融液中两相界面附近的平衡掺杂浓度。特定温度下、特定系统中的特定杂质，特定温度下、特定系统中的特定杂质，k0一般由实验测定。一般由实验测定。杂质杂质k类型类型杂质杂质k类型类型硅中常见掺杂杂质的平衡分凝系数硅中常见掺杂杂质的平衡分凝系数0/slkcc=杂质杂质k0类型类型杂质杂质k0类型类型b8 10 1pas3 10 1nal2 10 3psb2.3 10 2nga8 10 3pte2 1

23、0 4nin4 10 4pli1.0 10 2no1 25cu4 0 104深能级深能级o1.25ncu4.0 10 4深能级深能级c7 10 2nau2.5 10 5深能级深能级p0.35n17平衡分凝系数对晶体杂质分布的影响平衡分凝系数对晶体杂质分布的影响假设某种杂质的平衡分凝系数为假设某种杂质的平衡分凝系数为，它在初始重量为它在初始重量为m 的熔融硅中的初始掺杂浓的熔融硅中的初始掺杂浓0/slkcc=，它在初始重量为它在初始重量为m0 的熔融硅中的初始掺杂浓的熔融硅中的初始掺杂浓度为度为c0。在晶体生长过程中，如果已生长成晶体的重量为。在晶体生长过程中，如果已生长成晶体的重量为m，依然留

24、在熔融液中的掺杂数量依然留在熔融液中的掺杂数量cs, m（以重量表示）为（以重量表示）为s。当晶体增加。当晶体增加dm 的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量 ds 为：为：dsc dm=c0, m0cl, m0 m此时，熔融液所剩重量为此时，熔融液所剩重量为 m0m，则：，则：显然显然，sdsc dm=0lscmm=dsdmk=显然显然，已知初始掺杂总量为已知初始掺杂总量为c0m0，对上式积分：，对上式积分：00ksmm=00000smc mdsdmksmm=m18解此方程，可得解此方程，可得：01000(1)ksmck cm=longitudinal do

25、ping nonuniformity0100(1)ksmck cm=01000(1)kscmkcm=0m00k0 1：掺杂浓度将会持续减少，掺杂浓度将会持续减少，晶锭头浓度晶锭头浓度晶锭尾浓度；晶锭尾浓度；k0 1：掺杂浓度将会持续增加，掺杂浓度将会持续增加，晶锭头浓度晶锭头浓度 晶锭尾浓度晶锭尾浓度；晶锭头浓度晶锭头浓度晶锭尾浓度晶锭尾浓度；k0 1：可获得可获得均匀均匀的掺杂浓度分布。的掺杂浓度分布。19radial doping nonuniformity 非理想因素：非理想因素：熔料中杂质浓度不均熔料中杂质浓度不均、温度梯度温度梯度熔料中杂质浓度不均熔料中杂质浓度不均、温度梯度温度梯度

26、、对流流动、界面边界层等、对流流动、界面边界层等凝结面凹陷进熔料，硅片径向上各点的凝结发生于晶体生长过程凝结面凹陷进熔料，硅片径向上各点的凝结发生于晶体生长过程中不同时刻，导致径向掺杂不均中不同时刻，导致径向掺杂不均20有效分凝系数有效分凝系数实际上，熔料中存在温度梯度，均匀溶液实际上，熔料中存在温度梯度，均匀溶液的假设并非总成立的假设并非总成立。boundary l的假设并非总成立的假设并非总成立。浮（力）致环流浮（力）致环流（buoyancy-driven recirculation cells）layer（yy）附面层附面层（boundary layer）：熔料有一定黏滞系数，靠近固液界

27、面某一区域无物质流动。）：熔料有一定黏滞系数，靠近固液界面某一区域无物质流动。：附面层厚度附面层厚度， ：拉速拉速，：杂质的扩散系数杂质的扩散系数，：生长参数生长参数。k00/00(1)evb dkkkke=+b：附面层厚度附面层厚度，v：拉速拉速， d：杂质的扩散系数杂质的扩散系数，vb/d：生长参数生长参数。要使晶体获得均匀掺杂分布（要使晶体获得均匀掺杂分布（ke 1），可通过较高），可通过较高21拉速和较低旋转速度得到（拉速和较低旋转速度得到（b 与旋转速率成反比）与旋转速率成反比）计算计算：计算计算：用直拉法生长硅单晶时，应在熔融液中掺入多少硼原子，才能使硅锭中每立方厘米含用直拉法生长

28、硅单晶时，应在熔融液中掺入多少硼原子，才能使硅锭中每立方厘米含1016 个硼原子？假设开始在坩埚里有个硼原子？假设开始在坩埚里有 60 kg 的硅，若的硅，若要达到上述掺杂浓度应该加入多少克的硼要达到上述掺杂浓度应该加入多少克的硼（摩尔质量摩尔质量）？）？已知掺已知掺要达到上述掺杂浓度应该加入多少克的硼要达到上述掺杂浓度应该加入多少克的硼（摩尔质量摩尔质量10.8g）？）？已知掺已知掺硼时的平衡分凝系数硼时的平衡分凝系数 k0=0.8，融熔硅的密度为，融熔硅的密度为2.53 g/cm3。解解：我们假设在整个晶体生长过程中我们假设在整个晶体生长过程中，硼原子在融熔硅中的硼原子在融熔硅中的解解：我

29、们假设在整个晶体生长过程中我们假设在整个晶体生长过程中，硼原子在融熔硅中的硼原子在融熔硅中的平衡浓度为：平衡浓度为：0slck c=161630101.25 10/cm )0.8slcck=(个硼原子在融熔硅中的初始浓度为：因为硼原子的浓度如此之小，所以加料后熔融液的体积可用硅的硼原子在融熔硅中的初始浓度为：因为硼原子的浓度如此之小，所以加料后熔融液的体积可用硅的016302.25 10/cm )lsccc=+=(个重量来计算。重量来计算。60 kg 熔融液的体积为：那么，硼原子在融熔液中的总数为：熔融液的体积为：那么，硼原子在融熔液中的总数为：34360 102.37 10 ()2.53mv

30、cm=所以需掺硼的重量为：所以需掺硼的重量为：1642002.25 102.37 105.33 10 ()c v =个203235.33 1010.89.569.56(10 ( )ggm=2223( )6.02 1)0gg直拉法生长单晶的特点直拉法生长单晶的特点优点优点：所生长单晶的直径较大所生长单晶的直径较大、成成优点优点：所生长单晶的直径较大所生长单晶的直径较大、成成本相对较低。通过热场调整及晶转、本相对较低。通过热场调整及晶转、埚转等工艺参数的优化埚转等工艺参数的优化，可较好控可较好控埚转等工艺参数的优化埚转等工艺参数的优化，可较好控可较好控制电阻率径向均匀性制电阻率径向均匀性;缺点：缺

31、点：由于石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易由于石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易引入氧引入氧、碳杂质碳杂质，不易生长高电阻不易生长高电阻引入氧引入氧、碳杂质碳杂质，不易生长高电阻不易生长高电阻率单晶。率单晶。23二、区熔（二、区熔（float-zone）法）法高功率、高压等高功率、高压等器件：高纯、高阻基片（低氧浓度）器件：高纯、高阻基片（低氧浓度）利用利用rf加热器聚焦电子束使小段区域多晶硅熔融，并不断向上移动，使悬浮熔融带向上移动，扫过整个多晶棒。当悬浮熔融带上移加热器聚焦电子束使小段区域多晶硅熔融，并不断向上移动，使悬浮熔融带向上移动，扫过整个多晶棒。当悬

32、浮熔融带上移时时，在后退端再结晶在后退端再结晶，生长出与籽晶晶向一致的单晶生长出与籽晶晶向一致的单晶。24时时，在后退端再结晶在后退端再结晶，生长出与籽晶晶向一致的单晶生长出与籽晶晶向一致的单晶。0.050.05rfmelt=zonels0cc crystalpoly-silzonecocs(x)movingk small gives better refiningcocs(x)k0 small gives better refiningdx()0sxsdsccdxdsdx=c0l 底部首次形成区熔时，该 底部首次形成区熔时，该区域中杂质的量区域中杂质的量better crystal puri

33、ty( )()00000011k xlslscdxcccxcke=区域中杂质的量区域中杂质的量硅中常见杂质大多数分凝系数小于硅中常见杂质大多数分凝系数小于1。每次。每次熔融带通过后熔融带通过后，晶棒上杂质浓度显著降低晶棒上杂质浓度显著降低，00.1k = =熔融带通过后熔融带通过后，晶棒上杂质浓度显著降低晶棒上杂质浓度显著降低，因此可实现因此可实现提纯提纯，尤其是多次循环区熔。，尤其是多次循环区熔。25k=0 01单就一次单就一次提纯效果提纯效果区熔法生长单晶的特点区熔法生长单晶的特点k=0.01提纯效果提纯效果而言，直拉法更好而言，直拉法更好优点：优点：可重复生长、提纯单晶，可重复生长、提纯

34、单晶，单晶纯度较单晶纯度较 cz 法高；法高；无需坩埚无需坩埚、石墨托石墨托，可生长比可生长比 cz 法法更高更高 阻值的单晶阻值的单晶；无需坩埚无需坩埚、石墨托石墨托，可生长比可生长比 cz 法法更高更高 阻值的单晶阻值的单晶；高纯、高阻、低氧、低碳，用于制造高功率、高压等器件。高纯、高阻、低氧、低碳，用于制造高功率、高压等器件。缺点：缺点：较难引入浓度均匀的掺杂；较难引入浓度均匀的掺杂；单晶直径不及单晶直径不及cz 法。法。区熔掺杂（）：区熔掺杂（）：1 芯体掺杂芯体掺杂 用一掺杂多晶杆作为起始材料用一掺杂多晶杆作为起始材料，在其顶端淀积不掺杂在其顶端淀积不掺杂轻掺杂 高阻轻掺杂 高阻1.

35、 芯体掺杂芯体掺杂 用一掺杂多晶杆作为起始材料用一掺杂多晶杆作为起始材料，在其顶端淀积不掺杂在其顶端淀积不掺杂的多晶，至平均浓度达到预想值，进行区熔再结晶。的多晶，至平均浓度达到预想值，进行区熔再结晶。2. 小球掺杂 在多晶柱顶部钻孔，将杂质填埋进去。小球掺杂 在多晶柱顶部钻孔，将杂质填埋进去。3. 气体掺杂气体掺杂 ph3、ascl3 或或 bcl3 之类的气体，在多晶淀积时向多晶柱掺杂，或在区熔提炼时向熔融带掺杂。之类的气体，在多晶淀积时向多晶柱掺杂，或在区熔提炼时向熔融带掺杂。264. 中子嬗变掺杂 高亮度中子源照射，约中子嬗变掺杂 高亮度中子源照射，约 3.1 的硅 的硅 30 将嬗变

36、（将嬗变（n）。）。硅片尺寸的变化趋势硅片尺寸的变化趋势直径（直径（mm）150200300400厚度（厚度（m）675725775825面积（面积（cm2）176.71314.16706.861256.64重量（克）重量（克）2853.08127.64241.56硅片直径的变化趋势硅片直径的变化趋势更大直径对正确的单晶生长和保持良好更大直径对正确的单晶生长和保持良好更大直径对正确的单晶生长和保持良好更大直径对正确的单晶生长和保持良好的工艺控制提出了挑战，使制备复杂度增加，那么的工艺控制提出了挑战，使制备复杂度增加，那么 为什么还要增大硅片的直径呢为什么还要增大硅片的直径呢？为什么还要增大硅片

37、的直径呢为什么还要增大硅片的直径呢？27? 更大直径意味着每个硅片上有更多的芯片，更大直径意味着每个硅片上有更多的芯片，生产效率提高生产效率提高硅片面积：硅片面积：12 英寸英寸 = 2.25 8 英寸英寸 = 4 6 英寸英寸16m dram，尺寸，尺寸 20 6.5mm：100 个（个（6 英寸硅片），英寸硅片），202 个个（8 英寸硅片英寸硅片），），320 个个（12 英寸硅片英寸硅片） 。202 个个（8 英寸硅片英寸硅片），），320 个个（12 英寸硅片英寸硅片） 。? 硅片边缘芯片比例减小，硅片边缘芯片比例减小，成品率提高成品率提高? 设备重复利用率提高设备重复利用率提高?

38、设备重复利用率提高设备重复利用率提高答案答案：答案答案：虽然设备和厂房的投资虽然设备和厂房的投资、材料的用量会随着硅片尺材料的用量会随着硅片尺虽然设备和厂房的投资虽然设备和厂房的投资、材料的用量会随着硅片尺材料的用量会随着硅片尺答案答案：答案答案：虽然设备和厂房的投资虽然设备和厂房的投资、材料的用量会随着硅片尺材料的用量会随着硅片尺虽然设备和厂房的投资虽然设备和厂房的投资、材料的用量会随着硅片尺材料的用量会随着硅片尺寸的增大而增大，但分摊到每个芯片大约可以节省寸的增大而增大，但分摊到每个芯片大约可以节省寸的增大而增大，但分摊到每个芯片大约可以节省寸的增大而增大，但分摊到每个芯片大约可以节省 2

39、0 3020 30的成本。的成本。的成本。的成本。28硅片厚度的变化趋势硅片厚度的变化趋势硅片及芯片厚度的变化趋势硅片及芯片厚度的变化趋势随着硅片直径增大随着硅片直径增大，为了保为了保硅片及芯片厚度的变化趋势硅片及芯片厚度的变化趋势随着硅片直径增大随着硅片直径增大，为了保为了保证硅片具有足够的强度，原始硅片的厚度也相应增加。证硅片具有足够的强度，原始硅片的厚度也相应增加。与此相反与此相反，芯片的平均厚度芯片的平均厚度与此相反与此相反，芯片的平均厚度芯片的平均厚度每两年减小一半。目前芯片厚度已减小到每两年减小一半。目前芯片厚度已减小到100 200um，智能卡、，智能卡、mems、生物医学传感器

40、等芯片厚度已减到、生物医学传感器等芯片厚度已减到 100 um 以下。高密以下。高密度电子结构的三维集成和立体封度电子结构的三维集成和立体封度电子结构的三维集成和立体封度电子结构的三维集成和立体封装芯片更是需要厚度小于装芯片更是需要厚度小于 50um 的超薄硅片。的超薄硅片。提高可靠性提高可靠性、散热能力和成品率散热能力和成品率，降低热阻降低热阻29提高可靠性提高可靠性、散热能力和成品率散热能力和成品率，降低热阻降低热阻三、三、gaas单晶生长单晶生长生产砷化镓的原材料是化学特性很纯的砷和镓元素合成的多晶砷生产砷化镓的原材料是化学特性很纯的砷和镓元素合成的多晶砷化镓化镓。由于砷化镓是由两种元素

41、组成由于砷化镓是由两种元素组成，所以它的特性与硅这种单元素所以它的特性与硅这种单元素化镓化镓。由于砷化镓是由两种元素组成由于砷化镓是由两种元素组成，所以它的特性与硅这种单元素所以它的特性与硅这种单元素材料有很大不同，制备方法也有差异。生产砷化镓单晶有两种方法：材料有很大不同，制备方法也有差异。生产砷化镓单晶有两种方法：直拉法直拉法和和 bridgman 法。大部分砷法。大部分砷化镓是采用后者生产出来，但在生产大尺寸砷化镓晶锭时，直拉法更受欢迎。化镓是采用后者生产出来，但在生产大尺寸砷化镓晶锭时，直拉法更受欢迎。1 液封直拉法液封直拉法1. 液封直拉法液封直拉法（liquid encapsula

42、ted cz，lec）lec晶体可获得较大直径晶体可获得较大直径（相对于相对于lec晶体可获得较大直径晶体可获得较大直径（相对于相对于bridgman晶体），易制成半绝缘材料，晶体），易制成半绝缘材料，薄层电阻接近薄层电阻接近100m 。避免来自石避免来自石30薄层电阻接近薄层电阻接近100m 。避免来自石避免来自石英的硅掺入英的硅掺入防止砷挥发防止砷挥发稍多加砷稍多加砷2. bridgman法法bridgman 法是法是化合物半导体单晶化合物半导体单晶的常用制备方法。根据生长方式，可分为垂直生长法和水平生长法两种。其特点是使用安瓿来盛装熔料，允的常用制备方法。根据生长方式，可分为垂直生长法和

43、水平生长法两种。其特点是使用安瓿来盛装熔料，允许在很小的热梯度下进行晶体生长，得到缺陷密度低于许在很小的热梯度下进行晶体生长，得到缺陷密度低于 103cm 2 的单晶。通常用于制作光电子器件，如激光二极管。的单晶。通常用于制作光电子器件，如激光二极管。移动炉体而移动炉体而移动炉体而移动炉体而非石英管非石英管减少对晶体结晶的扰动减少对晶体结晶的扰动12 inch石墨舟石墨舟31保持约保持约 610 c，使砷维持所需的较高蒸气压保持略高于砷化镓的熔点，使砷维持所需的较高蒸气压保持略高于砷化镓的熔点 (1240 c)01000(1)ksmck cm=在生长砷化镓单晶时，先前推导的用于硅的掺杂浓度表达

44、式在生长砷化镓单晶时，先前推导的用于硅的掺杂浓度表达式同样适用同样适用。0同样适用同样适用。gaas中不同掺杂杂质的平衡分凝系数中不同掺杂杂质的平衡分凝系数杂质杂质k0类型杂质类型杂质k0类型类型be3ps0.5nmg0 1pse5 10 1nmg0.1pse5 101nzn4 10 1psn5.2 10 2nc0.8n/pte6.8 10 2nsi1.85 10 1n/pcr1.03 10 4半绝缘半绝缘ge2.8 10 2n/pfe1.0 10 3半绝缘半绝缘323.3 衬底制备性能符合要求的单晶棒必须经过一系性能符合要求的单晶棒必须经过一系列机械、热和化学处理，形成具有高面型精度和表面质

45、量的原始硅片或光片（列机械、热和化学处理，形成具有高面型精度和表面质量的原始硅片或光片（bare wafer）后后，才能作为微电子器件的衬底材才能作为微电子器件的衬底材wafer）后后，才能作为微电子器件的衬底材才能作为微电子器件的衬底材料，这一加工过程称为料，这一加工过程称为衬底制备。衬底制备。传统硅片加工工艺流程为传统硅片加工工艺流程为：衬底材料衬底材料：内在质量内在质量加工质量加工质量传统硅片加工工艺流程为传统硅片加工工艺流程为：单晶生长 切断 外径滚磨 平边或单晶生长 切断 外径滚磨 平边或 v 型槽处理 切片型槽处理 切片vlsi 衬底材料衬底材料：内在质量内在质量+ 加工质量加工质

46、量 倒角 研磨 腐蚀 抛光 清洗 包装倒角 研磨 腐蚀 抛光 清洗 包装分类分类：整形整形、晶体定向晶体定向、晶面标识晶面标识、晶面加工晶面加工33分类分类：整形整形、晶体定向晶体定向、晶面标识晶面标识、晶面加工晶面加工一、整形之一、整形之1切断切断外径滚磨外径滚磨外径滚磨外径滚磨定位面研磨定位面研磨切断：切断：分段成设备可处理的长度（分段成设备可处理的长度（ 50cm），取试片测量电阻率、），取试片测量电阻率、含氧量含氧量；定位面研磨定位面研磨外径滚磨外径滚磨 2rodgrind mov含氧量含氧量；外径滚磨：外径滚磨：获得较为精确的直径；获得较为精确的直径；定位面研磨定位面研磨：设备处理时

47、的参考面设备处理时的参考面；2r dg i d mov34外径滚磨外径滚磨 2rodgrind.mov定位面研磨定位面研磨：设备处理时的参考面设备处理时的参考面；指示晶向和类型。指示晶向和类型。2rodgrind.mov布喇格衍射关系布喇格衍射关系j =2dsin 二、晶体定向和晶面标识二、晶体定向和晶面标识用用 x 射线衍射（射线衍射（xrd）测晶向，沿晶锭轴向磨出一个或数个平面，指示晶向和导电类型。）测晶向，沿晶锭轴向磨出一个或数个平面，指示晶向和导电类型。8 in 以上硅片以上硅片主参考面主参考面（主定位面主定位面，主磨面主磨面）：）：8 in 以下硅片以下硅片主参考面主参考面（主定位面

48、主定位面，主磨面主磨面）：）：? 器件与晶体取向关系的参考；器件与晶体取向关系的参考；? 机械设备自动加工定位的参考；机械设备自动加工定位的参考；次参考面（次定位面，次磨面）：次参考面（次定位面，次磨面）：识识35? 硅片装架的接触位置；别晶向和导电类型硅片装架的接触位置；别晶向和导电类型主参考面垂直于主参考面垂直于方向方向主参考面垂直于主参考面垂直于方向方向芯片通常为矩形，芯片通常为矩形，与衬底与衬底 (110) 参考参考与衬底与衬底 (110) 参考参考边平行或垂直排列，即芯片边缘处在边平行或垂直排列，即芯片边缘处在 110族晶面上。族晶面上。si 沿沿 111 裂开裂开 111 面与 面

49、与(100) 面呈面呈54.7 角，交线沿 角，交线沿 方向，划线平行或垂直于平边时，方向，划线平行或垂直于平边时，硅片容易沿硅片容易沿 111裂开。裂开。36三、整形之三、整形之2切片：切片：将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘曲度，切片损耗占翘曲度，切片损耗占1/3。diameter 200mm 750m 850m thick3wirecutting mov3wirecutting.mov倒角：倒角：将切割成的晶片锐利边修

50、整成圆弧形，防止晶片边缘破裂将切割成的晶片锐利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生及晶格缺陷产生。3wirecutting.mov及晶格缺陷产生及晶格缺陷产生。4edgeprofiling.mov研磨研磨：除去切片和轮磨造成的锯痕及表面损伤层除去切片和轮磨造成的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶有效改善单晶4edgeprofiling.mov研磨研磨：除去切片和轮磨造成的锯痕及表面损伤层除去切片和轮磨造成的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶有效改善单晶硅片的硅片的翘曲度、平坦度与平行度翘曲度、平坦度与平行度，达到抛光可以处理的规格。磨料：，达到抛光可以处理的规格。磨料： al2o3、sic、

51、zro、sio2、mgo 等。等。5lapping.mov375lapping.mov3si +4hno3+18hf 3h2sif6+4no+8h2oconsumed 50% si in all !腐蚀：腐蚀：去除经切片及研磨等机械加去除经切片及研磨等机械加工后工后，晶片表面受加工应力而形成晶片表面受加工应力而形成硅片在加工中的表面变化硅片在加工中的表面变化工后工后，晶片表面受加工应力而形成晶片表面受加工应力而形成的损伤层；的损伤层；抛光：抛光：进一步消除表面缺陷，获得进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无损层的“理想”表面。方式：机械抛光、化学抛光、高度平整、光洁及无损层的“理想”表面。

52、方式：机械抛光、化学抛光、cmp；cmp；6polishing.mov清洗：清洗：清除晶片表面所有的污染源。清除晶片表面所有的污染源。6polishing.mov随着直径加大和厚度减小，脆性的硅片在装夹和加工中很容易发随着直径加大和厚度减小，脆性的硅片在装夹和加工中很容易发sio210nm in naoh/di38生碎裂，加工难度加大。生碎裂，加工难度加大。393.4 晶体特性理想晶体：理想晶体：格点严格按照空间点阵排列格点严格按照空间点阵排列实际晶体：实际晶体：存在着各种各样的结构不完整性（不完全的共价键、缺陷）存在着各种各样的结构不完整性（不完全的共价键、缺陷）缺陷：缺陷：实际晶体中与理想

53、点阵结构发生偏差的区域实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域缺陷类别：缺陷类别：原生缺陷（宏观原生缺陷（宏观 & 微观）、诱生/二次缺陷微观）、诱生/二次缺陷缺陷几何形态：缺陷几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷vstacking fault晶体中的缺陷会影响其晶体中的缺陷会影响其晶体中的缺陷会影响其晶体中的缺陷会影响其机械、电学和光学特性以及器件性能，但缺陷机械、电学和光学特性以及器件性能，但缺陷并不带有贬义。并不带有贬义。idislocationprecipitate40一、点缺陷一、点缺陷? 缺陷尺寸处于原子数量级，即三维方向上的尺寸都很小；缺陷

54、尺寸处于原子数量级，即三维方向上的尺寸都很小；? 在杂质扩散和离子注入工艺中扮演至关重要的角色在杂质扩散和离子注入工艺中扮演至关重要的角色，在氧化和许多在氧化和许多? 在杂质扩散和离子注入工艺中扮演至关重要的角色在杂质扩散和离子注入工艺中扮演至关重要的角色，在氧化和许多在氧化和许多其它工艺中扮演次重要的角色；其它工艺中扮演次重要的角色；? 有限浓度点缺陷可减小晶体自由能，存在于所有温度（有限浓度点缺陷可减小晶体自由能，存在于所有温度（0k）的平衡态。）的平衡态。c*c*nsf hf very difficult to measure中性态平衡浓度：中性态平衡浓度： ci0 , cv0= = n

55、sexpk expkt sf& hf：点缺陷的形成熵和焓：点缺陷的形成熵和焓n ：晶格点数晶格点数 ns：晶格点数晶格点数，且均为温度的函数，且均为温度的函数 达到热平衡分布的时间取决于动力学达到热平衡分布的时间取决于动力学 ci0* cv0*41（生成与复合速率）而非热力学过程（生成与复合速率）而非热力学过程smaller concentrations than those of dopants/carriers 1/1010 lattice point3 8 v 平衡状态下，较为合理的估计：平衡状态下，较为合理的估计：ni 7.14 1018cm-3，nb10151020cm-3

56、ci0* 1x1027exp 3.8evkt 1000 c， ，1012cm-35 10133c*9 1023 2.6ev they can be measured (ex. rbs)5 1013cm-3 cv0 9x1023exp2.6evkt 点缺陷在硅晶格中极具移动性点缺陷在硅晶格中极具移动性，点缺陷在硅晶格中极具移动性点缺陷在硅晶格中极具移动性，不同温度下的扩散系数估算为：不同温度下的扩散系数估算为：diffusivities of v and i dopants diffusivities除中性态外除中性态外，还存在还存在荷电态点缺陷荷电态点缺陷：除中性态外除中性态外，还存在还存在荷

57、电态点缺陷荷电态点缺陷：教材教材 p. 10711042二、 线缺陷（位错）二、 线缺陷（位错）在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷陷，即缺陷尺寸在一维方向较长即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短另外二维方向上很短，分为分为刃型位刃型位陷陷，即缺陷尺寸在一维方向较长即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短另外二维方向上很短，分为分为刃型位刃型位错和螺位错。错和螺位错。1. 刃形位错：刃形位错：存在一个额外的原子面，其一端形成一个刀刃，终止于晶体中。如果存在一个额外的原子面，其一端形成一个刀刃，终止于晶体中

58、。如果这个额外原子面完全包含在晶体中这个额外原子面完全包含在晶体中，这个额外原子面完全包含在晶体中这个额外原子面完全包含在晶体中，则称此缺陷为位错环。则称此缺陷为位错环。432. 镙位错镙位错可看成将晶格剪开一部分，再可看成将晶格剪开一部分，再将上半部分晶格向上推移一个将上半部分晶格向上推移一个将上半部分晶格向上推移一个将上半部分晶格向上推移一个晶格的距离，形成一个类似楼晶格的距离，形成一个类似楼梯拐角处的排列结构梯拐角处的排列结构。此时在此时在梯拐角处的排列结构梯拐角处的排列结构。此时在此时在“剪开线”终结处（已形成一条垂直纸面的位错线）附近原“剪开线”终结处（已形成一条垂直纸面的位错线）附

59、近原子面将发生畸变子面将发生畸变，这种原子不这种原子不子面将发生畸变子面将发生畸变，这种原子不这种原子不规则排列结构称为一个螺位错。规则排列结构称为一个螺位错。dislocation line | | burger vector - screw burger vector - edge44产生位错的原因产生位错的原因晶体中产生应力（大的温度差、刚性挤压）、替位型杂质。晶体中产生应力（大的温度差、刚性挤压）、替位型杂质。点缺陷总表面积更大，能量更高，倾向于聚集点缺陷总表面积更大，能量更高，倾向于聚集形成位错或更高维缺陷形成位错或更高维缺陷，形成位错或更高维缺陷形成位错或更高维缺陷，释放多余能量，

60、这个过程称为释放多余能量，这个过程称为结团作用。结团作用。晶体中晶体中和和随随晶体中晶体中 nv和和 ni随随温度升高而增大温度升高而增大agglomeration of interstitials45collapseagglomeration of interstitials 位错运动机制位错运动机制攀移（位错线延伸或收缩）攀移（位错线延伸或收缩） & 滑移（位错移动一个晶格位置）滑移（位错移动一个晶格位置）shiftstress induced by t gradient t mismatch of thermal expansion coeff., layers, precipitates 46三、面缺陷三、