光电子器件工艺

1、第第2 2章章 晶体材料生长晶体材料生长1.1.单晶硅的生长技术单晶硅的生长技术2.2.砷化镓晶体的生长技术砷化镓晶体的生长技术3.3.材料外延技术（材料外延技术（MBE, MOCVDMBE, MOCVD）2.1.2.1.单晶硅的生长技术单晶硅的生长技术2.1.12.1.1晶圆制备晶圆制备晶圆制备生产流程：晶圆制备生产流程：获取多晶获取多晶晶体生长晶体生长硅片制备硅片制备芯片制造阶段芯片制造阶段硅晶圆制备的四个阶段硅晶圆制备的四个阶段AA、B B、C C、D Dl 芯片制造的第一阶段：材料准备芯片制造的第一阶段：材料准备A A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）：矿石到高纯气体的转变（石

2、英砂冶炼制粗硅）B B：气体到多晶的转变：气体到多晶的转变l芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备C C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D D：晶棒到晶圆的制备：晶棒到晶圆的制备ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)图 4.9 晶面的密勒指数 用来描述硅晶体平面及其方向的参数称作密勒指数，其中（）用来表示特殊的平面，而表示对应的方向。2.1.12.1.1晶圆制备（晶圆制备（1 1）获取多晶获取多晶第一阶段：材料准备第一阶段：材料准备A A：矿石到高纯气体的转变：矿石到高纯气体的转变冶

3、炼冶炼 SiO SiO2 2 + CSi + CO+ CSi + CO得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu ， 要进一步提纯。酸洗酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。精馏提纯精馏提纯将酸洗过的硅转化为将酸洗过的硅转化为SiHClSiHCl3 3或或SiClSiCl4 4， Si+ 3HClSi+ 3HCl（g g气体）气体）SiHClSiHCl3 3 + H + H2 2 Si+ 2Cl Si+ 2Cl2 2 SiCl SiCl4 4 好处：好处：常温下常温下SiHClSiHCl3 3 与与SiClSiCl

4、4 4都是气态，都是气态， SiHCl SiHCl3 3的沸点的沸点仅为仅为3131精馏获得高纯的精馏获得高纯的SiHClSiHCl3 3或或SiClSiCl4 4B B：气体到多晶的转变：气体到多晶的转变还原还原多用多用H H2 2来还原来还原SiHClSiHCl3 3或或SiClSiCl4 4得到半导体纯度的多晶硅：得到半导体纯度的多晶硅： SiClSiCl4 4 + 2H+ 2H2 2 Si + 4HCl Si + 4HCl SiHCl SiHCl3 3 + H+ H2 2 Si + 3HCl Si + 3HCl原因：原因：氢气易于净化，且在氢气易于净化，且在SiSi中溶中溶解度极低解度

5、极低2.1.12.1.1晶圆制备（晶圆制备（2 2）晶体生长晶体生长第二阶段：晶体生长和晶圆制备第二阶段：晶体生长和晶圆制备定义定义: : 把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的适量的N N型或型或P P型掺杂，叫做晶体生长。型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类按制备时有无使用坩埚分为两类：n 有坩埚的：直拉法、磁控直拉法、有坩埚的：直拉法、磁控直拉法、 液体掩盖直拉法；液体掩盖直拉法；n 无坩埚的：悬浮区熔法无坩埚的：悬浮区熔法。直拉法直拉法CzochralskiCzochralski法（法（CZCZ法）法）起源起源19181

6、918年由年由CzochralskiCzochralski从熔融金属中拉制细灯丝，从熔融金属中拉制细灯丝，5050年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。长单晶硅的主流技术。方法方法在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当晶向的籽晶，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插块适当晶向的籽晶，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液- -固界面固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。经过逐渐冷凝就形成

7、了单晶。 CZ CZ 拉晶仪拉晶仪熔炉熔炉石英坩埚：盛熔融硅液；石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；旋转装置：顺时针转；旋转装置：顺时针转；加热装置：加热装置：RFRF线圈；线圈；拉晶装置拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；旋转提拉装置：逆时针；环境控制系统环境控制系统气路供应系统气路供应系统流量控制器流量控制器排气系统排气系统电子控制反馈系统电子控制反馈系统籽晶熔融多晶硅热屏蔽水套单晶硅石英坩锅碳加热部件单晶拉伸与转动机械CZ CZ 法法图 4.10 CZ直拉单晶炉 Photo 4.1

8、 用CZ 法生长的硅锭 Photo 4.2 CZ 拉单晶炉CZCZ法工艺流程法工艺流程 准备准备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 开炉开炉升温升温水冷水冷通气通气 生长生长引晶引晶缩晶缩晶放肩放肩等径生长等径生长收尾收尾 停炉停炉降温降温停气停气停止抽真空停止抽真空开炉开炉1.1.熔硅熔硅将坩埚内多晶料全部熔化将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；注意事项：熔硅时间不易长；2.2.引晶引晶将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶烤晶”，以除去表面挥发，以除去表面挥发性性杂质同时可减少热冲击。当温

9、度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；控制温度使熔体在籽晶上结晶； 拉晶过程拉晶过程将籽晶与熔体很好的接触。将籽晶与熔体很好的接触。3.收颈收颈指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于错的延伸。颈一般要长于20mm20mm。 4.4.放肩放肩缩颈工艺完成后，略降低温度（缩颈工艺完成后，略降低温

10、度（15-4015-40） ，让晶体逐渐长大到，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为所需的直径为止。这称为“放肩放肩”。5.5.等径生长等径生长： 当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速。要严格控制温度和拉速。收晶：收晶： 晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。

11、液体掩盖直拉法（液体掩盖直拉法（LECLEC法）法）液体掩盖直拉法用来液体掩盖直拉法用来生长砷化镓晶体。生长砷化镓晶体。本质上它和标准的直拉法本质上它和标准的直拉法（CZCZ）一样，为砷化镓做）一样，为砷化镓做了一定改进。了一定改进。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B B2 2O O3 3）漂浮在熔融物上面来抑制）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。砷的挥发。直拉法的一个缺点直拉法的一个缺点： 坩埚中的氧进入晶体。对于有些器件，高水平的氧坩埚中的氧进入晶体。对于有些器件，高水平的氧 是不能接受的。是不能接受的。 悬浮区熔法悬浮区熔法是一种是一种无坩埚无坩埚的晶体生长方法，

12、多晶与的晶体生长方法，多晶与 单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶 区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触 的界面处生长单晶。熔区的存在是由于融体表面张的界面处生长单晶。熔区的存在是由于融体表面张 力的缘故，悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生力的缘故，悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生 长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒。长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒。区熔法区熔法 区熔法生长单晶硅区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。一棒铸在一个模型里。一个籽晶固定到一端后放

13、个籽晶固定到一端后放进生长炉中。用射频线进生长炉中。用射频线圈加热籽晶与硅棒接触圈加热籽晶与硅棒接触区域。区域。区区 熔熔 法法RF气体入口 (惰性)熔融区可移动RF 线圈多晶棒 (硅) 籽晶惰性气体出口卡盘卡盘图 4.11区熔法晶体生长示意图 直拉法和区熔法的比较直拉法和区熔法的比较硅棒举例（北京有色金属总院）硅棒举例（北京有色金属总院）1212英寸，等径长英寸，等径长400mm400mm，晶体重晶体重81Kg81Kg。晶圆尺寸和参数表 4.3 88 die200-mm wafer232 die300-mm wafer更大直径硅片上芯片数的增长图 4.13 掺杂掺杂直拉法掺杂是直接在坩埚内加

14、入含杂质元素的物直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质。质。掺杂元素的选择掺杂元素的选择掺杂方式掺杂方式杂质分布杂质分布A A：掺杂元素的选择：掺杂元素的选择杂质类型的选择杂质类型的选择硼、磷硼、磷 P- P-型掺杂型掺杂 、N N型掺杂型掺杂液相掺杂液相掺杂 直接掺元素直接掺元素 母合金掺杂母合金掺杂气相掺杂气相掺杂B1B1：直接掺杂：直接掺杂 在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度。中，以获得所需的掺杂浓度。将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），再按所需

15、的计量掺入合金。再按所需的计量掺入合金。这种方法适于制备一般浓度的掺杂。这种方法适于制备一般浓度的掺杂。B2B2：母合金掺杂：母合金掺杂 将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），再按所需的计量掺入合金。再按所需的计量掺入合金。 这种方法适于制备一般浓度的掺杂。这种方法适于制备一般浓度的掺杂。 CZ CZ法的特点是工艺成熟，能较好地拉制法的特点是工艺成熟，能较好地拉制低位错、大直低位错、大直径的硅单晶径的硅单晶。缺点是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂。缺点是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染。质污染。 为了在最后得到所需电阻率的

16、晶体，掺杂材料被加到拉为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料被加到拉单晶炉的熔体中，晶体生长中最常用的掺杂杂质是生产单晶炉的熔体中，晶体生长中最常用的掺杂杂质是生产p p型型硅的三价硼或者生产硅的三价硼或者生产n n型硅的五价磷。硅中的掺杂浓度范围型硅的五价磷。硅中的掺杂浓度范围可以用字母和上标来表示，如下表所示。可以用字母和上标来表示，如下表所示。表 4.2 硅掺杂浓度术语 2.1.12.1.1晶圆制备晶圆制备（3 3）硅片制备）硅片制备硅片制备工艺流程（硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片从晶棒到空白硅片）：晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检

17、查和电阻率检查）和电阻率检查）切片切片研磨研磨化学机械抛光（化学机械抛光（CMPCMP）背处理背处理双面抛光双面抛光边缘倒角边缘倒角抛光抛光检验检验氧化或外延工艺氧化或外延工艺打包封装打包封装晶体生长整形切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片制备硅片制备图 4.19 硅片制备的基本工艺步骤整型整型两端去除两端去除径向研磨径向研磨定位面研磨P-type (111)P-type (100)N-type (111)N-type (100)图 4.21 硅片标识定位边 硅片上的成品率成品率 =66 good die88 total die= 75%图 4.14 1234567890定位槽 被刻印的标识数

18、字图 4.22 硅片定位槽和激光刻印 切片锯刃图 4.23 内园切割机磨片和倒角图 4.24 抛光的晶圆边缘刻 蚀图 4.25 用于去除硅片表面损伤的化学刻蚀抛 光上抛光垫下抛光垫硅片磨料图 4.26 双面硅片抛光质质 量量 测测 量量物理尺寸物理尺寸平整度平整度微粗糙度微粗糙度氧含量氧含量晶体缺陷晶体缺陷颗粒颗粒体电阻率体电阻率 改进的硅片要求 正偏差负偏差真空吸盘硅片参考平面 平整度平整度 平整度是硅片最主要的参数之一，主平整度是硅片最主要的参数之一，主要因为抛光工艺对局部位置的平整度是非常敏感要因为抛光工艺对局部位置的平整度是非常敏感的，硅片平整度是指在通过硅片的直线上的厚度的，硅片平整

19、度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是通过硅片上的表面和一个规定参考面变化。它是通过硅片上的表面和一个规定参考面的距离得到的。的距离得到的。图 4.27 硅片变形外 延 层 在某些情况下，需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶在某些情况下，需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶体结构体结构( (单晶单晶) )的硅表面。还需要保持对杂质类型和浓度的的硅表面。还需要保持对杂质类型和浓度的控制。这需要通过在硅表面淀积一个外延层来实现。控制。这需要通过在硅表面淀积一个外延层来实现。 在硅外延过程中硅基片作为籽晶，在硅片上面生长一在硅外延过程中硅基片作为籽晶，在硅片上面生长一薄层硅。新的外延层会复制硅片的晶体结构

20、。外延层可以薄层硅。新的外延层会复制硅片的晶体结构。外延层可以是是n n型也可以是型也可以是p p型，并不依赖原始硅片的掺杂类型。型，并不依赖原始硅片的掺杂类型。 硅外延发展的起因是为了提高双极器件和集成电路的硅外延发展的起因是为了提高双极器件和集成电路的性能，例如，可以在优化性能，例如，可以在优化pnpn结的击穿电压的同时降低集电结的击穿电压的同时降低集电极串连电阻；在极串连电阻；在COMSCOMS集成电路中可以将闩锁效应降到最低。集成电路中可以将闩锁效应降到最低。 在外延层上制造器件可以解决集电在外延层上制造器件可以解决集电结的耐压和集电极串连电阻对衬底掺杂浓度结的耐压和集电极串连电阻对衬

21、底掺杂浓度的相互矛盾的相互矛盾EXXmc1Xmc2n-epin+pn+Si衬底Rc器器 件件 隔隔 离离P-SubP+P+P+N-epiN-epiN+PN+pP-SubN-epi单晶硅层外延层硅园片 外延层的厚度用于高速数字电路的典型外延层的厚度用于高速数字电路的典型厚度是厚度是0.50.5到到5 5m m；用于硅功率器件的典型厚度是；用于硅功率器件的典型厚度是5050到到100100m m。图 4.29 硅外延层的结构小 结 制造芯片的硅是一种在原子层面上有着重复制造芯片的硅是一种在原子层面上有着重复FCCFCC金刚石晶胞结构的晶体。晶向由密勒指数确金刚石晶胞结构的晶体。晶向由密勒指数确定，定，(100)(100)方向是方向是MOSMOS器件最常用的，而器件最常用的，而(111)(111)则则是双极器件常用的。为了生产芯片的需要，通过是双极器件常用的。为了生产芯片的需要，通过使用使用CZCZ法将多晶硅转变成制造所需的单晶硅锭。法将多晶硅转变成制造所需的单晶硅锭。 硅锭直径这些年一直在增长，以便在一个硅片硅锭直径这些年一直在增长，以便在一个硅片上能做更多的器件并且通过规模经济降低成本。上能做更多的器件并且通过规模经济降低成本。生长中主要需要控制的晶体缺陷是点缺陷、位错生长中主要需要控制的晶体缺陷是点缺陷、位