半导体集成电路第3部分38837307

1、单晶生长单晶生长电子科学与技术系电子科学与技术系段智勇段智勇电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子2主要内容主要内容l部分单晶介绍部分单晶介绍l外延法生长单晶外延法生长单晶l丘克拉斯基丘克拉斯基 （CzochralskiCzochralski）法）法lBridgman生长法生长法l区熔法区熔法l冷坩埚法冷坩埚法电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子3硅晶体结构的特点硅晶体结构的特点l硅是微电子工业中应用最硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整广泛的半导体材料，占整个电子材料的个电子材料的9595左右，左右，人们对它的研究最为深入，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集

2、成电工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材路中基本上都是使用硅材料。料。硅四面体结构硅四面体结构键角：键角：10928电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子4硅、锗、砷化镓电学特性比较硅、锗、砷化镓电学特性比较性质性质SiSiGeGeGaAsGaAs禁带宽度（禁带宽度（eVeV）1.121.120.670.671.431.43禁带类型禁带类型间接间接间接间接直接直接晶格电子迁移率晶格电子迁移率（cmcm2 2/Vs/Vs）135013503900390086008600晶格空穴迁移率晶格空穴迁移率（cmcm2 2/Vs/Vs）48048019001900250250本征载流子浓度

3、本征载流子浓度（cmcm-3-3）1.451.45101010102.42.4101018189.09.010106 6本征电阻率（本征电阻率（cmcm）2.32.310105 5474710108 8电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子5硅、锗、砷化镓电学特性比较硅、锗、砷化镓电学特性比较l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. .lGaAsGaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度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的高速ICIC，及超过，及超过GHzGHz的模拟的模拟ICIC使用，以及光电器件使用，以及光电器件. .l从电学特

4、性看硅并无多少优势从电学特性看硅并无多少优势, ,硅在其它方面有许多优势硅在其它方面有许多优势. .电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子6硅、锗、砷化镓电学特性比较硅、锗、砷化镓电学特性比较性质性质SiGeGaAsSiO2原子序数原子序数143231/3314/8原子量或分子量原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度原子或分子密度（atoms/cm3）5.0010224.4210222.2110222.301022晶体结构晶体结构金刚石金刚石金刚石金刚石闪锌矿闪锌矿四面体无规则四面体无规则网络网络晶格常数（晶格常数（）5.435.665.65密度（密度（g/

5、cm3）2.335.325.322.27相对介电常数相对介电常数11.716.319.43.9击穿电场（击穿电场（V/m）30835600熔点（熔点（）141793712381700蒸汽压（托）蒸汽压（托）10-7（1050）10-7（880）1（1050）10-3（1050）比热（比热（J/g）0.700.310.351.00热导率（热导率（W/cm）1.500.60.80.01扩散系数（扩散系数（cm2/s）0.900.360.440.006线热膨胀系数线热膨胀系数（1/）2.510-65.810-65.910-60.510-6有效态密度（有效态密度（cm-3）导带导带Nc价带价带Nv2.

6、810191.010191.010196.010184.710177.01018电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子7硅作为电子材料的优点硅作为电子材料的优点l原料充分；原料充分；l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、性质很重要；电路的结构、性质很重要；l重量轻，密度只有重量轻，密度只有2.33g/cm2.33g/cm3 3；l热学特性好，线热膨胀系数小，热学特性好，线热膨胀系数小，2.52.5* *1010-6-6/ / ，热导率高，热导率高，1.50W/cm1.50W/cm；l单晶圆片的缺陷少，直

7、径大，工艺性能好；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；l机械性能良好。机械性能良好。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子8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：电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子9硅晶向、晶面和堆积模型硅晶向、晶面和堆积模型硅的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

8、。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晶向晶向电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子10硅晶面硅晶面l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（又称密勒指数）。等价）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为晶面表示为100l100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

9、面电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子11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/a2电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子12单晶体与多晶体单晶体与多晶体l物质是由原子、分子或离子组成的。当这些微观粒子在三物质是由原子、分子或离子组成的。当这些微观粒子在三维空间按一定的规则进行排列，形成空间点阵结构时，就维空间按一定的规则进行排列，形成空间点阵结构时，就形成了晶体。形成了晶体。因此，具有空间点阵结构的固体就叫晶体。因此，具有空间点阵结构的固体就叫晶体。l晶体的物质微粒的空间点阵结

10、构排列有两个特点：一是周晶体的物质微粒的空间点阵结构排列有两个特点：一是周期性，二是对称性期性，二是对称性 l单晶体单晶体，就是由同一空间点阵结构贯穿晶体而成的。，就是由同一空间点阵结构贯穿晶体而成的。l多晶体多晶体，没有能贯穿整个晶体的结构，它是由许多单晶体，没有能贯穿整个晶体的结构，它是由许多单晶体以随机的取向结合起来的。以随机的取向结合起来的。 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子13硅单晶硅单晶l硅单晶片是当今世界电子产业领域电子原器件的基础材料硅单晶片是当今世界电子产业领域电子原器件的基础材料, ,属微电子技术基础产属微电子技术基础产, ,应用域极其广泛。应用域极其广泛。l

11、微电子领域能够利用的一般都是人工制造的硅单晶体，通微电子领域能够利用的一般都是人工制造的硅单晶体，通过切片、研磨、抛光等等工艺，产品为一定直径的硅单晶过切片、研磨、抛光等等工艺，产品为一定直径的硅单晶圆片，即圆片，即WaferWafer 。l自然界硅含量非常丰富，但单晶硅很少，绝大部分以自然界硅含量非常丰富，但单晶硅很少，绝大部分以SiOSiO2 2的形式存在，工业利用需要人工加工，由此形成了一个硅的形式存在，工业利用需要人工加工，由此形成了一个硅单晶生产产业。单晶生产产业。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子14磷化铟单晶磷化铟单晶l磷化铟单晶是主要用于激光探测器和高速集成电路的基

12、础磷化铟单晶是主要用于激光探测器和高速集成电路的基础材料，尤其是材料，尤其是军事电子对抗中军事电子对抗中不可缺少的关键材料。不可缺少的关键材料。l磷化铟单晶通常是用液封直拉法生长。磷化铟单晶通常是用液封直拉法生长。l半导体所半导体所取得了磷化铟单晶生长技术的突破，使晶片的均取得了磷化铟单晶生长技术的突破，使晶片的均匀性改善，材料利用率提高，促进了器件成品率的提高。匀性改善，材料利用率提高，促进了器件成品率的提高。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子15砷化镓单晶砷化镓单晶 l半绝缘砷化镓是一种重要的微电子和光电子基础材料，广半绝缘砷化镓是一种重要的微电子和光电子基础材料，广泛应用于新

13、一代移动通信、宽带网络通信系统等民用和国泛应用于新一代移动通信、宽带网络通信系统等民用和国家安全等领域。家安全等领域。l2002年年9月研制出我国第一根直径月研制出我国第一根直径5英寸英寸液封直拉法液封直拉法(LEC法法)大直大直径砷化镓单晶。径砷化镓单晶。l2003年年8月研制出月研制出21.5千克的我国最大直径千克的我国最大直径(6英寸英寸)LEC法砷化镓法砷化镓单晶。单晶。l2003年年8月研制出月研制出 (18.2千克千克)、最长、最长(435毫米毫米)的直径的直径4英寸英寸LEC法法砷化镓单晶。砷化镓单晶。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子16SiC单晶单晶 l以碳化硅以

14、碳化硅(SiC) (SiC) 及及GaNGaN为代表的宽禁带材料，是继为代表的宽禁带材料，是继SiSi和和GaAsGaAs之后的之后的第三代半导体第三代半导体。l与与SiSi相比，相比，SiCSiC具有宽禁带具有宽禁带(Si(Si的的2 23 3倍倍) )、高热导率、高热导率(Si(Si的的3.33.3倍倍) )、高击穿场强、高击穿场强 (Si(Si的的1010倍倍) )、高饱和电子漂移速率、高饱和电子漂移速率 (Si(Si的的2.52.5倍倍) )、化学性能稳定、高硬度、抗磨损以及高键、化学性能稳定、高硬度、抗磨损以及高键合能等优点。合能等优点。 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电

15、子17SiC单晶单晶（续）（续）lSiCSiC特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。蚀的电子器件。lSiCSiC器件可用于航天、通讯、海洋勘探、地震预报、石油器件可用于航天、通讯、海洋勘探、地震预报、石油钻井、机械加工、汽车电子化等重要领域。钻井、机械加工、汽车电子化等重要领域。l六方六方SiCSiC与与GaNGaN晶格和热膨胀相匹配，是制造高晶格和热膨胀相匹配，是制造高亮度亮度GaNGaN发发光光和和激光二极管激光二极管的理想衬底材料。的理想衬底材料。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子18单晶的外延生长单晶的外延

16、生长l外延外延(Epitaxy, (Epitaxy, 简称简称Epi)Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料。跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料。l外延层可以是同质外延层外延层可以是同质外延层(Si/Si)(Si/Si)，也可以是异质外延层，也可以是异质外延层(SiGe/Si (SiGe/Si 或或SiC/SiSiC/Si等等) )。l实现外延生长也有很多方法，包括实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延分子束外延(MBE)(MBE)，超超高真空化学气相沉积高真空化学气相沉积(UHV/CVD)(UHV/CVD)，常压及减压外延常压及减压外

17、延(ATM & (ATM & RP Epi)RP Epi)。 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子19单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）l由生长方法将外延工艺分为两大类：由生长方法将外延工艺分为两大类：全外延全外延(Blanket Epi)(Blanket Epi)和和选择性选择性外延外延(Selective Epi, (Selective Epi, 简称简称SEG)SEG)。l工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH(SiH4 4) )，二氯硅烷，二氯硅烷(SiH(SiH2 2ClCl2 2, , 简称简称DCS) DCS)

18、 和三氯硅烷和三氯硅烷(SiHCl(SiHCl3 3, , 简称简称TCS)TCS)。l某些特殊外延工艺中还要用到含某些特殊外延工艺中还要用到含GeGe和和C C的气体锗烷的气体锗烷(GeH(GeH4 4) )和甲基硅烷和甲基硅烷(SiH(SiH3 3CHCH3 3) )l选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)(HCl)。l反应中的载气一般选用氢气反应中的载气一般选用氢气(H(H2 2) )。 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子20单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）l外延选择性的实现一般通过外延选择性的实现一般通过调节外

19、延沉积和原位调节外延沉积和原位(in-situ)(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现。刻蚀的相对速率大小来实现。l所用气体一般为含氯所用气体一般为含氯(Cl)(Cl)的硅源气体的硅源气体DCSDCS，利用反应中，利用反应中ClCl原子在硅表原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性。面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性。l另外一种常用硅源另外一种常用硅源TCSTCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H H2 2鼓泡鼓泡来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长率（可达到来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长

20、率（可达到5 5 m/minm/min）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。的应用。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子21单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）lIVIV族元素中族元素中GeGe的晶格常数的晶格常数(5.646A(5.646A）与）与SiSi的晶格常数的晶格常数(5.431A(5.431A）差别最小，这使得）差别最小，这使得SiGeSiGe与与SiSi工艺易集成。工艺易集成。l在单晶在单晶SiSi中引入中引入GeGe形成的形成的SiGeSiGe单晶层可以降低带隙宽度，单晶层可以降低带隙宽

21、度，增大晶体管的增大晶体管的特征截止频率特征截止频率FTFT(cut-off frequency)(cut-off frequency)，广，广泛应用在无线及光通信高频器件方面。泛应用在无线及光通信高频器件方面。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子22单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）l在先进的在先进的CMOSCMOS集成电路工艺中还会利用集成电路工艺中还会利用GeGe跟跟SiSi的晶格常数的晶格常数失配失配(4%)(4%)引入的引入的晶格应力晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率，来提高电子或者空穴的迁移率，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度。从而增大器件的工作饱和电流以及响

22、应速度。l由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200200欧姆欧姆/cm/cm以上，在外延生长的同时还需要掺入杂质气体来满足一定以上，在外延生长的同时还需要掺入杂质气体来满足一定的器件电学性能。的器件电学性能。l杂质气体可以分为杂质气体可以分为N N型和型和P P型两类：常用型两类：常用N N型杂质气体包括型杂质气体包括磷烷磷烷(PH(PH3 3) )和砷烷和砷烷(AsH(AsH3 3) )，而，而P P型则主要是硼烷型则主要是硼烷(B(B2 2H H6 6) )。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子23单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（

23、续） 硅、锗硅外延工艺包括硅、锗硅外延工艺包括硅衬底外延硅衬底外延、异质结异质结SiGeSiGe外延、外延、选择性选择性Si/SiGeSi/SiGe外延外延l硅衬底外延硅衬底外延 硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的层以防止器件的闩锁（闩锁（latch uplatch up）效应）效应。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子24单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）异质结双极晶体管（异质结双极晶体管（Hetero-j

24、unction Bipolar Hetero-junction Bipolar Transistor,Transistor,简称简称HBT)HBT)基区异质结基区异质结SiGeSiGe外延。外延。原理是在基区掺入原理是在基区掺入GeGe组分，通过减小能带宽度组分，通过减小能带宽度, ,从而使基区从而使基区少子少子从发射区到基区跨越的势垒高度降低，提高发射效率从发射区到基区跨越的势垒高度降低，提高发射效率。因而，。因而，很大程度上提高了电流放大系数很大程度上提高了电流放大系数。在满足放大系数前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，在满足放大系数前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，这就减少

25、了载流子的基区渡越时间，提高器件的截止频率这就减少了载流子的基区渡越时间，提高器件的截止频率FTFT。这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子25单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）CMOSCMOS源源(source)(source)漏漏(drain)(drain)区选择性区选择性Si/SiGeSi/SiGe外延：外延：进入进入90nm90nm工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减小，源漏极的结深越来越浅。度减小，源漏极的结深越来越浅。需要采用选择性外

26、延技术需要采用选择性外延技术 (SEG)(SEG)以增厚源漏极来作为以增厚源漏极来作为后续硅化反应的牺牲层后续硅化反应的牺牲层(sacrificial layer)(sacrificial layer)。降低串联电阻。有报道称这项技术导致饱和电流降低串联电阻。有报道称这项技术导致饱和电流(Idsat)(Idsat)有有1515的增加。的增加。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子26单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）l对于对于65/45nm65/45nm技术工艺，有人采用对技术工艺，有人采用对PMOSPMOS源漏极刻蚀后外源漏极刻蚀后外延延SiGeSiGe层来引入对沟道的压应力层

27、来引入对沟道的压应力(compressive stress)(compressive stress)。以提高空穴的迁移率，据称实现了以提高空穴的迁移率，据称实现了饱和电流饱和电流(Idsat)35(Idsat)35的增加。的增加。 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子27单晶的外延生长单晶的外延生长（续）（续）l应变硅应变硅(strain silicon)(strain silicon)外延外延在驰豫在驰豫(relaxed)(relaxed)的的SiGeSiGe层上面外延一层单晶层上面外延一层单晶SiSi。由于由于SiSi跟跟SiGeSiGe晶格常数失配而导致晶格常数失配而导致SiS

28、i单晶层受到下面单晶层受到下面SiGeSiGe层的层的拉伸应力拉伸应力(tensile stress)(tensile stress)而使得电子的迁移率得到而使得电子的迁移率得到提升。提升。这样这样NMOSNMOS在保持器件尺寸不变的情况下饱和电流得到增大，在保持器件尺寸不变的情况下饱和电流得到增大，而而饱和电流的增大意味着器件响应速度的提高饱和电流的增大意味着器件响应速度的提高。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子28单晶外延操作工艺单晶外延操作工艺l一项完整的外延工艺应该包括一项完整的外延工艺应该包括3 3个环节：个环节：根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理。根据需要实现的工艺

29、结果对硅片进行预处理。去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质。去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质。一一对于重搀杂衬底硅片则须考虑是否需要背封对于重搀杂衬底硅片则须考虑是否需要背封(backseal)(backseal)以减少以减少后续外延生长过程中的自搀杂。后续外延生长过程中的自搀杂。 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子29单晶外延操作工艺单晶外延操作工艺对程式进行优化对程式进行优化先进的外延设备一般为单片反应腔，能在先进的外延设备一般为单片反应腔，能在100100秒之内将硅片加热到秒之内将硅片加热到11001100以上，利用先进的以上，利用先进的温度探测装置温度探测装置能将工艺温

30、度偏差控制在能将工艺温度偏差控制在2 2度以内。度以内。反应气体则可通过反应气体则可通过质量流量计质量流量计(MFC)(MFC)来使得流量得到精准控制。来使得流量得到精准控制。进行进行H H2 2烘烤烘烤(bake)(bake)，目的在于原位，目的在于原位(in-situ)(in-situ)去除硅片表面的自然去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子30单晶外延操作工艺单晶外延操作工艺对性能指标进行评估对性能指标进行评估 性能指标包括：性能指标包括：外延层

31、厚度外延层厚度电特性参数电特性参数片内厚度及电特性均匀度片内厚度及电特性均匀度(uniformity)(uniformity)片与片间的重复性片与片间的重复性(repeatability)(repeatability)杂质颗粒杂质颗粒(particle)(particle)数目以及污染数目以及污染(contamination)(contamination)电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子31性能指标评估性能指标评估l在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度1.5%(1)1.5%(1)。l硅片厂家还需要考查外延层的硅片厂家还需要考查外延层

32、的扩展电阻率曲线扩展电阻率曲线(SRP)(SRP)以确以确定是否有污染存在及污染物杂质的量。定是否有污染存在及污染物杂质的量。l对于对于SiGeSiGe工艺需要测量工艺需要测量GeGe的含量及其深度分布的含量及其深度分布。l对于有搀杂工艺还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。对于有搀杂工艺还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子32性能指标评估性能指标评估l晶格缺陷也是必须考虑的问题，常出现的有四种缺陷：晶格缺陷也是必须考虑的问题，常出现的有四种缺陷： 薄雾薄雾(haze)(haze) 滑移线滑移线(slip line)(slip line) 堆跺层错堆

33、跺层错(stacking fault) (stacking fault) 穿刺穿刺(spike)(spike) 这些缺陷的存在可导致器件漏电流增大甚至器件完全失效这些缺陷的存在可导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷。而成为致命缺陷。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子33晶格缺陷晶格缺陷 空位 自填隙 替位杂质 刃型位错 位错环电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子34性能指标评估性能指标评估消除办法：消除办法： 检查反应腔体检查反应腔体漏率漏率是否足够低是否足够低(1mTorr/min)(1mTorr/min) 检查片内工艺温度分布是否均匀检查片内工艺温度分布是

34、否均匀 承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子35直拉法生长单晶直拉法生长单晶l直拉生长法又叫丘克拉斯基直拉生长法又叫丘克拉斯基 （CzochralskiCzochralski）法，由）法，由TealTeal在在2020世纪世纪5050年代开发使用。年代开发使用。l之所以成为丘克拉斯基法，是因为丘克拉斯基在之所以成为丘克拉斯基法，是因为丘克拉斯基在19181918年采年采用过类似方法从熔融金属中拉制细灯丝。用过类似方法从熔融金属中拉制细灯丝。l采用材料多是电子级多晶硅，纯度达到采用材料多是电

35、子级多晶硅，纯度达到99.999999999%99.999999999%。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子36直拉法单晶生长原理图直拉法单晶生长原理图电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子37生长过程生长过程l在真空腔内放一个熔融石英制成的坩埚，多晶硅放在坩埚内。在真空腔内放一个熔融石英制成的坩埚，多晶硅放在坩埚内。l真空腔充满保护性气体，一般为惰性气体。将坩埚加热到真空腔充满保护性气体，一般为惰性气体。将坩埚加热到1500摄氏摄氏度。度。l将一块小的、化学方法刻蚀的籽晶将一块小的、化学方法刻蚀的籽晶-直径直径0.5cm、长度、长度10cm下放与下放与多晶熔料接触。多晶熔

36、料接触。l提升籽晶，熔料就以籽晶为基础生长出大块的晶锭。晶锭可达提升籽晶，熔料就以籽晶为基础生长出大块的晶锭。晶锭可达300mm直径，长度直径，长度12米。米。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子38直拉法单晶生长过程直拉法单晶生长过程电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子39籽晶籽晶l籽晶（籽晶（seed crystal） 又称又称“种晶种晶”。是人工合成晶。是人工合成晶体时人为提供的晶核。体时人为提供的晶核。l从大晶体上切取籽晶是最方便并广泛使用的方法。从大晶体上切取籽晶是最方便并广泛使用的方法。l籽晶上的缺陷，如位错、开裂、晶格畸变等在一定的范籽晶上的缺陷，如位错、开裂

37、、晶格畸变等在一定的范围内会围内会“遗传遗传”给新生长的晶体。在选择籽晶时要注意给新生长的晶体。在选择籽晶时要注意避开缺陷。避开缺陷。l籽晶的光性方位对合成晶体的形态、生长速度等有很大籽晶的光性方位对合成晶体的形态、生长速度等有很大的影响。的影响。l根据晶体生长习性和应用的要求，籽晶可采用粒状、棒根据晶体生长习性和应用的要求，籽晶可采用粒状、棒状、片状等不同的形态。状、片状等不同的形态。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子40晶体的缺陷处理晶体的缺陷处理l晶体的质量对拉伸速度很敏感。在靠近熔料的晶体部分晶体的质量对拉伸速度很敏感。在靠近熔料的晶体部分点缺陷浓度很高。点缺陷浓度很高。l

38、快速冷却可以阻止缺陷成团。但会使晶体中出现较大的快速冷却可以阻止缺陷成团。但会使晶体中出现较大的热应力。热应力。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子41直拉法解决途径直拉法解决途径开始阶段快速提拉，在籽晶下方拉出一个窄的、高完整开始阶段快速提拉，在籽晶下方拉出一个窄的、高完整度的区域，籽晶中的缺陷或者与熔料接触时产生的缺陷度的区域，籽晶中的缺陷或者与熔料接触时产生的缺陷会受该区域的抑制，而不会转到晶锭中去。会受该区域的抑制，而不会转到晶锭中去。降低熔料温度、降低提拉速度，直至所需的晶锭直径。降低熔料温度、降低提拉速度，直至所需的晶锭直径。拉速和炉温通过反馈系统自动控制，反馈信号来自于

39、测拉速和炉温通过反馈系统自动控制，反馈信号来自于测晶锭直径的传感器。晶锭直径的传感器。设置热屏蔽控制固设置热屏蔽控制固-熔料界面温度梯度分布。熔料界面温度梯度分布。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子42止于颈部边缘的位错止于颈部边缘的位错电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子43速度与缺陷速度与缺陷l一方面一方面，由于热量的散失与表面积成比例，晶体直径增大，提拉的速，由于热量的散失与表面积成比例，晶体直径增大，提拉的速度需要降低。度需要降低。l另一方面另一方面，速度太慢，缺陷会结团，常见的就是位错环，在半导体衬，速度太慢，缺陷会结团，常见的就是位错环，在半导体衬底中这种环相

40、对圆片中心成漩涡状分布，称为底中这种环相对圆片中心成漩涡状分布，称为漩涡缺陷漩涡缺陷。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子44单晶硅锭中氧成分的解决单晶硅锭中氧成分的解决l坩埚由坩埚由熔融石英熔融石英制成，制成，1500会释放很多氧，会释放很多氧，95%的氧的氧以以SiO形式从熔料表面逸出。形式从熔料表面逸出。l另一部分混入生长的单晶中，沿单晶方向氧浓度大致为一另一部分混入生长的单晶中，沿单晶方向氧浓度大致为一常数。单晶硅中是要求常数。单晶硅中是要求纯度越高越好纯度越高越好。石英的成分？怎么办？电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子45单晶硅锭中氧成分的解决单晶硅锭中氧成分的

41、解决（续）（续）调节熔料温度控制氧的浓度。调节熔料温度控制氧的浓度。在直拉单晶系统中增加磁场。在直拉单晶系统中增加磁场。磁场可以与晶锭同向，还可以和晶锭磁场可以与晶锭同向，还可以和晶锭垂直垂直。磁场强度一般为磁场强度一般为0.3T，氧浓度可低到，氧浓度可低到2ppm。增加磁场还可以提高晶圆的电阻率的均匀性。增加磁场还可以提高晶圆的电阻率的均匀性。普遍！电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子46加磁场的直拉系统加磁场的直拉系统平行磁场垂直磁场电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子47热梯度对熔料的影响热梯度对熔料的影响l坩埚的热壁使附近的熔料膨胀，密度变低，并使其上升。坩埚的热壁

42、使附近的熔料膨胀，密度变低，并使其上升。l靠近晶锭的较冷区域，会下沉。靠近晶锭的较冷区域，会下沉。l如此形成自然对流如此形成自然对流 ，流动花样就是，流动花样就是浮致环流浮致环流（Buoyancy-driven recirculation cells）l一个包含有一个包含有有限的有限的、非零黏滞系数非零黏滞系数的气体或液体的系统，的气体或液体的系统，如果存在温度梯度，都会发生某种程度的对流。如果存在温度梯度，都会发生某种程度的对流。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子48熔料中环流的形成熔料中环流的形成电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子49熔融液体对对流花样的贡献熔融液体

43、对对流花样的贡献l晶锭向上拉起时，晶锭和坩埚的旋转。晶锭向上拉起时，晶锭和坩埚的旋转。l固体固体-熔料界面的结晶释热。熔料界面的结晶释热。l熔料的表面张力。熔料的表面张力。l对于大晶锭生长，熔料流动是紊流，液对于大晶锭生长，熔料流动是紊流，液-固界面处熔料不固界面处熔料不流动。称为附面层（流动。称为附面层（Boundary layer），参杂必须穿越），参杂必须穿越这一区域。这一区域。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子50GaAs生长系统生长系统lGaAs晶体在晶体在1238熔化，镓蒸汽压约为熔化，镓蒸汽压约为0.001atm，砷蒸汽压是镓气压的，砷蒸汽压是镓气压的104倍，两种材

44、料蒸汽压不同，造成拉制理想配比的单晶倍，两种材料蒸汽压不同，造成拉制理想配比的单晶GaAs要比单晶硅要比单晶硅困难很多。困难很多。l一般采用两种方法：一般采用两种方法：液封直拉法生长液封直拉法生长（Liquid encapsulated Czochralski grouth-LEC）1.Bridgman 方法生长方法生长1千帕（kPa）=0.0098 大气压（atm）？ 电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子51两种两种GaAs生长系统比较生长系统比较lBridgman法生长晶体位错密度最低，常用于光电子器件，法生长晶体位错密度最低，常用于光电子器件，如激光二极管。如激光二极管。lLE

45、C法易获得大直径晶圆，易制成半绝缘材料。薄层电阻法易获得大直径晶圆，易制成半绝缘材料。薄层电阻率达到率达到100M*cm。l由于纵向温度梯度引起的热塑应力，由于纵向温度梯度引起的热塑应力， LEC生长单晶缺陷生长单晶缺陷密度大。密度大。l由于电阻率高，很多由于电阻率高，很多GaAs电子器件都采用电子器件都采用LEC材料。材料。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子52LEC拉制晶体技术拉制晶体技术l使用热解使用热解氮化硼氮化硼（pBN）坩埚取代石英坩埚，避免）坩埚取代石英坩埚，避免Si杂质杂质的混入。的混入。l采用采用B2O3密封剂密封防止砷气体外泄。密封剂密封防止砷气体外泄。400密

46、封剂融化密封剂融化密封填料。密封填料。l填料中多加砷以弥补加热过程中损失的砷。填料中多加砷以弥补加热过程中损失的砷。l籽晶下来，穿过密封剂与填料接触。籽晶下来，穿过密封剂与填料接触。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子53液封直拉系统原理图液封直拉系统原理图 石英坩埚 热流控制系统 石墨屏蔽 腔体测温热偶 热辐射屏蔽 加热器 控温热偶 水冷底座 绝缘衬底 石墨坩埚托 管路系统支架电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子54GaAs晶锭位错处理晶锭位错处理lGaAs热量难以散失，小的热塑应力会导致缺陷的产生，热量难以散失，小的热塑应力会导致缺陷的产生，限制了大面积限制了大面积Ga

47、As晶圆的应用。晶圆的应用。l缺陷密度超过缺陷密度超过104cm-2，会对晶体管性能产生显著影响。，会对晶体管性能产生显著影响。l处理方式：处理方式：l热退火处理。热退火处理。l加入加入0.1%原子百分比的铟合金成分。原子百分比的铟合金成分。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子55Bridgman法生长法生长GaAslBridgman法生长占法生长占GaAs市场超过市场超过50%。l将固态的镓和砷原料放入石英材质的将固态的镓和砷原料放入石英材质的安瓿安瓿中，另有容纳固中，另有容纳固体砷的独立腔室放在安瓿中，通过有限管道通向主腔，维体砷的独立腔室放在安瓿中，通过有限管道通向主腔，维持化

48、学配比所需的砷过压。持化学配比所需的砷过压。l安瓿放在安瓿放在SiC材料的炉管中材料的炉管中 ，炉管置于，炉管置于SiC支槽上。支槽上。l炉体移动加热填料，开始拉制。炉体移动加热填料，开始拉制。不采用移动安瓿，是避免不采用移动安瓿，是避免对晶体的扰动。对晶体的扰动。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子56Bridgman法生长法生长GaAs（续）（续）l一般生长晶体直径为一般生长晶体直径为1-2英寸，大直径晶体需要在轴向上英寸，大直径晶体需要在轴向上精确控制化学组分，在径向上控制温度梯度以减小缺陷。精确控制化学组分，在径向上控制温度梯度以减小缺陷。l采用安瓿，可以在很小的热梯度下得到

49、缺陷密度低于采用安瓿，可以在很小的热梯度下得到缺陷密度低于103cm-2的晶圆的晶圆l安瓿安瓿 （ampule） 一种密封的小瓶。一种密封的小瓶。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子57水平水平Bridgman法生长系统原理图法生长系统原理图电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子58Bridgman法的改进法的改进l安瓿与熔料接触面积大，难以得到安瓿与熔料接触面积大，难以得到高阻衬底高阻衬底。l采用采用垂直垂直Bridgman法法、纵向梯度冷凝法纵向梯度冷凝法将将Bridgman设设备竖起来。备竖起来。l将熔料盛在氮化硼材料制成的舟中，与一些砷单晶密封到将熔料盛在氮化硼材料制

50、成的舟中，与一些砷单晶密封到安瓿。安瓿。l加热安瓿直略高于熔点，缓慢提升炉体，冷却安瓿，填料加热安瓿直略高于熔点，缓慢提升炉体，冷却安瓿，填料凝固。凝固。难题！电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子59Bridgman法的改进法的改进（续）（续）l温度梯度小于温度梯度小于10/cm，生长速度几毫米，生长速度几毫米/小时。小时。l电阻率可做到电阻率可做到10M*cm，位错小于（，位错小于（2-5）*103cm-2l纵向梯度冷凝法纵向梯度冷凝法可以得到可以得到42-47 M*cm的材料。的材料。l垂直垂直Bridgman法法现可以获得现可以获得4、6 英寸晶圆。英寸晶圆。电子科学与技术系电子科学与技术系-微电子微电子60区熔法单晶生长区熔法单晶生长l区域熔炼法（区域熔炼法（zone melting technique） 由由Keek 和和Golay 于于1953年创立的。年创立的。l该方法在整个生长过程中的任何时刻都只有一部分原料该方法在整个生长过程中的任何时刻都只有一部分原料被熔融，熔区由表面张力支撑，故又称被熔融，熔区由表面张力支撑，故又称“浮区法浮