第二章晶体生长

1、微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长微电子技术工艺原理 天津大学电子信息工程学院电子科学与技术系Xie_第26教学楼D区431室 谢谢 生生微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长内容回顾内容回顾CMOS工艺：工艺：光刻、氧化、扩散、刻蚀等光刻、氧化、扩散、刻蚀等硅技术的历史变革革和硅技术的历史变革革和未来发展趋势：未来发展趋势：晶体管的诞生晶体管的诞生集成电路的发明集成电路的发明平面工艺的发明平面工艺的发明CMOS技术的发明技术的发明摩尔定律（摩尔定律（Moores law）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例缩小原则等比例缩小原则ITRS：技术代：

2、技术代/节点节点微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长教学大纲教学大纲第一章第一章 概述概述第二章第二章 晶体生长晶体生长第三章第三章 硅氧化硅氧化第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 刻蚀刻蚀第六章第六章 扩散扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 工艺集成工艺集成补补 充充 工艺仿真工艺仿真微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长Contents Basic techniques to grow Si and GaAs single-crystal ingots Wafer-shaping steps from ingots to po

3、lished wafers Wafer characterization in terms of its electrical and mechanical properties微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长一一、硅单晶的熔体生长硅单晶的熔体生长1、初始原料、初始原料SiO2 (s) +SiC (s) Si (s)+SiO (g)+CO (g), 冶金级冶金级硅硅:98%；Si (s)+3HCl (g) SiHCl3 (g)+H2 (s)分馏、除杂：三氯硅烷室温下呈液态沸点为分馏、除杂：三氯硅烷室温下呈液态沸点为32，利用分馏法

4、去除杂质；利用分馏法去除杂质；(4) SiHCl3 (g)+ H2 (s) Si (s)+ 3HCl (g)，EGS Si 微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长多晶硅生料多晶硅生料微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长2、Czochralshi直拉法直拉法CZ 拉晶机主要构架拉晶机主要构架:熔炉熔炉石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚, 加热坩埚；旋转装置：顺时针转；加热装置：RF线圈；拉晶装置拉晶装置籽晶夹具：夹持籽晶（单晶）；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流量控制器排气系统1.电子控制反馈系统电子控制反馈系统微电子技术工艺原理第二章

5、第二章 晶体生长晶体生长Kayex KX260 CZ puller Kayex KX260 Silicon Crystal Growing furnace is optimized for growing silicon ingots up to 400 mm in diameter using advanced control systems technology and complete thermal management system.OverviewPerformance( http:/ )微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长拉晶过程拉晶过程（1）熔硅）熔硅 将坩埚内多晶

6、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）引晶）引晶 将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性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； （3）收颈）收颈 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错的延伸。颈一般要长于20mm。 微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长（4）放肩）放肩 缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40)，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。（5）等径生长）等径生长 当

7、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。此时要严格控制温度和拉速。（6）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不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长拉晶过程示意图拉晶过程示意图微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长CZ-grown Silicon ingots微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长3、杂质分布、杂质分布平衡分凝系数平衡分凝系数0slCkC微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶

8、体生长 若晶体生长时，熔体中的初始重量M0，初始掺杂浓度C0 (w%),当生长出重量为M的晶体时，熔体剩余重量为S, 若晶体增加量为dM，晶体中的杂质浓度为Cs (w%)，则熔体中的杂质减少量sdSC dM熔体的杂质浓度Cl (w%)0lSCMM0slCkC00dSdMkSMM 积分00000SMC MdSdMkSMM010001ksMCk CM微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长 在晶体生长过程中，若在晶体生长过程中，若晶体中的初始杂质浓度为晶体中的初始杂质浓度为k0C0，则，则 （1）若）若k01，晶体中的，晶体中的杂质浓度持续降低；杂质浓度持续降低； （3）若）若k01，晶体

9、中的，晶体中的杂质浓度均匀分布。杂质浓度均匀分布。晶体的归一化杂质浓度与固化分数间的函数关系晶体的归一化杂质浓度与固化分数间的函数关系微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长有效分凝系数有效分凝系数selCkC 当结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度时，杂质在界面附近熔体中堆积，形成浓度梯度 按照平衡分凝系数定义：0(0)slCkC 由于Cl(0)未知，为了描述界面附近杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响，引入有效分凝系数ke有效分凝系数有效分凝系数微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长 考虑熔体表面存在一个厚度为的薄滞留层(只有

10、拉出晶体才产生流动),滞留层外杂质浓度为Cl。滞留层内的杂质浓度可用稳态连续性方程描述22( )( )0d C xdC xDvdxdx(/)12( )evx DC xAA边界条件：边界条件：1、2、杂质总量守恒，即界面处杂质总流量为零。0( )(0)xlC xC0( )(0)0lsxdC xDCC vdx( )xlC xC微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长/(0)vDlslsCCeCC0/00(1)sevDlCkkCkk e实现均匀掺杂的方法实现均匀掺杂的方法:1、采用高拉晶速率、低旋转速度生长单晶：当生长参数 的值较大时，ke的值比k0大，甚至能够接近1。2、持续加入多晶硅生料

11、，保持初始掺杂浓度不变。/vD微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长直拉法直拉法(CZ法法)生长单晶的特点生长单晶的特点优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化， 可较好控制电阻率径向均匀性缺点：石英坩埚内壁被熔硅硅侵蚀及石墨保温加热元件的 影响，易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶 （含氧量通常10-40ppm)微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长改进直拉生长法改进直拉生长法磁控直拉技术磁控直拉技术原理： 在直拉法(CZ法)单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁 场，由于半导体熔体是良导体，在磁场作用下受到与其运 动方向相反作用力

12、，于是熔体的热对流受到抑制。因而除 磁体外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。优点：1、减少温度波动； 2、减轻熔硅硅与坩埚作用； 3、使粘滞层厚度增大； 4、降低了缺陷密度和氧含量； 5、提高电阻分布的均匀性。 微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长二二、悬浮区熔法（悬浮区熔法（FZ法）法）方法：方法： 依靠熔体的表面张力，使熔区悬浮于多晶Si与下方长出 的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。1、可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ 法高；2、无需坩埚、石墨托，污染少；3、FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；优点：优点：缺点：缺点：单晶直径不及CZ法微电子技术工艺原理第二章第

13、二章 晶体生长晶体生长掺杂分布掺杂分布0edk SdSCAdxdxL 若多晶硅棒初始掺杂浓度为C0（w%），沿晶棒x处熔区长度为L，晶体截面为A，硅比重为d，S为熔融内的杂质量。当熔区移动dx距离时，熔区顶端新增的杂质量为C0 dAdx，晶体中的杂质量为ke(Sdx/L)，则熔区中杂质的变化量/01 (1)ek x LseCCk e000 xSdeSdSdxCAk S L整理、积分整理、积分微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长Float-zone processCzochralski process微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长Czochralski proces

14、sFloat-zone process微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长大面积高压晶闸管：高阻、高均匀性晶片Step 1: 选用平均掺杂浓度远低于所需掺杂量的区熔硅片；Step 2: 用热中子辐照处理303131141415SinSiP 微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长1、初始材料三三、GaAs晶体生长技术晶体生长技术微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长2、晶体生长技术u 液封直拉法(Czochralski法) 熔融B2O3液封，高压 (1atm)，石墨坩埚u Bridgman法（双温区闭管法）微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长四、材料特

15、征四、材料特征1、晶片整形、晶片整形u 去除仔晶和锭尾去除仔晶和锭尾u 外形研磨，确定晶锭直径外形研磨，确定晶锭直径u 研磨标识面或槽，去顶晶锭的晶向和导电类型研磨标识面或槽，去顶晶锭的晶向和导电类型u 切片切片u 晶片研磨晶片研磨u 晶片抛光晶片抛光u 清洗清洗u 装入片盒装入片盒微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长径向研磨定位面研磨微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长晶面定向与晶面标识晶面定向与晶面标识 由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割，如双极器件：111面; MOS器件：100面。8” 以下硅片需要沿晶锭

16、轴向磨出平边来指示晶向和导电类型。（1）主参考面（主定位面，主标志面） 作为器件与晶体取向关系的参考； 作为机械设备自动加工定位的参考； 作为硅片装架的接触位置；（2）次参考面（次定位面，次标志面） 识别晶向和导电类型 微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长8 ” (200mm) 以下以下Wafer8 ” (200mm)以上以上Wafer微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长(1) 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。切片决定了晶片的晶向、厚度、锥度、弯曲度4个参数，切片损耗占1/3。(2) 磨片磨片（ Al2O3 和甘油混合物） 去除刀

17、痕与凹凸不平；改善平整度；使硅片厚度一致(2m)；(3) 抛光抛光（机械抛光、化学抛光、化学机械抛光） 消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无损层的“理想”表面。切片、磨片、抛光切片、磨片、抛光微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长2、晶体表征、晶体表征缺陷的含义缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。阵结构发生偏差的区域。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

18、结构的不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷晶体缺陷晶体缺陷微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长点缺陷点缺陷缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长线缺陷（位错）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陷，即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，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错。

19、陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错。刃型位错刃型位错:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。沿刀刃方向的位错为刃型位错。微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长 螺位错螺位错:将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯 拐角处拐角处的排列结构，则此时在的排列结构，则此时在“剪开线剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错 微电子技术工艺原理第二章第二章 晶体生长晶体生长面缺陷面缺陷二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则