半导体制造工艺-晶体的生长

1半导体器件与工艺2一、衬底材料的类型元素半导体Si、Ge….2.化合物半导体

GaAs、SiC、GaN…3二、对衬底材料的要求

导电类型：N型与P型都易制备；电阻率：0.01-105·cm，均匀性好（纵向、横向、微区）、可靠性高（稳定、真实）；寿命（少数载流子）：晶体管—长寿命；开关器件—短寿命；晶格完整性：低位错（<1000个/cm2）；纯度高：电子级硅（EGS）--1/109杂质；晶向：Si:双极器件--<111>；MOS--<100>；直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。4Si：含量丰富，占地壳重量25%；单晶Si生长工艺简单，目前直径最大18英吋（450mm）氧化特性好，Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；易于实现平面工艺技术；5Ge：漏电流大，禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.1eV)；工作温度低，75℃（Si:150℃）；GeO2易水解（SiO2稳定）；本征电阻率低：47·cm（Si:2.3x105·cm）；成本高。6Si的基本特性:

FCC金刚石结构，晶格常数a=5.431Å

间接带隙半导体，禁带宽度Eg=1.12eV

相对介电常数，r=11.9

熔点：1417oC

原子密度：5x1022cm-3

本征载流子浓度：ni=1.45x1010cm-3

本征电阻率=2.3x105·cm

电子迁移率e=1500cm2/Vs,空穴迁移率h=450cm2/Vs7三、起始材料--石英岩（高纯度硅砂--SiO2）SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g),冶金级硅：98%；Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态沸点为32℃，利用分馏法去除杂质；SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，得到电子级硅（片状多晶硅）。

300oC8单晶制备一、直拉法（CZ法）CZ拉晶仪熔炉石英坩埚：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；拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；环境控制系统气路供应系统流量控制器排气系统电子控制反馈系统9拉晶过程熔硅将坩埚内多晶料全部熔化

；注意事项：熔硅时间不易长；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；

10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。

11放肩缩颈工工艺完完成后后，略略降低低温度度（15-40℃），，让晶晶体逐逐渐长长大到到所需的的直径径为止止。这这称为为“放肩”。12等径生生长：：当晶晶体直直径到到达所所需尺尺寸后后，提提高拉拉速，，使晶晶体直直径不不再增增大，，称为为收肩肩。收收肩后后保持持晶体体直径径不变变，就就是等等径生生长。。此时时要严严格控控制温温度和和拉速速。13收晶：：晶体体生长长所需需长度度后，，拉速速不变变，升升高熔熔体温温度或或熔体体温度度不变变，加加快拉拉速，，使晶晶体脱脱离熔熔体液液面。。14硅片掺掺杂目的：：使硅硅片具具有一一定电电阻率率（（比比如：：N/P型硅片片1-100·cm）分凝现现象：：由于于杂质质在固固体与与液体体中的的溶解解度不不一样样，所以，，杂质质在固固-液界面面两边边材料料中分分布的的浓度度是不不同的，这这就是是所谓谓杂质质的分分凝现现象。分凝系系数:,Cs和Cl分别是是固体体和液液体界界面附附近的的平衡衡掺杂杂浓度度一般情情况下下k0<1。15掺杂分分布假设熔熔融液液初始始质量量为M0，杂质质掺杂杂浓度度为C0（质量量浓度度），，生长过过程中中晶体体的质质量为为M，杂质质在晶晶体中中的浓浓度为为Cs，留在熔熔液中中杂质质的质质量为为S，那么么熔液液中杂杂质的的浓度度Cl为：当晶体体增加加dM的重量量：1617有效分分凝系系数当结晶晶速度度大于于杂质质在熔熔体中中的扩扩散速速度时时，杂杂质在在界面面附近近熔体体中堆堆积，，形成成浓度度梯度度按照分分凝系系数定定义：：由于Cl(0)未知，，然而而为了描描述界界面粘滞层中杂质质浓度度偏离离对固固相中中的杂杂质浓浓度的的影响响，引入有效分分凝系系数ke:18当/D>>1，ke1，所所以为为了得得到均均匀的的掺杂杂分布布，可可以以通过过较高高的拉拉晶速速率和和较低低的旋旋转速速率。。D:熔液中中掺杂杂的扩扩散系系数19直拉法法生长长单晶晶的特特点优点：：所生生长单单晶的的直径径较大大成本本相对对较低低;通过热热场调调整及及晶转转，埚埚转等等工艺艺参数数的优优化，，可较较好控控制电阻率率径向向均匀匀性缺点：：石英英坩埚埚内壁壁被熔熔硅侵蚀及及石墨墨保温温加热热元件件的影影响，，易引入氧氧碳杂杂质，，不易易生长长高电电阻率率单晶晶（含含氧量量通常常10-40ppm)20二、改进直直拉生生长法法—磁控直直拉技技术原理：：在在直拉拉法(CZ法)单晶生生长的的基础础上对对坩埚埚内的的熔体体施加加磁场，由由于半半导体体熔体体是良良导体体，在在磁场场作用用下受受到与与其运运动方向向相反反作用用力，，于是是熔体体的热热对流流受到到抑制制。因因而除除磁体外外，主主体设设备如如单晶晶炉等等并无无大的的差别别。优点：：减少少温度度波动动；减减轻熔熔硅与坩埚埚作用用；使使扩散散层厚厚度增增大降低了了缺陷陷密度度，氧氧的含含量，，提高高了电电阻分分布的的均匀匀性。。21三、悬浮区区熔法法（float-zone，FZ法）方法：：依靠熔熔体表表面张张力，，使熔熔区悬悬浮于于多晶晶Si与下方方长出出的单晶晶之间间，通通过熔熔区的的移动动而进进行提提纯和和生长长单晶晶。22悬浮区区熔法法（float-zone，FZ法）特点：：可重重复生生长、、提纯纯单晶晶，单单晶纯纯度较较CZ法高；；无需坩坩埚、、石墨墨托，，污染染少；；FZ单晶：：高纯纯、高高阻、、低氧氧、低低碳；；缺点:单晶直直径不不及CZ法23掺杂分分布假设多多晶硅硅棒上上的杂杂质掺掺杂浓浓度为为C0（质量量浓度度），，d为硅的的比重重，S为熔融融带中中杂质质的含含量，，那么么当熔熔融带带移动动dx距离时时，熔熔融带带中杂杂质的的浓度度变化化dS为：24区熔提提纯利用分分凝现现象将将物料料局部部熔化化形成成狭窄窄的熔熔区，，并令令其沿沿锭长长从一一端缓缓慢地地移动动到另另一端端，重重复多多次（（多次次区熔熔）使使杂质质被集集中在在尾部部或头头部，，进而而达到到使中中部材材料被被提纯纯。一次区熔提提纯与直拉拉法后的杂杂质浓度分分布的比较较（K=0.01）单就一次提提纯的效果果而言，直直拉法的去去杂质效果果好25多次区熔提提纯26衬底制备衬底制备包包括：整形、晶体体定向、晶晶面标识、、晶面加工工27整型两端去除径向研磨定位面研磨28晶面定向与与晶面标识识由于晶体具具有各向异异性，不同同的晶向，，物理化学学性质都不不一样，必必须按一定定的晶向（（或解理面面）进行切切割，如双双极器件：：{111}面；MOS器件：{100}面。8inch以下硅片需需要沿晶锭锭轴向磨出出平边来指指示晶向和和导电类型型。1．主参考面面（主定位位面，主标标志面）作为器件与与晶体取向向关系的参参考；作为机械设设备自动加加工定位的的参考；作为硅片装装架的接触触位置；2.次参考面（（次定位面面，次标志志面）识别晶向和和导电类型型298inch以下硅片8inch以上硅片30切片、磨片片、抛光1．切片将已整形、、定向的单单晶用切割割的方法加加工成符合合一定要求求的单晶薄薄片。切片片基本决定定了晶片的的晶向、厚厚度、平行行度、翘度度，切片损损耗占1/3。2.磨片目的：去除刀痕与与凹凸不平平；改善平整度度；使硅片厚度度一致；磨料：要求：其硬硬度大于硅硅片硬度。。种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等313.抛光目的：进一一步消除表表面缺陷，，获得高度度平整、光光洁及无损层的“理理想”表面面。方法：机械械抛光、化化学抛光、、化学机械械抛光32晶体缺陷缺陷的含义义：晶体缺缺陷就是指指实际晶体体中与理想想的点阵结结构发生偏偏差的区域域。理想晶体：：格点严格格按照空间间点阵排列列。实际晶体：：存在着各各种各样的的结构的不不完整性。。几何形态：：点缺陷、、线缺陷、、面缺陷、、体缺陷33点缺陷缺陷尺寸处处于原子大大小的数量量级上，即即三维方向向上缺陷的的尺寸都很很小。34线缺陷指在一维方方向上偏离离理想晶体体中的周期期性、规则则性排列所所产生的缺缺陷，即缺缺陷尺寸在在一维方向向较长，另另外二维方方向上很短短，分为刃型位错和和螺位错。刃型位错:在某一水平平面以上多多出了垂直直方向的原原子面，犹犹如插入的的刀刃一样样，沿刀刃刃方向的位位错为刃型型位错。35螺位错:将规则排列列的晶面剪剪开（但不不完全剪断断），然后后将剪开的的部分其中中一侧上移移半层，另另一侧下移移半层，然然后黏合起起来，形成成一个类似似于楼梯拐拐角处的的排列结构构，则此时时在“剪开开线”终结结处（这里里已形成一一条垂直纸纸面的位错错线）附近近的原子面面将发生畸畸变，这种种原子不规规则排列结结构称为一一个螺位错错36面缺陷二维方向上上偏离理想想晶体中的的周期性、、规则性排排列而产生生的缺陷，，即缺陷尺尺寸在二维维方向上延延伸，在第第三维方向向上很小。。如孪晶、晶粒间界以以及堆垛层层错。孪晶：是指指两个晶体体（或一个个晶体的两两部分）沿沿一个公共共晶面（即即特定取向向关系）构构成镜面对对称的位向向关系，这这两个晶体体就称为““孪晶”，，此公共晶晶面就称孪孪晶面。晶粒间界则则是彼此没没有固定晶晶向关系的的晶体之间间的过渡区区。孪晶界晶粒间界37堆垛层错是指是晶体体结构层正正常的周期期性重复堆堆垛顺序在在某一层间间出现了错错误，从而而导致的沿沿该层间平平面（称为为层错面））两侧附近近原子的错错误排布。。38体缺陷由于杂质在在硅晶体中中存在有限限的固浓度度，当掺掺入的数量量超过晶体体可接受的的浓度时，，杂质在在晶体中就就会沉积，，形成体缺缺陷。39本节课主要要内容硅单晶的制制备：CZ直拉法、悬浮区熔法法掺杂分布：：有效分凝系系数衬底制备：：整形、晶体体定向、晶晶面标识、、晶面加工工晶体缺陷：：点缺陷、线线缺陷、面面缺陷、体体缺陷9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。04:39:2304:39:2304:3912/29/20224:39:23AM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2204:39:2304:39Dec-2229-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。04:39:2404:39:2404:39Thursday,December29,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2204:39:2404:39:24December29,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。29十十二月20224:39:24上午午04:39:2412月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/294:39:2404:39:2429December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。4:39:24上上午4:39上上午04:39:2412月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。04:39:2404:39:2404:3912/29/20224:39:24AM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2204:39:2404:39Dec-2229-Dec-2212、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。04:39:2404:39:2404:39Thursday,December29,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2204:39:2404:39:24December29,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。29十二二月20224:39:24上上午04:39:2412月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、少年十五五二十时，，步行夺得得胡马骑。。。2022/12/294:39:2404:39:2429December202217、空山新雨雨后，天气气晚来秋。。。4:39:24上上午4:39上上午04:39:2412月-229、杨柳柳散和和风，，青山山澹吾吾虑。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、阅读读一切切好书书如同同和过过去最最杰出出的人人谈话