半导体制造工艺之晶体的生长概述

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。一次区区熔提提纯与与直拉拉法后后的杂杂质浓浓度分分布的的比较较（K=0.01）单就一一次提提纯的的效果果而言言，直直拉法法的去去杂质质效果果好25多次区区熔提提纯26衬底制制备衬底制制备包包括：：整形、、晶体体定向向、晶晶面标标识、、晶面面加工工27整型两端去除径向研磨定位面研磨28晶面定定向与与晶面面标识识由于晶晶体具具有各各向异异性，，不同同的晶晶向，，物理理化学学性质质都不不一样样，必必须按按一定定的晶晶向（（或解解理面面）进进行切切割，，如双双极器器件：：{111}面；MOS器件：：{100}面。8inch以下硅硅片需需要沿沿晶锭锭轴向向磨出出平边边来指指示晶晶向和和导电电类型型。1．主参参考面面（主主定位位面，，主标标志面面）作为器器件与与晶体体取向向关系系的参参考；；作为机机械设设备自自动加加工定定位的的参考考；作为硅硅片装装架的的接触触位置置；2.次参考考面（（次定定位面面，次次标志志面））识别晶晶向和和导电电类型型298inch以下硅硅片8inch以上硅硅片30切片、、磨片片、抛抛光1．切片片将已整整形、、定向向的单单晶用用切割割的方方法加加工成成符合合一定定要求求的单单晶薄薄片。。切片片基本本决定定了晶晶片的的晶向向、厚厚度、、平行行度、、翘度度，切切片损损耗占占1/3。2.磨片目的：：去除刀刀痕与与凹凸凸不平平；改善平平整度度；使硅片片厚度度一致致；磨料：：要求：：其硬硬度大大于硅硅片硬硬度。。种类：：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等313.抛光目的：：进一一步消消除表表面缺缺陷，，获得得高度度平整整、光光洁及及无损层的的“理理想””表面面。方法：：机械械抛光光、化化学抛抛光、、化学学机械械抛光光32晶体缺缺陷缺陷的的含义义：晶晶体缺缺陷就就是指指实际际晶体体中与与理想想的点点阵结结构发发生偏偏差的的区域域。理想晶晶体：：格点点严格格按照照空间间点阵阵排列列。实际晶晶体：：存在在着各各种各各样的的结构构的不不完整整性。。几何形形态：：点缺缺陷、、线缺缺陷、、面缺缺陷、、体缺缺陷33点缺陷陷缺陷尺尺寸处处于原原子大大小的的数量量级上上，即即三维维方向向上缺缺陷的的尺寸寸都很很小。。34线缺陷陷指在一一维方方向上上偏离离理想想晶体体中的的周期期性、、规则则性排排列所所产生生的缺缺陷，，即缺缺陷尺尺寸在在一维维方向向较长长，另另外二二维方方向上上很短短，分分为刃型位位错和和螺位位错。刃型位位错:在某一一水平平面以以上多多出了了垂直直方向向的原原子面面，犹犹如插插入的的刀刃刃一样样，沿沿刀刃刃方向向的位位错为为刃型型位错错。35螺位错错:将规则则排列列的晶晶面剪剪开（（但不不完全全剪断断），，然后后将剪剪开的的部分分其中中一侧侧上移移半层层，另另一侧侧下移移半层层，然然后黏黏合起起来，，形成成一个个类似似于楼楼梯拐拐角角处的的排列列结构构，则则此时时在““剪开开线””终结结处（（这里里已形形成一一条垂垂直纸纸面的的位错错线））附近近的原原子面面将发发生畸畸变，，这种种原子子不规规则排排列结结构称称为一一个螺螺位错错36面缺陷陷二维方方向上上偏离离理想想晶体体中的的周期期性、、规则则性排排列而而产生生的缺缺陷，，即缺缺陷尺尺寸在在二维维方向向上延延伸，，在第第三维维方向向上很很小。。如孪孪晶、晶粒间间界以以及堆堆垛层层错。。孪晶：：是指指两个个晶体体（或或一个个晶体体的两两部分分）沿沿一个个公共共晶面面（即即特定定取向向关系系）构构成镜镜面对对称的的位向向关系系，这这两个个晶体体就称称为““孪晶晶”，，此公公共晶晶面就就称孪孪晶面面。晶粒间间界则则是彼彼此没没有固固定晶晶向关关系的的晶体体之间间的过过渡区区。孪晶界晶粒间间界37堆垛层层错是指是是晶体体结构构层正正常的的周期期性重重复堆堆垛顺顺序在在某一一层间间出现现了错错误，，从而而导致致的沿沿该层层间平平面（（称为为层错错面））两侧侧附近近原子子的错错误排排布。。38体缺陷陷由于杂杂质在在硅晶晶体中中存在在有限限的固固浓度度，当当掺掺入的的数量量超过过晶体体可接接受的的浓度度时，，杂杂质在在晶体体中就就会沉沉积，，形成成体缺缺陷。。39本节课课主要要内容容硅单晶晶的制制备：：CZ直拉法法、悬浮区区熔法法掺杂分分布：：有效分分凝系系数衬底制制备：：整形、、晶体体定向向、晶晶面标标识、、晶面面加工工晶体缺缺陷：：点缺陷陷、线线缺陷陷、面面缺陷陷、体体缺陷陷9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。04:39:2604:39:2604:3912/29/20224:39:26AM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2204:39:2604:39Dec-2229-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。04:39:2604:39:2604:39Thursday,December29,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2204:39:2604:39:26December29,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。29十十二二月20224:39:26上上午04:39:2612月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月224:39上午午12月-2204:39December29,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/294:39:2604:39:2629December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。4:39:26上上午午4:39上上午午04:39:2612月月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。04:39:2604:39:2604:3912/29/20224:39:26AM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2204:39:2604:39Dec-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。。。。04:39:2604:39:2604:39Thursday,December29,202213、不知知香积积寺，，数里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2204:39:2604:39:26December29,202214、意志志坚强强的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥块一一样任任意揉揉捏。。29十十二二月20224:39:26上上午04:39:2612月月-2215、楚塞三湘湘接，荆门门九派通。。。。十二月224:39上上午12月-2204:39December29,202216、少少年年十十五五二二十十时时，，步步行行夺夺得得胡胡马马骑骑。。。。2022/12/294:39:2604:39:2629December202217、空山山新雨雨后，，天气气晚来来秋。。。4:39:26上上午4:39上上午午04:39:2612月月-229、杨柳散散和风，，青山澹澹吾虑。。。12月-2212月-22Thursd