现代半导体器件物理与工艺

晶体生长和外延现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30晶体生长与外延对分立器件而言，最重要的半导体是硅和砷化镓。本小节主要讨论这两种半导体单晶最常用的技术。一种是单晶生长，获得高质量的衬底材料；另外一种时“外延生长”，即在单晶衬底上生长另一层单晶半导体（同质或异质材料）。起始材料多晶半导体单晶晶片SiSiO2GaAsGa，As蒸馏与还原合成晶体生长晶体生长研磨、切割抛光研磨、切割抛光从原料到磨光晶片的制造流程CZ法生长单晶硅－起始材料高纯度的硅砂与不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入炉中，产生反应此步骤获得冶金级硅，纯度98%，然后与HCl反应SiHCl3沸点32度，分馏提纯，得到电子级硅Cz直拉法掺杂物质的分布由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常和在界面出的融体（液体）中的是不同的，此两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。(1)融体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0（每克的融体中掺杂的重量）。生长过程中，当已生长晶体的重量为M时，留在融体中的掺杂数量（重量）为S。当晶体增加dM的重量，融体相对应减少的掺杂（－dS）为Cs为晶体中的掺杂浓度（重量表示）。此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓度Cl(2)(3)结合（2）、（3），将（1）代入可得若初始掺杂重量为C0M0，积分（4）可得(4)(5)解出（5）式，且结合（3）式可得(6)有效分分凝系系数当晶体体生长长时，，掺杂杂剂会会持续续不断断地被被排斥斥而留留在融融体中中(K0<1)。如如果排排斥率比比参杂杂的扩扩散或或搅动动而产产生的的传送送率高高时，，在界界面的的地方方会有有浓度度梯度产生生，如如图所所示。。其分凝凝系数数为定义一一有效效分凝凝系数数考虑一一小段段宽度度为δδ几乎乎粘滞滞的融融体层层，层层内只只有因因拉出出需要要补充充融体体而产生生的流流动。。层外外参杂杂浓度度为常常数Cl，层内内参杂杂浓度度可用用第3章的的连续续性方程程式来来表示示。在在稳态态式，，右边边第二二项、、第三三项是是有意意义的的(C代替替np，v代替替μnE)解为第一个个边界界条件件是在在x＝＝0时时，C＝Cl(0)；第第二个个边界界条件件式所所有掺掺杂总总数守恒，，即流流经界界面的的掺杂杂流量量和必必须等等于零零。考考虑掺掺杂原原子在在融体体中的的扩散（忽忽略在在固体体中的的扩散散），，可以以得到到将边界界条件件代入入且在x＝δδ时时C＝＝Cl，可以以得到到因此在晶体体内的的均匀匀掺杂杂分布布（ke→1）），可可由高高的拉拉晶速速率和和低的的旋转转速率率获得。。另外外一种种获得得均匀匀分布布的方方法是是持续续不断断的加加入高高纯度度的多多晶硅硅于融体体中，，使初初始的的掺杂杂浓度度维持持不变变。悬浮区区熔法法悬浮区区熔法法（float-zone））可以以生长长比一一般Cz法法生长长单晶晶所含含有的的更低低杂质浓浓度的的硅。。生长长的晶晶体主主要用用于高高电阻阻率材材料的的器件件，如如高功功率、、高压等等器件件。杂质浓浓度为为C0，L是是熔融融带沿沿着x方向向的长长度，，A是是晶棒棒的截截面积积，ρρd是硅的密密度，，S式式熔融融带中中所存存在的的掺杂杂剂总总量。。当此此带移移动距距离dx，，前进进端增加加的掺掺杂数数量为为C0ρdAdx，然然而从从再结结晶出出所移移除的的掺杂杂剂数数量为为ke(Sdx/L)，因因此有有：而且S0＝C0ρdAL是是当当带带的的前前进进端端形形成成时时的的掺掺杂杂剂剂数数量量。。从积积分分式式可可得得或因为为，，因因此此如果果需需要要的的是是掺掺杂杂而而非非提提纯纯时时，，掺掺杂杂剂剂引引入入第第一一个个熔熔区区中中S0＝ClAρρdL，，且初初始始浓浓度度C0小到到几几乎乎可可以以忽忽略略，，由由前前面面的的积积分分式式可可得得因为为，，从从上上式式可可得得因此此，，如如果果Kex/L很很小小，，则则除除了了在在最最后后凝凝固固的的尾尾端端外外，，Cs在整整个个距距离离中中几几乎乎维持持定定值值。。对某某些些开开关关器器件件而而言言，，如如高高压压可可控控硅硅。。必必须须用用到到大大面面积积芯芯片片，，对对均均与与度度要求求较较高高。。采采用用中中子子辐辐照照工工艺艺。。此过程中中部分硅硅嬗变成成为磷而而得到n型掺杂杂的硅砷化镓晶晶体的生生长技术术－起始始材料砷化镓的的起始材材料是以以物理特特性和化化学特性性均很纯纯的砷和和镓元素素和合成成的多晶砷砷化镓。。因为砷砷化镓是是由两种种材料所所组成，，所以它它的性质质和硅这这种单元素素材料有有极大的的不同。。可以用用“相图图”来描描述。不像硅可可以在熔熔点时有有相对较低的蒸蒸汽压（（1412℃时时约为10-1Pa）），砷在在砷化镓镓的熔点（1240℃）时时有高出出许多的蒸汽汽压。在在气相中中砷以两种主要要形式存存在：As2及As4。砷化镓生生长工艺艺合成砷化化镓通常常在真空空密闭的的石英管管系统中中进行，，此管有有2个温温度区。。高纯度的砷砷放置在在石墨舟舟中加热热到601-620℃℃；而而高纯度度的镓放放置在另另一个石墨舟中中，加热热到稍高高于砷化化镓熔点点（1240-1260℃℃）的温温度。此此情形下下，会形成成过多的的砷蒸汽汽压，一一来会使使砷蒸汽汽压输送送到镓的的熔融态态进而转转变成砷化镓镓。二来来可以防防止在炉炉管形成成的砷化化镓再次次分解。。当熔融融态冷却却时，就可以以产生高高纯度的的多晶砷砷化镓。。有两种技技术可以以生长砷砷化镓：：Cz法法和布理理吉曼法法。Cz法与与硅生长长类似，，同时它它采用了了液体密密封技术术防止在在长晶时时融体产产生热分解。一一般用液液体氧化化硼（B2O3）将融融体密封封起来。。氧化硼硼会溶解解二氧化化硅，所以以用石墨墨坩埚代代替凝硅硅土坩埚埚。在生长砷砷化镓晶晶体时，，为了获获得所需需的掺杂杂浓度，，镉和锌锌常被用用来作为为P型掺杂杂剂，而而硒、硅硅和锑用用来作n型掺杂杂剂。布理吉曼曼法左区带保保持在610℃℃来维维持砷所所需的过过压状态态，而右右区带温温度略高高于砷化化镓熔点（（1240℃℃）。当当炉管向向右移动动时，融融体的一一端会冷冷却，通通常在左左端放置晶晶仔以建建立特定定的晶体体生长方方向。融融体逐步步冷却，，单晶开开始在固固-液界面生生长直到到当今砷砷化镓生生长完成成。材料特性性－晶片片切割晶体生长长后，先先区晶仔仔和晶锭锭的尾端端。接着着磨光晶晶锭以便便确定晶晶片直径径。然后后，沿着着晶锭长长度方向向磨出一一个或数数个平面面。这些些平面标标示出晶锭的特特定晶体体方向和和材料的的导电形形态。主标志面面－最大的的面，用用于机械械定向器器去固定定晶片的的位置并并确定器器件和晶晶体的相相对方向向。次标志志面－较小小的面面，用用来标标识晶晶体的的方向向和导导电形形态。。磨光、、标识识后的的晶锭锭切割割。切切割决决定四四个晶晶片参参数：：表面方方向、、厚度度、倾斜度度和弯弯曲度度。切割后后，用用氧化化铝和和甘油油的混混合液液研磨磨，一一般研研磨到到2μμm的的平坦坦度。。晶体特特性－－晶体体缺陷陷点缺陷陷－替替代、、填隙隙、空空位和和弗兰兰克尔尔缺陷陷。线缺陷陷，亦亦称位位错－－刃形形和螺螺旋。。面缺陷陷－孪孪晶和和晶粒粒间界界。反映孪孪晶旋转孪孪晶小角度度晶界界体缺陷的固溶度引起的。材料特特性另外，，因固固溶度度造成成析出出的氧氧，可可利用用来吸吸杂。。吸杂杂－指指从晶晶片上上制造造器件件的区区域除除去有有害杂杂质或或缺陷陷的过过程。。当晶晶片受受高温温处理理，氧氧会从从表面面挥发发，造造成表表面附附近有有较低低的氧氧含量量，形形成了了无缺缺陷区区，用用于制制造器器件。。晶体外外延外延是是在单单晶上上生长长一层层同质质或异异质的的薄膜膜层。。衬底底晶片片可以以作为为晶体体籽晶，与与先前前描述述的单单晶生生长不不同在在于外外延生生长温温度低低于熔熔点许许多（（30~50%），，常见见的外外延工工艺有有：CVD和MBE。化学气气相沉沉积（（CVD））也称称为气气相外外延（（Vapor－－phaseepitaxy，，VPE））是通过过气体体化合合物间间的化化学作作用而而形成成外延延层的的工艺艺，CVD工艺艺包括括常压（APCVD）和和低压压（LPCVD）。。硅的CVD同时伴伴随额额外的的竞争争反应应在外延延生长长时，，掺杂杂剂和和四氯氯化硅硅是同同时加加入的的，气气态的的乙硼硼（B2H6））被用作作p型型掺杂杂剂，，而磷磷烷（（PH3））被用用作n型掺掺杂剂剂。气气态掺掺杂剂剂通常常用H2来稀稀释，，以便便合理理控制制流量量而得得到所所需的的掺杂杂浓度度。砷化镓镓的CVDAs4是有有砷烷烷分解解而来来氯化镓镓是由由下来来反应应而来来反应物物和载载气（（如H2））一起起被引引入反反应器器中，，而砷砷化镓镓的晶晶片一一般维维持在650℃℃到850℃的的范围围。必必须有有足够够的砷砷的过过蒸汽汽压，，以防防止衬衬底和和生长层的的热分分解。。金属有有机物物气相相沉积积（MOCVD），，是一一种以以热分分解反反应为为基础础的气气相外外延法法，不不像传传统的的CVD，，MOCVD是是以其其先驱驱物的的化学学本质质来区区分。。次方方法对对不形形成稳稳定的的氢化化物或或卤化化物但但在合合理的的气压压下会会形成成稳定定金属属有机机物的的元素素提供供了一一个可可行之之道。。MOCVD已已经广广泛应应用在在生长长III-V族族和II-VI族化化合物物异质质外延延上。。分子束束外延延（MBE）是是在超超高真真空（（10-8Pa））一个个或多多个热热原子子或热热分子子束和和晶体体表面面反应应的外外延工工艺。。MBE能能够非非常精精确地地控制制化学学组成成和参参杂浓浓度。。厚度度只有有原子子层量量级的的单晶晶多层层结果果可用用MBE制制作。。因此此，MBE法可可用来来精确确制作作半导导体异异质结结构，，其薄薄膜层层可从从几分分之一一微米米到单单层