4-半导体单晶和薄膜制造技术-电子器件与工艺课件

第四章半导体单晶和薄膜制造技术4.1半导体单晶的制造单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成电路领域。

由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。

单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。

区熔法单晶生长如果需要生长及高纯度的硅单晶，其技术选择是悬浮区熔提炼，该项技术一般不用于GaAs。区熔法可以得到低至1011cm-1的载流子浓度。区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料在结晶为为单晶。另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内。为确保生长沿所要求的晶向进行，也需要使用籽晶，采用与直拉单晶类似的方法，将一个很细的籽晶快速插入熔融晶柱的顶部，先拉出一个直径约3mm，长约10-20mm的细颈，然后放慢拉速，降低温度放肩至较大直径。顶部安置籽晶技术的困难在于，晶柱的熔融部分必须承受整体的重量，而直拉法则没有这个问题，因为此时晶定还没有形成。这就使得该技术仅限于生产不超过几公斤的晶锭。区熔法（FZ法）

优缺点：可以制备大分解压化合物半导体单晶避免熔体挥发质量大为提高4.2半导体外延制造技术半导体的外延根据向衬底输送原子的方式可分为三种：液相外延、气相外延和真空外延。MOCVD是一种典型的气相外延，而MBE又是一种典型的真空外延。由于MOCVD既可以生长组份突变的异质结，又可以生长组份渐变的异质结，因此到目前为止，在半导体外延领域，MOCVD技术仍然是外延技术的主流。另外降低反应室压力可以增加反应剂的流速，易于生长突变异质结。再有在低压下，反应剂的浓度可以控制得很低，因此外延生长的速率也可以控制得很低。正因MOCVD在低压下外延具有更多的优点，所以目前的MOCVD实际上都是低压MOCVD，即LPMOCVD。

常用外延材料及其工艺外延技术对比l液相外延优点：便宜；平衡生长；层质量好；毒性低缺点：难以制造多层；厚度控制差；原料和制品有限；要考虑均匀性；难以按比例增高l汽相外延（氯化物和氢化物传输）优点：高纯度；低毒性缺点：复杂，凌乱；有记忆效应；厚度控制差；要考虑均匀性l有机金属化学蒸气沉积优点：控制良好；反应快；通用性；原料多；可以选择性生长缺点：产生有毒气体；要考虑均匀性l分子束外延优点：束技术；在现场控制；单层控制缺点：速度慢；昂贵；需要UHV的维护砷化镓材料的制备

与硅相仿，砷化镓材料也可分为体单晶和外延材料两类。体单晶可以用作外延的衬底材料，也可以采用离子注入掺杂工艺直接制造集成电路（采用高质量、大截面、半绝缘砷化镓单晶）。重点是液封直拉法（即液封乔赫拉斯基法，简称LEC法）,但水平舟生长法（即水平布里其曼法）因制出的单晶质量和均匀性较好，仍然受到一定的重视。液封直拉法的一个新发展是在高压单晶炉内用热解氮化硼(PBN)坩埚和干燥的氧化硼液封剂直接合成和拉制不掺杂、半绝缘砷化镓单晶。另外，常压下用石英坩埚和含水氧化硼为液封剂的方法也已试验成功。不论水平舟生长法或是液封直拉法，晶体的直径均可达到100～150毫米而与硅单晶相仿。砷化镓的外延生长按工艺可分为气相和液相外延，所得外延层在纯度和晶体完整性方面均优于体单晶材料。通用的汽相外延工艺为Ga/AsCl3/H2法,这种方法的变通工艺有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。为了改进Ga/AsCl3/H2体系气相外延层的质量，还研究出低温和低温低压下的外延生长工艺。液相外延工艺是用Ga/GaAs熔池覆盖衬底表面,然后通过降温以生长外延层,也可采用温度梯度生长法或施加直流电的电外延法。在器件(特别是微波器件)的制造方面,汽相外延的应用比液相外延广泛。液相外延可用来制造异质结(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化镓双异质结激光器和太阳电池等的重要手段。

砷化镓外延技术还有分子束外延和金属有机化合物汽相沉积外延。分子束外延是在超高真空条件下，使一个或多个热分子束与晶体表面相作用而生长出外延层的方法。对入射分子或原子束流施加严格的控制，可以生长出超晶格结构，例如由交替的GaAs和AlxGaAs薄层（厚度仅10埃）所组成的结构。金属有机化合物汽相沉积外延是用三甲基镓或三乙基镓与砷烷相作用而生长外延层。用这种方法也能适当地控制外延层的浓度、厚度和结构。与分子束外延相比，金属有机化合物汽相沉积外延设备和工艺均较简单，但分子束外延层的质量较高。

采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延;采用从气相中生长单晶原理的称气相外延。液相外延就是将所需的外延层材料(作为溶质，例如GaAs)，溶于某一溶剂（例如液态镓）成饱和溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度，溶质从过饱和溶液中不断析出，在衬底表面结晶出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料为组分的某些化合物气体或蒸汽通过分解或还原等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为源材料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使源材料变为气态