第二章微纳加工技术2半导体衬底

半导体衬底

晶体结构晶体缺陷单晶生长晶片的制备和规格晶体结构

晶格及晶胞

我们所使用的半导体衬底材料是原子在三维空间中周期性排列的单晶，晶体中原子的周期性排列称为晶格(crystallattice)。在晶体中，原子不会偏离固有位置太远，而以这个位置为中心作热振动。对一种给定的半导体材料，整个晶格可以用一个晶胞(cell)来描述。在晶体中重复这个晶胞，就能形成整个晶格。晶胞：具有代表性的基本单元（最小平行六面体）

三种常见的立方晶体晶胞

简方体（sc:simplecubic）,只有钋晶体具有这种结构。体心立方（bcc:bodycenteredcubic）,

面心立方（fcc:facecenteredcubic）晶向和密勒(Miller)指数

晶向：晶体中原子的位置、原子列的方向晶向指数：[uvw]任意阵点P的位置可以用矢量和坐标来表示：OP=u+v+w晶向指数的确定步骤1)以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z,以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。2)过原点O作一直线OP，使其平行于待定晶向。3)在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。4)将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号，[uvw]即为待定晶向的晶向指数。晶向指数的例子正交晶系一些重要晶向的晶向指数

晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶向；

所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反；晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族，用<uvw>表示密勒指数：表示晶体中不同晶面的位置密勒指数标定步骤： 1)在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；

2)求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；

3)取各截距的倒数；

4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为(hkl)。密勒指数的例子正交点阵中一些晶面的面指数

密勒指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。Si，Ge以及GaAs，InP的晶体结构Ⅳ族元素决定了Si,Ge晶体中的原子要与最邻近的四个原子构成共价键；一个FCC晶胞中添加四个原子，即构成金刚石结构。可看成两套FCC晶格互相嵌套而成；其中一个子晶格沿立方体对角线位移1/4对角线长度即重合。

Si，Ge为金刚石结构，GaAs，InP为闪锌矿结构（原子排布同金刚石结构，只是存在两种不同的原子）晶体缺陷(defect)

点缺陷晶格位置缺少一个原子（空位缺陷，vacancy）+一个原子处在晶格位置之间（填隙,interstitial）=Frenkel缺陷（本征缺陷）点缺陷的特性及对晶体性能的影响

点缺陷是热力学平衡缺陷。温度越高，空位浓度也就越高；空位浓度↑电阻↑导电性能↓体积↑。空位和间隙原子的运动可以导致原子的扩散。空位聚集可以形成新的缺陷－位错。

线缺陷（位错，dislocation）位错：晶体中原子沿一定晶面发生有规律的错排现象。

晶体中位错的基本类型：刃型位错(edgedislocation)和螺型位错(screwdislocation)刃型位错晶体滑移的方向与位错线垂直螺型位错晶体滑移的方向与位错线平行

SEMimageofascrewandedgedislocation

位错的运动：滑移（slip）和攀移（climb）位错的滑移：位错线沿滑移面的移动。刃型位错的滑移螺型位错的滑移位错的攀移：在正应力作用下，位错线垂至于滑移面的运动。只有刃型位错能够攀移（因为刃型位错的滑移面唯一性），螺型位错不可以。

（a）正攀移；（b）原始位置；（c）负攀移

面缺陷：二维，多见于多晶的晶粒边界。器件材料

SubstratesSilicon硅Glass玻璃Quartz石英

ThinFilmsPolysilicon多晶硅SiliconDioxide氧化硅SiliconNitride氮化硅SemiconductorCompound半导体化合物Metals金属Polymers聚合物

薄膜形态单晶、多晶、非晶单晶生长半导体圆片（wafer）都是从单晶体晶锭（crystalingots）上切割下来的。目前常见的单质单晶生长方法有：直拉生长法（Czochralski）、区熔法（float-zonemethod）目前常见的化合物单晶生长法有：液封直拉法（LiquidencapsulatedCzochralski）、Bridgman法晶体结构分类Amorphous（无定形）

—NorepeatedstructureatallPolycrystalline（多晶）

—SomerepeatedstructuresSinglecrystal（单晶）

—OnerepeatedstructureAmorphousStructurePolycrystallineStructureSinglecrystal

直拉生长法（Czochralski法）

直拉生长法实质是熔融态物质的结晶过程。坩埚由石英制成，装填材料为从二氧化硅中提纯出来的高纯度多晶硅。腔室内充入保护性气流（Ar）。坩埚加热至1500℃

籽晶（seed）直径约0.5cm，长约10cm。由化学刻蚀得到，必须严格定向。目前的硅晶锭，直径可达30mm以上，长度有1~2m。单质单晶生长方法介绍按时间序列显示的晶锭从熔料中拉出的情况

区熔法（float-zonemethod）

多晶料柱固定于卡盘，通以高功率射频电流的金属线圈，在多晶料柱中引起涡流，使得多晶料柱近邻线圈的部分熔化。线圈移过后，熔料再结晶为单晶。熔化区域同籽晶一同旋转，并随线圈向上移动，最终整个多晶料柱变为单晶柱。注：课本图2.21中籽晶在多晶料柱的上方，这是一种传统的FZ生长法。线圈向下移动。这种生长法的缺陷在于：晶柱的熔融部分必须承受整体的重量，使得该技术仅限于生产不超过几公斤的晶锭。此问题目前已经解决，可以采用底部籽晶的装置，如上图。

两种生长方法的比较

直拉生长法：目前最普遍

—便宜

—大晶片尺寸（300mm）

—材料可重复使用区熔法：目前用得越来越少

—更高纯度的单晶硅（无坩埚）

—成本较高，晶片尺寸较小（150mm）化合物单晶生长较单质单晶生长的难点

化学计量及组分的配比生长过程中热参数的控制蒸发不一致性（例：Ⅴ族元素的比Ⅲ族元素更易挥发）化合物单晶生长方法介绍

液封直拉法（LiquidencapsulatedCzochralskigrowth）

采用紧配合密封装置，采用B2O3作为密封剂。温度超过400度，密封剂开始熔化并封住熔料。Bridgman法

将固态的镓和砷原料装入一个石英制的安瓿。安瓿包括一个容纳固体砷的独立腔室，可以提供维持化学配比所需的砷过压。为了减少对晶体结晶的扰动，采用炉体移动通过安瓿的方法。

可将水平Bridgman设备竖起来，获得高阻衬底。3.半导体化合物晶体生长的困难以GaAs为例：GaAs的热导大约是硅的1/3，这使得GaAs晶锭不能像硅晶锭那样较快地散去结晶潜热；

GaAs在熔融点使一个位错成核所需的剪切应力大约为硅的1/4，这使得一点小的热塑应力就会导致缺陷产生。以上因素决定了GaAs晶片要比硅晶片小很多。12inchGaAsonSillicon(Motorola2001)晶片的制备和规格

“单晶锭→外延晶片”过程关键工艺介绍单晶锭(SingleCrystalIngot)→切片晶片(SlicedWafers)→研磨晶片(LappedWafers)→腐蚀晶片(EtchedWafers)→抛光晶片(PolishedWafers)→外延晶片(EpitaxialWafers)（1）切尾、端面抛光、显示平边或缺口

单晶锭须将籽晶和尾部切掉，端面抛光，并对晶锭进行机械修整，至合适的直径。

150mm以下的晶片，沿晶锭整个长度上都要磨出平边，以指示晶向何掺杂类型，也用于后续光刻步骤中进行粗对准。对于更大的晶片，则在晶片边缘磨出一个缺口。（2）晶锭切割（3）晶片倒角倒角的作用：（1）防止后续工艺因机器操作原因而导致缺陷产生；（2）在甩胶工艺中，倒角能防止光刻胶的积聚而覆盖住晶片。（4）晶片研磨

研磨实质上是一个粗抛光的过程；研磨的目的是为了除去晶片表面的主要损伤；同时形成一个平整面；（5）晶片腐蚀

腐蚀是为了除去晶片表面残留的细小裂纹以及研磨工艺所造成的损伤；腐蚀液通常都是基于HF-HNO3系统；（6）晶片抛光

采用化学机械（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）方法对晶片进行抛光；该工艺步骤使晶片表面的粗糙度达到最小