半導(dǎo)體制造工藝01晶體的生長第1頁/共40頁2一、襯底材料的類型元素半導(dǎo)體Si、Ge….2.化合物半導(dǎo)體

GaAs、SiC、GaN…第2頁/共40頁3二、對襯底材料的要求

導(dǎo)電類型：N型與P型都易制備；電阻率：0.01-105·cm，均勻性好（縱向、橫向、微區(qū)）、可靠性高（穩(wěn)定、真實(shí)）；壽命（少數(shù)載流子）：晶體管—長壽命；開關(guān)器件—短壽命；晶格完整性：低位錯(cuò)（<1000個(gè)/cm2）；純度高：電子級硅（EGS）--1/109雜質(zhì)；晶向：Si:雙極器件--<111>；MOS--<100>；直徑、平整度、禁帶寬度、遷移率等。第3頁/共40頁4Si：含量豐富，占地殼重量25%；單晶Si生長工藝簡單，目前直徑最大18英吋（450mm）氧化特性好，Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣柵等介質(zhì)材料；易于實(shí)現(xiàn)平面工藝技術(shù)；第4頁/共40頁5Ge：漏電流大，禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.1eV)；工作溫度低，75℃（Si:150℃）；GeO2易水解（SiO2穩(wěn)定）；本征電阻率低：47·cm（Si:2.3x105·cm）；成本高。第5頁/共40頁6Si的基本特性:

FCC金剛石結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=5.431?

間接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度Eg=1.12eV

相對介電常數(shù)，r=11.9

熔點(diǎn)：1417oC

原子密度：5x1022cm-3

本征載流子濃度：ni=1.45x1010cm-3

本征電阻率=2.3x105·cm

電子遷移率e=1500cm2/Vs,空穴遷移率h=450cm2/Vs第6頁/共40頁7三、起始材料--石英巖（高純度硅砂--SiO2）SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g),冶金級硅：98%；Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點(diǎn)為32℃，利用分餾法去除雜質(zhì)；SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，得到電子級硅（片狀多晶硅）。

300oC第7頁/共40頁8單晶制備一、直拉法（CZ法）CZ拉晶儀熔爐石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供應(yīng)系統(tǒng)流量控制器排氣系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng)第8頁/共40頁9拉晶過程熔硅將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化

；注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長；引晶將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊。當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸，籽晶向上拉，控制溫度使熔體在籽晶上結(jié)晶；

第9頁/共40頁10收頸指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長于20mm。

第10頁/共40頁11放肩縮頸工藝完成后，略降低溫度（15-40℃），讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。第11頁/共40頁12等徑生長：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速。第12頁/共40頁13收晶：晶體生長所需長度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。第13頁/共40頁14硅片摻雜目的：使硅片具有一定電阻率（比如：N/P型硅片1-100·cm）分凝現(xiàn)象：由于雜質(zhì)在固體與液體中的溶解度不一樣，所以，雜質(zhì)在固-液界面兩邊材料中分布的濃度是不同的，這就是所謂雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象。分凝系數(shù):,Cs和

Cl分別是固體和液體界面附近的平衡摻雜濃度

一般情況下k0<1。第14頁/共40頁15摻雜分布假設(shè)熔融液初始質(zhì)量為M0，雜質(zhì)摻雜濃度為C0（質(zhì)量濃度），生長過程中晶體的質(zhì)量為M，雜質(zhì)在晶體中的濃度為Cs，留在熔液中雜質(zhì)的質(zhì)量為S，那么熔液中雜質(zhì)的濃度Cl為：當(dāng)晶體增加dM的重量：第15頁/共40頁16第16頁/共40頁17有效分凝系數(shù)當(dāng)結(jié)晶速度大于雜質(zhì)在熔體中的擴(kuò)散速度時(shí)，雜質(zhì)在界面附近熔體中堆積，形成濃度梯度

按照分凝系數(shù)定義：由于Cl(0)未知，然而為了描述界面粘滯層中雜質(zhì)濃度偏離對固相中的雜質(zhì)濃度的影響，引入有效分凝系數(shù)ke:第17頁/共40頁18當(dāng)/D>>1，ke1，所以為了得到均勻的摻雜分布，可以通過較高的拉晶速率和較低的旋轉(zhuǎn)速率。D:熔液中摻雜的擴(kuò)散系數(shù)第18頁/共40頁19直拉法生長單晶的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：所生長單晶的直徑較大成本相對較低;

通過熱場調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可較好控制電阻率徑向均勻性缺點(diǎn)：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，易引入氧碳雜質(zhì)，不易生長高電阻率單晶（含氧量通常10-40ppm)第19頁/共40頁20二、改進(jìn)直拉生長法—磁控直拉技術(shù)原理：在直拉法(CZ法)單晶生長的基礎(chǔ)上對坩堝內(nèi)的熔體施加磁場，由于半導(dǎo)體熔體是良導(dǎo)體，在磁場作用下受到與其運(yùn)動(dòng)方向相反作用力，于是熔體的熱對流受到抑制。因而除磁體外，主體設(shè)備如單晶爐等并無大的差別。優(yōu)點(diǎn)：減少溫度波動(dòng)；減輕熔硅與坩堝作用；使擴(kuò)散層厚度增大降低了缺陷密度，氧的含量，提高了電阻分布的均勻性。第20頁/共40頁21三、懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）方法：依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長出的單晶之間，通過熔區(qū)的移動(dòng)而進(jìn)行提純和生長單晶。第21頁/共40頁22懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）特點(diǎn)：可重復(fù)生長、提純單晶，單晶純度較CZ法高；無需坩堝、石墨托，污染少；

FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點(diǎn):單晶直徑不及CZ法

第22頁/共40頁23摻雜分布假設(shè)多晶硅棒上的雜質(zhì)摻雜濃度為C0（質(zhì)量濃度），d為硅的比重，S為熔融帶中雜質(zhì)的含量，那么當(dāng)熔融帶移動(dòng)dx距離時(shí)，熔融帶中雜質(zhì)的濃度變化dS為：第23頁/共40頁24區(qū)熔提純

利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿錠長從一端緩慢地移動(dòng)到另一端，重復(fù)多次（多次區(qū)熔）使雜質(zhì)被集中在尾部或頭部，進(jìn)而達(dá)到使中部材料被提純。一次區(qū)熔提純與直拉法后的雜質(zhì)濃度分布的比較（K=0.01）單就一次提純的效果而言，直拉法的去雜質(zhì)效果好第24頁/共40頁25多次區(qū)熔提純

第25頁/共40頁26襯底制備

襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識、晶面加工第26頁/共40頁27整型兩端去除徑向研磨定位面研磨第27頁/共40頁28晶面定向與晶面標(biāo)識由于晶體具有各向異性，不同的晶向，物理化學(xué)性質(zhì)都不一樣，必須按一定的晶向（或解理面）進(jìn)行切割，如雙極器件：{111}面；MOS器件：{100}面。8inch以下硅片需要沿晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導(dǎo)電類型。1．主參考面（主定位面，主標(biāo)志面）作為器件與晶體取向關(guān)系的參考；作為機(jī)械設(shè)備自動(dòng)加工定位的參考；作為硅片裝架的接觸位置；2.次參考面（次定位面，次標(biāo)志面）識別晶向和導(dǎo)電類型第28頁/共40頁298inch以下硅片8inch以上硅片第29頁/共40頁30切片、磨片、拋光1．切片將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求的單晶薄片。切片基本決定了晶片的晶向、厚度、平行度、翹度，切片損耗占1/3。2.磨片目的：

去除刀痕與凹凸不平；

改善平整度；使硅片厚度一致；磨料：

要求：其硬度大于硅片硬度。種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等第30頁/共40頁313.拋光目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的“理想”表面。方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光第31頁/共40頁32晶體缺陷缺陷的含義：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷第32頁/共40頁33點(diǎn)缺陷缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。第33頁/共40頁34線缺陷指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，分為刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。刃型位錯(cuò):在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。第34頁/共40頁35螺位錯(cuò):將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個(gè)類似于樓梯拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時(shí)在“剪開線”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯(cuò)線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)螺位錯(cuò)

第35頁/共40頁36面缺陷二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶、晶粒間界以及堆垛層錯(cuò)。孿晶：是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿晶”，此公共晶面就稱孿晶面。晶粒間界則是彼此沒有固定晶向關(guān)系的晶體之間的過渡區(qū)。

孿晶界晶粒間界第36頁/共40頁37堆垛層錯(cuò)是指是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復(fù)堆垛順序在某一層間出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致的沿該層間平面（稱為層錯(cuò)面）兩側(cè)附近原子的錯(cuò)誤