段輝高-2-半導體中的材料、硅片制作流程

1、第二章第二章半導體材料特性半導體材料特性1提綱22.1原子結構原子結構2.2化學鍵化學鍵2.3材料分類材料分類2.4硅硅2.5可選擇的可選擇的半導體材料半導體材料2.6新型半導體電子與光電材料新型半導體電子與光電材料2.1 原子結構原子由三種不同的粒子構成：中性中子和帶正電的質子組成原子核，以及圍繞原子核旋轉的帶負電核的電子，質子數(shù)與電子數(shù)相等呈現(xiàn)中性。圖2.1 碳原子的基本模型3電子能級：原子級的能量單位是電子伏特，它代表一個電子從低電勢處移動到高出1V的的電勢處所獲得的動能。價電子層：原子最外部的電子層就是價電子層，對原子的化學和物理性質具有顯著的影響，只有一個價電子的原子很容易失去這個電

2、子，有7個價電子的原子容易得到一個電子，具有親和力。圖2.2 鈉和氯原子的電子殼層42.2 化學鍵2.2.1離子鍵離子鍵圖2.3 NaCl的離子鍵52.2.2共價鍵共價鍵不同元素的原子共有價電子形成的粒子鍵，原子通過共有電子來使價層完全填充變得穩(wěn)定。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。圖2.4 HCl的共價鍵62.3 材料分類-能帶理論7導體導體 導體在原子的最外層通常有一些束縛松散的價電子，容易失去，金屬典型地具有這種價電子層結構。 在一般的半導體制造中，鋁是最普遍的導體材料，可以用來充當器件之間的互連線，而鎢可作為 金屬層之間的互連材料。 銅是優(yōu)質金屬導體的一個

3、例子，逐漸被引入到硅片制造中取代鋁充當微芯片上不同器件之間的互連材料。8絕緣體絕緣體 絕緣體的價電子層不具有束縛松散的電子可用于導電，它有很高的禁帶寬度來分隔開價帶電子和導帶電子。 半導體制造中的絕緣體包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）和聚酰亞胺（一種塑料材料）。半導體半導體半導體材料具有較小的禁帶寬度,其值介于絕緣體（2eV）和導體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導帶。圓片制造中最重要的半導體材料是硅。9周期表中半導體相關元素周期2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te2.4 硅 硅是一種元素半導體材料，因為它有4

4、個價電子，與其他元素一起位于周期表中的A族。硅中價層電子的數(shù)目使它正好位于優(yōu)質導體（1個價電子）和絕緣體（8個價電子）的中間。11硅的晶體結構10928 地殼中各元素的含量2.4.1 硅作為電子材料的優(yōu)點 原料充分； 硅晶體表面易于生長穩(wěn)定的氧化層，這對于保護硅表面器件或電路的結構、性質很重要； 重量輕，密度只有2.33g/cm3； 熱學特性好，線熱膨脹系數(shù)小，2.510-6/ ，熱導率高，1.50W/cm； 單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好； 化學性質穩(wěn)定，常溫下只有強堿、氟氣反應； 機械性能良好。142.4.2 純硅+4+4+4+4 共價鍵共價鍵有很強的結合力，有很強的結合力，使原子規(guī)

5、則排列，形成晶體。使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。體的導電能力很弱。152.4.3 摻雜硅 在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。 其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴。N型硅在本征硅中摻入五價雜質元素（例如磷、 氮），主要載流子為電子。P型硅在本征

6、硅中摻入三價雜質元素（例如硼、 鎵、銦），主要載流子為空穴。 16 N型硅多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子SiPSiSi17 P型硅空穴空穴硼原子硼原子SiSiSiB硅原子硅原子182.5 可選擇的半導體材料2.5.1 元素半導體Ge、Si 最初大量使用的半導體材料是鍺。1947年第一只晶體管用的就是鍺。但是鍺的禁帶寬度為0 67 V 熱穩(wěn)定性差最高工作溫度只有85。 硅具有很多優(yōu)點，地球上儲量豐富，易于提純，熱穩(wěn)定性好，在表面可生長質量很高的二氧化硅層，工作溫度可達160。硅幾乎成了半導體的代名詞，全球硅集成電路年產值在2400億美元左右。192.5.2 化合物半導體GaAs、InP

7、 砷化鎵等材料的電子遷移率差不多是硅材料的6倍。它們的峰值電子速度也是硅飽和速度的2倍多。禁帶寬度和臨界擊穿場強也比硅高，因此是制造高頻電子器件的理想材料。目前砷化鎵是化合物半導體的主流材料，全球砷化鎵高頻電子器件和電路的年產值24億美元。 磷化銦器件的電子遷移率高達10000 cm2/Vs，比砷化鎵還高，所以其高頻性能更好，工作頻率更高，且有更低的噪聲和更高的增益。目前在100 GHz左右的3mm波段多數(shù)都用磷化銦器件。202.5.3寬帶隙半導體SiC、GaN 碳化硅原子束縛能力非常強，禁帶寬度很寬，機械硬度也很高，在20世紀80年代人們逐步掌握了碳化硅晶體的生長技術后，90年代用于藍光發(fā)光

8、材料，同時以碳化硅材料為基礎的電力電子器件和微波功率器件也相繼問世。 實驗表明，氮化鎵具有更好的發(fā)光性能，因此藍光發(fā)光領域內碳化硅已被氮化鎵代替，目前氮化鎵是藍光和白光發(fā)光器件的主流材料。同時，人們還發(fā)現(xiàn)在微波功率放大領域，氮化鎵的輸出微波功率比砷化鎵和硅高出一個數(shù)量級以上。212.5.4 半導體材料的新探索 隨著材料技術的不斷發(fā)展和成熟，新材料層出不窮。人們可以用三種或四種元素人工合成混晶半導體薄層單晶材料，調節(jié)這些元素的比例就可以得到所想要的不同禁帶寬度和不同晶格常數(shù)，稱此為能帶工程。 金剛石具有最大的禁帶寬度、最高的擊穿場強和最大的熱導率，被稱為最終的半導體。此外，極窄帶隙半導體材料，如

9、InAs（0.36 eV）等，也被人們廣泛研究。 石墨烯與碳納米管等半導體材料。22幾種常見半導體材料的主要特性參數(shù)23更多半導體 有機半導體 非晶半導體24第三章第三章硅片（晶圓）制造流程硅片（晶圓）制造流程2526A：礦石到高純氣體的轉變（石英砂冶煉制粗硅） B：氣體到多晶的轉變C：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉變（拉單晶、晶體生長） D：晶棒到晶圓的制備 u芯片制造的第一階段：材料準備芯片制造的第一階段：材料準備u芯片制造的第二階段：晶體生長和晶圓制備芯片制造的第二階段：晶體生長和晶圓制備27冶煉冶煉SiO2 + C Si + CO得到的是冶金級硅，主要雜質：得到的是冶金級硅，主要雜質：Fe、

10、Al、C、B、P、Cu要進要進一步提純。一步提純。酸洗酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提純是用硅不溶于酸，所以粗硅的初步提純是用HCl、H2SO4、王水，、王水，HF等混酸泡洗至等混酸泡洗至Si含量含量99.7%以上。以上。28精餾提純精餾提純n將酸洗過的硅轉化為將酸洗過的硅轉化為SiHCl3或或 SiCl4，Si + 3HCl （g） SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 SiCl4 好處：好處：常溫下常溫下SiHCl3 與與SiCl4都是氣態(tài)，都是氣態(tài)， SiHCl3的沸點僅為的沸點僅為31n精餾獲得高純的精餾獲得高純的SiHCl3或或SiCl429還原還原 多用多用H2來還原來還原S

11、iHCl3或或SiCl4得到半導體純度的多晶硅：得到半導體純度的多晶硅：SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 原因：原因：氫氣易于凈化，且在氫氣易于凈化，且在Si中溶解度極低中溶解度極低30定義定義:把多晶塊轉變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。按制備時有無使用坩堝分為兩類：按制備時有無使用坩堝分為兩類：n有坩堝的：直拉法、磁控直有坩堝的：直拉法、磁控直 拉法液體掩蓋直拉法；拉法液體掩蓋直拉法；n無坩堝的：懸浮區(qū)熔法無坩堝的：懸浮區(qū)熔法 。31直拉法直拉法Czochralski法法（CZ法）法）方法方法在坩堝中放

12、入多晶硅，加熱使之熔融，用一個夾頭夾住一在坩堝中放入多晶硅，加熱使之熔融，用一個夾頭夾住一塊適當晶向的塊適當晶向的籽晶籽晶，將它懸浮在坩堝上，拉制時，一端插，將它懸浮在坩堝上，拉制時，一端插入熔體直到熔化，然后再緩慢向上提拉，這時入熔體直到熔化，然后再緩慢向上提拉，這時在液在液-固界面固界面經過逐漸冷凝就形成了單晶。經過逐漸冷凝就形成了單晶。起源起源1918年由年由Czochralski從熔融金屬中拉制細燈絲從熔融金屬中拉制細燈絲，50年代年代開發(fā)出與此類似的直拉法生長單晶硅，這是生長單晶硅的開發(fā)出與此類似的直拉法生長單晶硅，這是生長單晶硅的主流主流技術。技術。32直拉法直拉法-Czochra

13、lski法法（CZ法）法）33（2）晶體生長）晶體生長直拉法（直拉法（CZ法）法）三部分組成：三部分組成：爐體部分爐體部分，有坩堝、水冷裝置和拉桿等機械傳動裝置有坩堝、水冷裝置和拉桿等機械傳動裝置 ；加熱控溫系統(tǒng)，加熱控溫系統(tǒng)，有光學高溫計、加熱器、隔熱裝置等；有光學高溫計、加熱器、隔熱裝置等；真空部分，真空部分，有機械泵、擴散泵、測真空計等。有機械泵、擴散泵、測真空計等。 34直拉法（直拉法（CZ法）法）單晶爐單晶爐35直拉法直拉法-Czochralski法法（CZ法）法）CZ法法工藝流程工藝流程準備準備腐蝕清洗多晶腐蝕清洗多晶籽晶準備籽晶準備裝爐裝爐真空操作真空操作 開爐開爐升溫升溫水冷水

14、冷通氣通氣 生長生長引晶引晶縮晶縮晶放肩放肩等徑生長等徑生長收尾收尾 停爐停爐降溫降溫停氣停氣停止抽真空停止抽真空開爐開爐36直拉法（直拉法（CZ法）法）CZ法法工藝流程工藝流程生長部分的步驟生長部分的步驟u引晶引晶 將籽晶與熔體很好的接觸。將籽晶與熔體很好的接觸。 u縮晶縮晶 在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細部分在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細部分 直徑只有直徑只有2-3mm，獲得完好單晶。，獲得完好單晶。 u放肩放肩 將晶體直徑放大至需要的尺寸。將晶體直徑放大至需要的尺寸。u等徑生長等徑生長 拉桿與坩堝反向勻速轉動拉制出等徑單晶。直徑大拉桿與坩堝反向勻速轉動拉制出等徑單晶。直徑

15、大 小由拉升速度、轉速，以及溫度控制。小由拉升速度、轉速，以及溫度控制。 u收尾收尾 結束單晶生長。結束單晶生長。37直拉法（直拉法（CZ法）法）Si棒頭部放大棒頭部放大38液體掩蓋直拉法（液體掩蓋直拉法（LEC法）法）液體掩蓋直拉法用來生長砷化鎵晶體。本質上它和標準的直拉法（CZ）一樣，為砷化鎵做了一定改進。液體掩蓋直拉法使用一層氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面來抑制砷的揮發(fā)。39區(qū)熔法區(qū)熔法直拉法的一個缺點：坩堝中的氧進入晶體。對于有些器件，高水平的氧是不能接受的。懸浮區(qū)熔法是一種無坩堝的晶體生長方法，多晶與單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產生一懸浮的溶區(qū)，多晶硅連續(xù)通過熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與

16、單晶接觸的界面處生長單晶。熔區(qū)的存在是由于融體表面張力的緣故，懸浮區(qū)熔法沒有坩堝的污染，因此能生長出無氧的，純度更高的單晶硅棒。40區(qū)熔法區(qū)熔法41直拉法和直拉法和區(qū)熔法的比較區(qū)熔法的比較42硅棒舉例（北京有色金屬總院）硅棒舉例（北京有色金屬總院）12英寸，等徑長英寸，等徑長400mm，晶體重晶體重81Kg。43摻雜摻雜直拉法摻雜是直接在坩堝內加入含雜質元素的物質。 n摻雜元素的選擇 n摻雜方式n雜質分布 44摻雜摻雜雜質類型的選擇雜質類型的選擇A：摻雜元素的選擇摻雜元素的選擇硼、磷硼、磷P-型摻雜、型摻雜、N型摻雜型摻雜45摻雜摻雜n液相摻雜n直接摻元素直接摻元素n母合金摻雜母合金摻雜 n氣

17、相摻雜 n中子輻照（NTD）摻雜中子嬗變摻雜技術。B：摻雜方式摻雜方式46摻雜摻雜將雜質元素先制成硅的合金（如硅銻合金，硅硼合金），再按所需的計量摻入合金。n這種方法適于制備一般濃度的摻雜。B2：母合金摻雜：母合金摻雜B1：直接摻雜：直接摻雜在晶體生長時，將一定量的雜質原子加入熔融液中，以獲得所需的摻雜濃度47摻雜摻雜n硅有三種同位素：28Si 92.2% , 29Si 4.7% ,30Si 3.0%，其中30Si有中子嬗變現(xiàn)象： 30Si 31Si+ 31Si 31P+n31P是穩(wěn)定的施主雜質，對單晶棒進行中子輻照，就能獲得均勻的n型硅。B2：中子輻照（：中子輻照（NTD）摻雜）摻雜48晶體準備（直徑滾磨、晶體定向、導電類型檢查晶體準備（直徑滾磨、晶體定向、導電類型檢查和電阻率檢查）和電阻率檢查）切片切片研磨研磨化學機械拋光（化學機械拋光（CMP）背處理背處理雙面拋光雙面拋光邊緣倒角邊緣倒角拋光拋光檢驗檢驗氧化或外延工藝氧化或外延工藝打包封裝打包封裝硅片制備工藝流程（從晶棒到空白硅片）：硅片制備工藝流程（從晶棒到空白硅片）：49直徑滾磨直徑滾磨晶體定向晶體定向是由x射線衍射或平