半導(dǎo)體制造工藝之晶體的生長概述(共39頁).ppt

1、半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長1半導(dǎo)體器件與工藝半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長2一一、襯底材料的類型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半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長3二、對襯底材料的要求二、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：0.01-105cm，均勻性好縱向、橫向、微區(qū)、可靠性高穩(wěn)定、真實； 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1000個/cm2； 純度高：電子級硅EGS -1/109雜質(zhì)； 晶向：Si:雙極器件-；MOS-； 直徑、平

2、整度、禁帶寬度、遷移率等。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長4Si：含量豐富，占地殼重量含量豐富，占地殼重量25%；單晶單晶Si 生長工藝簡單，目前直徑最大生長工藝簡單，目前直徑最大18英英吋吋450mm氧化特性好，氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做界面性能理想，可做掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣柵等介掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣柵等介質(zhì)材料；質(zhì)材料；易于實現(xiàn)平面工藝技術(shù)；易于實現(xiàn)平面工藝技術(shù)；半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長5Ge：漏電流大，禁帶寬度窄，僅漏電流大，禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.1eV)；工作溫度低，工作溫度低，75Si:1

3、50；GeO2易水解易水解SiO2穩(wěn)定；穩(wěn)定；本征電阻率低：本征電阻率低：47 cmSi: 2.3x105 cm；本錢高。本錢高。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長6Si 的根本特性: 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： 1417oC 原子密度： 5x1022 cm-3 本征載流子濃度：ni=1.45x1010 cm-3 本征電阻率 =2.3x105 cm 電子遷移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴遷移率h=450 cm2/Vs半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長7三、起

4、始材料-石英巖高純度硅砂-SiO2 SiO2+SiCSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金級硅：冶金級硅：98%；Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點為，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點為32，利用分餾法去除雜質(zhì)；利用分餾法去除雜質(zhì)；SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g)，得到電子級硅片狀多晶硅。，得到電子級硅片狀多晶硅。 300oC半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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：順時針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；拉晶裝置籽晶夾持器：夾

5、持籽晶單晶；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供給系統(tǒng)流量控制器排氣系統(tǒng)電子控制反響系統(tǒng)半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長9拉晶過程熔硅將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化 ；本卷須知：熔硅時間不易長；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，以除去外表揮發(fā)性雜質(zhì)同時可減少熱沖擊。當(dāng)溫度穩(wěn)定時，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； 半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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)原有位錯的延伸。頸一般要長于20mm。 半導(dǎo)體制備工藝原理第一

6、章第一章 晶體生長晶體生長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。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長125. 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。此時要嚴(yán)格控制溫度和拉速。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長14硅片摻雜目的：使硅片具有一定電阻率 比方： N/P型硅片 1-100 cm分凝現(xiàn)象：

7、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k01，ke 1， 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) 00000vCCdxdCDCCsx,CCxslxll時，時，邊界條件： slslD/vxCCCCe0半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長19直拉法生長單晶的特點直拉法生長單晶的特點優(yōu)點：所生長單晶的直徑較大本錢相對較低; 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

8、控制 電阻率徑向均勻性缺點：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)半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長20二、改進(jìn)直拉生長法二、改進(jìn)直拉生長法磁控直拉技術(shù)磁控直拉技術(shù)原理： 在直拉法(CZ法)單晶生長的根底上對坩堝內(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異。優(yōu)點：減少溫度波動；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。 半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第

9、一章 晶體生長晶體生長21三、懸浮區(qū)熔法float-zone，F(xiàn)Z法方法：方法： 依靠熔體外表張力，使熔區(qū)懸浮于多晶依靠熔體外表張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長出與下方長出 的單晶之間，通過熔區(qū)的移動而進(jìn)行提純和生長單晶。的單晶之間，通過熔區(qū)的移動而進(jìn)行提純和生長單晶。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長22懸浮區(qū)熔法float-zone，F(xiàn)Z法特點：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: 單晶直徑不及CZ法 半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長23摻雜分布dxLSkAdxCdSed 0 Lxk

10、eseekCC/0)1 (1 xsALCeddL/SkACdsdx000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dx距離時，熔融帶中雜質(zhì)的濃度變化dS為：LASkCdes半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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到另一端，重復(fù)屢次屢次區(qū)熔使雜質(zhì)被集中在尾部或頭部，進(jìn)而到達(dá)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 半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長25屢次區(qū)熔提純

11、半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長26襯底制備 襯底制備包括： 整形、晶體定向、晶面標(biāo)識、晶面加工半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長27整型兩端去除徑向研磨定位面研磨半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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。8 inch 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)備自動加工定位的參考； 作為硅片裝架的接觸位置；2. 次參考面

12、次定位面，次標(biāo)志面 識別晶向和導(dǎo)電類型 半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長298 inch 以下硅片8 inch 以上硅片半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長30切片、磨片、拋光切片、磨片、拋光1切片切片 將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定將已整形、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。切片根本決定了晶片的晶向、厚度、要求的單晶薄片。切片根本決定了晶片的晶向、厚度、平行度、翹度，切片損耗占平行度、翹度，切片損耗占1/3。2.磨片磨片目的：目的： 去除刀痕與凹凸不平；去除刀痕與凹凸不平； 改善平整度；改善平整度； 使硅片厚度一致；使硅片厚度一致

13、；磨料：磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。 種類：種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等等半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長313.拋光目的：進(jìn)一步消除外表缺陷，獲得高度平整、光潔及無 損層的“理想外表。方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長32晶體缺陷晶體缺陷缺陷的含義：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點缺陷的含義：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體：格點嚴(yán)格按照空間點陣排列。理想晶體：格點嚴(yán)格按照空間點陣排列。實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)

14、構(gòu)的不完整性。實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長33點缺陷點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。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。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長34線缺陷線缺陷指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)那么性排列所產(chǎn)生的缺陷，即指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)那么性排列所產(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，分為刃型位錯和螺位錯。缺陷尺寸在一維

15、方向較長，另外二維方向上很短，分為刃型位錯和螺位錯。刃型位錯刃型位錯: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，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，沿刀刃方向的位錯為刃型位錯。沿刀刃方向的位錯為刃型位錯。半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長35螺位錯螺位錯:將規(guī)那么排列的晶面剪開但不完全剪斷，然后將剪開的局部其中將規(guī)那么排列的晶面剪開但不完全剪斷，然后將剪開的局部其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個類似于樓梯一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個類似于樓梯 拐角拐角處的排列結(jié)構(gòu)，那么此時在處的排列結(jié)構(gòu)，那么

16、此時在“剪開線終結(jié)處這里已形成一條垂直紙面的剪開線終結(jié)處這里已形成一條垂直紙面的位錯線附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)那么排列結(jié)構(gòu)稱為一個螺位錯線附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)那么排列結(jié)構(gòu)稱為一個螺位錯位錯 半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長36面缺陷面缺陷二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)那么性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)那么性排列而產(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。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。孿晶：是指兩個晶體或一個晶體的兩局部沿一個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，這兩個晶體就稱為“孿晶，此公共晶面就稱孿晶面。晶粒間界那么是彼此沒有固定晶向關(guān)系的晶體之間的過渡區(qū)。 孿晶界晶粒間界半導(dǎo)體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長37堆垛層錯是指是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復(fù)堆垛順序在某一層間出