光電子器件工藝

1、第第2 2章章 晶體材料生長晶體材料生長1.1.單晶硅的生長技術(shù)單晶硅的生長技術(shù)2.2.砷化鎵晶體的生長技術(shù)砷化鎵晶體的生長技術(shù)3.3.材料外延技術(shù)（材料外延技術(shù)（MBE, MOCVDMBE, MOCVD）2.1.2.1.單晶硅的生長技術(shù)單晶硅的生長技術(shù)2.1.12.1.1晶圓制備晶圓制備晶圓制備生產(chǎn)流程：晶圓制備生產(chǎn)流程：獲取多晶獲取多晶晶體生長晶體生長硅片制備硅片制備芯片制造階段芯片制造階段硅晶圓制備的四個階段硅晶圓制備的四個階段AA、B B、C C、D Dl 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A A：礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變（石英砂冶煉制粗硅）：礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變（石

2、英砂冶煉制粗硅）B B：氣體到多晶的轉(zhuǎn)變：氣體到多晶的轉(zhuǎn)變l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C C：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變（拉單晶、晶體生長）：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變（拉單晶、晶體生長）D D：晶棒到晶圓的制備：晶棒到晶圓的制備ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)圖 4.9 晶面的密勒指數(shù) 用來描述硅晶體平面及其方向的參數(shù)稱作密勒指數(shù)，其中（）用來表示特殊的平面，而表示對應的方向。2.1.12.1.1晶圓制備（晶圓制備（1 1）獲取多晶獲取多晶第一階段：材料準備第一階段：材料準備A A：礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變：礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變冶

3、煉冶煉 SiO SiO2 2 + CSi + CO+ CSi + CO得到的是冶金級硅，主要雜質(zhì)：Fe、Al、C、B、P、Cu ， 要進一步提純。酸洗酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提純是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。精餾提純精餾提純將酸洗過的硅轉(zhuǎn)化為將酸洗過的硅轉(zhuǎn)化為SiHClSiHCl3 3或或SiClSiCl4 4， Si+ 3HClSi+ 3HCl（g g氣體）氣體）SiHClSiHCl3 3 + H + H2 2 Si+ 2Cl Si+ 2Cl2 2 SiCl SiCl4 4 好處：好處：常溫下常溫下SiHClSiHCl3 3 與與SiClSiCl

4、4 4都是氣態(tài)，都是氣態(tài)， SiHCl SiHCl3 3的沸點的沸點僅為僅為3131精餾獲得高純的精餾獲得高純的SiHClSiHCl3 3或或SiClSiCl4 4B B：氣體到多晶的轉(zhuǎn)變：氣體到多晶的轉(zhuǎn)變還原還原多用多用H H2 2來還原來還原SiHClSiHCl3 3或或SiClSiCl4 4得到半導體純度的多晶硅：得到半導體純度的多晶硅： SiClSiCl4 4 + 2H+ 2H2 2 Si + 4HCl Si + 4HCl SiHCl SiHCl3 3 + H+ H2 2 Si + 3HCl Si + 3HCl原因：原因：氫氣易于凈化，且在氫氣易于凈化，且在SiSi中溶中溶解度極低解度

5、極低2.1.12.1.1晶圓制備（晶圓制備（2 2）晶體生長晶體生長第二階段：晶體生長和晶圓制備第二階段：晶體生長和晶圓制備定義定義: : 把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，給予正確的定向和把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的適量的N N型或型或P P型摻雜，叫做晶體生長。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、磁控直拉法、有坩堝的：直拉法、磁控直拉法、 液體掩蓋直拉法；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。直拉法直拉法CzochralskiCzochralski法（法（CZCZ法）法）起源起源19181

6、918年由年由CzochralskiCzochralski從熔融金屬中拉制細燈絲，從熔融金屬中拉制細燈絲，5050年代開發(fā)出與此類似的直拉法生長單晶硅，這是生年代開發(fā)出與此類似的直拉法生長單晶硅，這是生長單晶硅的主流技術(shù)。長單晶硅的主流技術(shù)。方法方法在坩堝中放入多晶硅，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籽晶，將它懸浮在坩堝上，拉制時，一端插塊適當晶向的籽晶，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，這時在液入熔體直到熔化，然后再緩慢向上提拉，這時在液- -固界面固界面經(jīng)過逐漸冷凝就形成了單晶。經(jīng)過逐漸冷凝就形成

7、了單晶。 CZ CZ 拉晶儀拉晶儀熔爐熔爐石英坩堝：盛熔融硅液；石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；加熱裝置：加熱裝置：RFRF線圈；線圈；拉晶裝置拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；環(huán)境控制系統(tǒng)環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供應系統(tǒng)氣路供應系統(tǒng)流量控制器流量控制器排氣系統(tǒng)排氣系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng)籽晶熔融多晶硅熱屏蔽水套單晶硅石英坩鍋碳加熱部件單晶拉伸與轉(zhuǎn)動機械CZ CZ 法法圖 4.10 CZ直拉單晶爐 Photo 4.1

8、 用CZ 法生長的硅錠 Photo 4.2 CZ 拉單晶爐CZCZ法工藝流程法工藝流程 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1.1.熔硅熔硅將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化 ；注意事項：熔硅時間不易長；注意事項：熔硅時間不易長；2.2.引晶引晶將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱“烤晶烤晶”，以除去表面揮發(fā)，以除去表面揮發(fā)性性雜質(zhì)同時可減少熱沖擊。當溫

9、度穩(wěn)定時，可將籽晶與熔體接觸，籽晶向上拉，雜質(zhì)同時可減少熱沖擊。當溫度穩(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；控制溫度使熔體在籽晶上結(jié)晶； 拉晶過程拉晶過程將籽晶與熔體很好的接觸。將籽晶與熔體很好的接觸。3.收頸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的部指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細的部分。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。頸一般要長于錯的延伸。頸一般要長于20mm20mm。 4.4.放肩放肩縮頸工藝完成后，略降低溫度（縮頸工藝完成后，略降低溫

10、度（15-4015-40） ，讓晶體逐漸長大到，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為所需的直徑為止。這稱為“放肩放肩”。5.5.等徑生長等徑生長： 當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增當晶體直徑到達所需尺寸后，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。此時要嚴格控制溫度和拉速。要嚴格控制溫度和拉速。收晶：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。不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。

11、液體掩蓋直拉法（液體掩蓋直拉法（LECLEC法）法）液體掩蓋直拉法用來液體掩蓋直拉法用來生長砷化鎵晶體。生長砷化鎵晶體。本質(zhì)上它和標準的直拉法本質(zhì)上它和標準的直拉法（CZCZ）一樣，為砷化鎵做）一樣，為砷化鎵做了一定改進。了一定改進。液體掩蓋直拉法使用一層氧化硼液體掩蓋直拉法使用一層氧化硼（B B2 2O O3 3）漂浮在熔融物上面來抑制）漂浮在熔融物上面來抑制砷的揮發(fā)。砷的揮發(fā)。直拉法的一個缺點直拉法的一個缺點： 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。是不能接受的。 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法是一種是一種無坩堝無坩堝的晶體生長方法，

12、多晶與的晶體生長方法，多晶與 單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產(chǎn)生一懸浮的溶單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產(chǎn)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)與單晶接觸區(qū)，多晶硅連續(xù)通過熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與單晶接觸 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。長出無氧的，純度更高的單晶硅棒。區(qū)熔法區(qū)熔法 區(qū)熔法生長單晶硅區(qū)熔法生長單晶硅錠是把摻雜好的多晶硅錠是把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個模型里。一棒鑄在一個模型里。一個籽晶固定到一端后放

13、個籽晶固定到一端后放進生長爐中。用射頻線進生長爐中。用射頻線圈加熱籽晶與硅棒接觸圈加熱籽晶與硅棒接觸區(qū)域。區(qū)域。區(qū)區(qū) 熔熔 法法RF氣體入口 (惰性)熔融區(qū)可移動RF 線圈多晶棒 (硅) 籽晶惰性氣體出口卡盤卡盤圖 4.11區(qū)熔法晶體生長示意圖 直拉法和區(qū)熔法的比較直拉法和區(qū)熔法的比較硅棒舉例（北京有色金屬總院）硅棒舉例（北京有色金屬總院）1212英寸，等徑長英寸，等徑長400mm400mm，晶體重晶體重81Kg81Kg。晶圓尺寸和參數(shù)表 4.3 88 die200-mm wafer232 die300-mm wafer更大直徑硅片上芯片數(shù)的增長圖 4.13 摻雜摻雜直拉法摻雜是直接在坩堝內(nèi)加

14、入含雜質(zhì)元素的物直拉法摻雜是直接在坩堝內(nèi)加入含雜質(zhì)元素的物質(zhì)。質(zhì)。摻雜元素的選擇摻雜元素的選擇摻雜方式摻雜方式雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布A A：摻雜元素的選擇：摻雜元素的選擇雜質(zhì)類型的選擇雜質(zhì)類型的選擇硼、磷硼、磷 P- P-型摻雜型摻雜 、N N型摻雜型摻雜液相摻雜液相摻雜 直接摻元素直接摻元素 母合金摻雜母合金摻雜氣相摻雜氣相摻雜B1B1：直接摻雜：直接摻雜 在晶體生長時，將一定量的雜質(zhì)原子加入熔融液在晶體生長時，將一定量的雜質(zhì)原子加入熔融液中，以獲得所需的摻雜濃度。中，以獲得所需的摻雜濃度。將雜質(zhì)元素先制成硅的合金（如硅銻合金，硅硼合金），將雜質(zhì)元素先制成硅的合金（如硅銻合金，硅硼合金），再按所需

15、的計量摻入合金。再按所需的計量摻入合金。這種方法適于制備一般濃度的摻雜。這種方法適于制備一般濃度的摻雜。B2B2：母合金摻雜：母合金摻雜 將雜質(zhì)元素先制成硅的合金（如硅銻合金，硅硼合金），將雜質(zhì)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。再按所需的計量摻入合金。 這種方法適于制備一般濃度的摻雜。這種方法適于制備一般濃度的摻雜。 CZ CZ法的特點是工藝成熟，能較好地拉制法的特點是工藝成熟，能較好地拉制低位錯、大直低位錯、大直徑的硅單晶徑的硅單晶。缺點是難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜。缺點是難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜質(zhì)污染。質(zhì)污染。 為了在最后得到所需電阻率的

16、晶體，摻雜材料被加到拉為了在最后得到所需電阻率的晶體，摻雜材料被加到拉單晶爐的熔體中，晶體生長中最常用的摻雜雜質(zhì)是生產(chǎn)單晶爐的熔體中，晶體生長中最常用的摻雜雜質(zhì)是生產(chǎn)p p型型硅的三價硼或者生產(chǎn)硅的三價硼或者生產(chǎn)n n型硅的五價磷。硅中的摻雜濃度范圍型硅的五價磷。硅中的摻雜濃度范圍可以用字母和上標來表示，如下表所示。可以用字母和上標來表示，如下表所示。表 4.2 硅摻雜濃度術(shù)語 2.1.12.1.1晶圓制備晶圓制備（3 3）硅片制備）硅片制備硅片制備工藝流程（硅片制備工藝流程（從晶棒到空白硅片從晶棒到空白硅片）：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

17、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（CMPCMP）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晶體生長整形切片磨片倒角刻蝕拋光清洗檢查包裝硅片制備硅片制備圖 4.19 硅片制備的基本工藝步驟整型整型兩端去除兩端去除徑向研磨徑向研磨定位面研磨P-type (111)P-type (100)N-type (111)N-type (100)圖 4.21 硅片標識定位邊 硅片上的成品率成品率 =66 good die88 total die= 75%圖 4.14 1234567890定位槽 被刻印的標識數(shù)

18、字圖 4.22 硅片定位槽和激光刻印 切片鋸刃圖 4.23 內(nèi)園切割機磨片和倒角圖 4.24 拋光的晶圓邊緣刻 蝕圖 4.25 用于去除硅片表面損傷的化學刻蝕拋 光上拋光墊下拋光墊硅片磨料圖 4.26 雙面硅片拋光質(zhì)質(zhì) 量量 測測 量量物理尺寸物理尺寸平整度平整度微粗糙度微粗糙度氧含量氧含量晶體缺陷晶體缺陷顆粒顆粒體電阻率體電阻率 改進的硅片要求 正偏差負偏差真空吸盤硅片參考平面 平整度平整度 平整度是硅片最主要的參數(shù)之一，主平整度是硅片最主要的參數(shù)之一，主要因為拋光工藝對局部位置的平整度是非常敏感要因為拋光工藝對局部位置的平整度是非常敏感的，硅片平整度是指在通過硅片的直線上的厚度的，硅片平整

19、度是指在通過硅片的直線上的厚度變化。它是通過硅片上的表面和一個規(guī)定參考面變化。它是通過硅片上的表面和一個規(guī)定參考面的距離得到的。的距離得到的。圖 4.27 硅片變形外 延 層 在某些情況下，需要硅片有非常純的與襯底有相同晶在某些情況下，需要硅片有非常純的與襯底有相同晶體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)( (單晶單晶) )的硅表面。還需要保持對雜質(zhì)類型和濃度的的硅表面。還需要保持對雜質(zhì)類型和濃度的控制。這需要通過在硅表面淀積一個外延層來實現(xiàn)?？刂啤＿@需要通過在硅表面淀積一個外延層來實現(xiàn)。 在硅外延過程中硅基片作為籽晶，在硅片上面生長一在硅外延過程中硅基片作為籽晶，在硅片上面生長一薄層硅。新的外延層會復制硅片的晶體結(jié)構(gòu)

20、。外延層可以薄層硅。新的外延層會復制硅片的晶體結(jié)構(gòu)。外延層可以是是n n型也可以是型也可以是p p型，并不依賴原始硅片的摻雜類型。型，并不依賴原始硅片的摻雜類型。 硅外延發(fā)展的起因是為了提高雙極器件和集成電路的硅外延發(fā)展的起因是為了提高雙極器件和集成電路的性能，例如，可以在優(yōu)化性能，例如，可以在優(yōu)化pnpn結(jié)的擊穿電壓的同時降低集電結(jié)的擊穿電壓的同時降低集電極串連電阻；在極串連電阻；在COMSCOMS集成電路中可以將閂鎖效應降到最低。集成電路中可以將閂鎖效應降到最低。 在外延層上制造器件可以解決集電在外延層上制造器件可以解決集電結(jié)的耐壓和集電極串連電阻對襯底摻雜濃度結(jié)的耐壓和集電極串連電阻對襯

21、底摻雜濃度的相互矛盾的相互矛盾EXXmc1Xmc2n-epin+pn+Si襯底Rc器器 件件 隔隔 離離P-SubP+P+P+N-epiN-epiN+PN+pP-SubN-epi單晶硅層外延層硅園片 外延層的厚度用于高速數(shù)字電路的典型外延層的厚度用于高速數(shù)字電路的典型厚度是厚度是0.50.5到到5 5m m；用于硅功率器件的典型厚度是；用于硅功率器件的典型厚度是5050到到100100m m。圖 4.29 硅外延層的結(jié)構(gòu)小 結(jié) 制造芯片的硅是一種在原子層面上有著重復制造芯片的硅是一種在原子層面上有著重復FCCFCC金剛石晶胞結(jié)構(gòu)的晶體。晶向由密勒指數(shù)確金剛石晶胞結(jié)構(gòu)的晶體。晶向由密勒指數(shù)確定，定，(100)(100)方向是方向是MOSMOS器件最常用的，而器件最常用的，而(111)(111)則則是雙極器件常用的。為了生產(chǎn)芯片的需要，通過是雙極器件常用的。為了生產(chǎn)芯片的需要，通過使用使用CZCZ法將多晶硅轉(zhuǎn)變成制造所需的單晶硅錠。法將多晶硅轉(zhuǎn)變成制造所需的單晶硅錠。 硅錠直徑這些年一直在增長，以便在一個硅片硅錠直徑這些年一直在增長，以便在一個硅片上能做更多的器件并且通過規(guī)模經(jīng)濟降低成本。上能做更多的器件并且通過規(guī)模經(jīng)濟降低成本。生長中主要需要控制的晶體缺陷是點缺陷、位錯生長中主要需要控制的晶體缺陷是點缺陷、位