第2章半導(dǎo)體材料

1、1一、晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)二、晶面與晶向二、晶面與晶向三、晶體中的缺陷和雜質(zhì)三、晶體中的缺陷和雜質(zhì)四、單晶硅的制備四、單晶硅的制備五、晶圓加工五、晶圓加工第2章 半導(dǎo)體材料2 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體可分為單晶和多晶，若在整塊材料中，原子都是規(guī)晶體可分為單晶和多晶，若在整塊材料中，原子都是規(guī)則的、周期性的重復(fù)排列的，一種結(jié)構(gòu)貫穿整體，這樣的晶則的、周期性的重復(fù)排列的，一種結(jié)構(gòu)貫穿整體，這樣的晶體稱為單晶，如石英單晶，硅單晶，巖鹽單晶等。多晶是由體稱為單晶，如石英單晶，硅單晶，巖鹽單晶等。多晶是由大量微小的單晶隨機(jī)堆砌成的整塊材料。實(shí)際的晶體絕大部大量微小的單晶隨機(jī)堆砌成的整塊材料。實(shí)際的晶體絕大

2、部分是多晶，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。由于多晶中各分是多晶，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。由于多晶中各晶粒排列的相對(duì)取晶粒排列的相對(duì)取 向各不相同，其宏觀性質(zhì)往往表現(xiàn)為各向各不相同，其宏觀性質(zhì)往往表現(xiàn)為各 向同性，外形也不具有規(guī)則性。向同性，外形也不具有規(guī)則性。3 半導(dǎo)體材料硅、鍺等都屬金剛石結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)可以半導(dǎo)體材料硅、鍺等都屬金剛石結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)可以看成是沿體對(duì)角線相互錯(cuò)開(kāi)四分之一對(duì)角線長(zhǎng)度的面心立方看成是沿體對(duì)角線相互錯(cuò)開(kāi)四分之一對(duì)角線長(zhǎng)度的面心立方 元胞套構(gòu)而成的。元胞套構(gòu)而成的。4晶面與晶向晶面與晶向 晶體具有各向異性的特征，在研究晶體的物理特征時(shí)，晶體具有各向異性的特征，

3、在研究晶體的物理特征時(shí)，通常必須標(biāo)明是位于什么方位的面上或沿晶體的什么方向，通常必須標(biāo)明是位于什么方位的面上或沿晶體的什么方向，為此引入晶面與晶向的概念。為了便于確定和區(qū)別晶體中不為此引入晶面與晶向的概念。為了便于確定和區(qū)別晶體中不同方位的晶向和晶面，國(guó)際上通用密勒指數(shù)來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定晶向同方位的晶向和晶面，國(guó)際上通用密勒指數(shù)來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。指數(shù)與晶面指數(shù)。1.晶向指數(shù)：晶向指數(shù)： 以晶胞的某一陣點(diǎn)以晶胞的某一陣點(diǎn)O為原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)為原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)O設(shè)定坐標(biāo)軸設(shè)定坐標(biāo)軸X、Y、Z，以晶胞點(diǎn)陣矢量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位；過(guò)，以晶胞點(diǎn)陣矢量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位；過(guò) 原點(diǎn)原點(diǎn)O作一平行

4、于待定晶向的直線，在該直線上作一平行于待定晶向的直線，在該直線上5選取距原點(diǎn)選取距原點(diǎn)O最近的一個(gè)陣點(diǎn)，確定此點(diǎn)的最近的一個(gè)陣點(diǎn)，確定此點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值；將個(gè)坐標(biāo)值；將這這3個(gè)坐標(biāo)值化為最小整數(shù)個(gè)坐標(biāo)值化為最小整數(shù)u，v，w，加以方括號(hào)。，加以方括號(hào)。u v w即為待定晶向的晶向指數(shù)。即為待定晶向的晶向指數(shù)。 晶向指數(shù)代表所有相互平行、方向一致的晶向。晶向指數(shù)代表所有相互平行、方向一致的晶向。 62.晶面指數(shù)晶面指數(shù) 在點(diǎn)陣中設(shè)定參考坐標(biāo)系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)在點(diǎn)陣中設(shè)定參考坐標(biāo)系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同；選出晶面族中不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的晶面，確定該晶面在各坐相同；選出晶面族中不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的晶

5、面，確定該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距；取各截距的倒數(shù)；將三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)標(biāo)軸上的截距；取各截距的倒數(shù)；將三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號(hào)，即表示該晶面的指數(shù)，記為比，并加上圓括號(hào)，即表示該晶面的指數(shù)，記為( h k l )。 當(dāng)晶面的某一截距為負(fù)數(shù)時(shí)，在相應(yīng)的指數(shù)上部加當(dāng)晶面的某一截距為負(fù)數(shù)時(shí)，在相應(yīng)的指數(shù)上部加“-”號(hào)。當(dāng)晶面與某一坐標(biāo)軸平行時(shí)，則認(rèn)為晶面與該軸的截距號(hào)。當(dāng)晶面與某一坐標(biāo)軸平行時(shí)，則認(rèn)為晶面與該軸的截距 為為，其倒數(shù)為，其倒數(shù)為0。7 晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表所有相互晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表所有相互平行的晶面。平行的晶面。8晶體中的缺陷晶體

6、中的缺陷 按在空間的幾何構(gòu)型可將缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面按在空間的幾何構(gòu)型可將缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。缺陷和體缺陷。 1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷是以晶體中空位、間隙原子、雜質(zhì)原子為中心，點(diǎn)缺陷是以晶體中空位、間隙原子、雜質(zhì)原子為中心，在一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)的微觀區(qū)域內(nèi)，晶格結(jié)構(gòu)偏離嚴(yán)格周在一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)的微觀區(qū)域內(nèi)，晶格結(jié)構(gòu)偏離嚴(yán)格周期性而形成的畸變區(qū)域。期性而形成的畸變區(qū)域。 2線缺陷線缺陷 晶體內(nèi)部偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一維缺陷為線缺陷。晶晶體內(nèi)部偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一維缺陷為線缺陷。晶 體中最重要的一種線缺陷是位錯(cuò)。體中最重要的一種線缺陷是位錯(cuò)。9 3面缺陷和體缺陷面缺陷和

7、體缺陷 對(duì)于晶體來(lái)講，還存在面缺陷（層錯(cuò)）和體缺陷（包對(duì)于晶體來(lái)講，還存在面缺陷（層錯(cuò)）和體缺陷（包裹體）等。由于堆積次序發(fā)生錯(cuò)亂形成的缺陷叫做堆垛層裹體）等。由于堆積次序發(fā)生錯(cuò)亂形成的缺陷叫做堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。層錯(cuò)是一種區(qū)域性的缺陷，在層錯(cuò)以外的錯(cuò)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。層錯(cuò)是一種區(qū)域性的缺陷，在層錯(cuò)以外的原子都是有規(guī)則排列的，它是一種面缺陷。當(dāng)摻入晶體中原子都是有規(guī)則排列的，它是一種面缺陷。當(dāng)摻入晶體中的雜質(zhì)超過(guò)晶體的固溶度時(shí)，雜質(zhì)將在晶體中沉積，形成的雜質(zhì)超過(guò)晶體的固溶度時(shí)，雜質(zhì)將在晶體中沉積，形成體缺陷。體缺陷。10晶體中的雜質(zhì)晶體中的雜質(zhì) 實(shí)踐表明，極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料實(shí)踐表明

8、，極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。1施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 向硅中摻入磷，磷原子占據(jù)了硅原子的位置，其結(jié)果向硅中摻入磷，磷原子占據(jù)了硅原子的位置，其結(jié)果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的價(jià)電子。這種雜質(zhì)，我是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的價(jià)電子。這種雜質(zhì)，我們稱它為施主雜質(zhì)或們稱它為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。型雜質(zhì)。112受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 向硅中摻如硼，硼原子占據(jù)了硅原子的位置，其結(jié)果是向硅中摻如硼，硼原子占據(jù)了硅原子的位置，其結(jié)果是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)多余的空位。這種雜質(zhì)，我們稱它形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)多余的空位。這種雜質(zhì)，我們

9、稱它為受主雜質(zhì)或?yàn)槭苤麟s質(zhì)或p型雜質(zhì)。型雜質(zhì)。12多晶硅的制備多晶硅的制備 現(xiàn)今，現(xiàn)今，300mm的的wafer技術(shù)已經(jīng)成熟，隨著直徑的技術(shù)已經(jīng)成熟，隨著直徑的增大，其制造難度也相應(yīng)提高。增大，其制造難度也相應(yīng)提高。高溫氯化高溫氯化233HSiHClHClSi（粗硅）低純?nèi)葰涔璧图內(nèi)葰涔杼峒兲峒兏呒內(nèi)葰涔韪呒內(nèi)葰涔韪邷靥歼€原高溫碳還原COSiCSiO222粗硅粗硅石英石石英石高溫氫還原高溫氫還原HClSiHSiHCl323高純硅高純硅13生長(zhǎng)單晶硅生長(zhǎng)單晶硅 目前制備單晶硅的主要方法有柴氏拉晶法（即目前制備單晶硅的主要方法有柴氏拉晶法（即CZ法）法）和懸浮區(qū)熔法，和懸浮區(qū)熔法，85%以

10、上的單晶硅是采用以上的單晶硅是采用CZ法生長(zhǎng)出來(lái)法生長(zhǎng)出來(lái)的。的。1.單晶爐單晶爐 單晶爐可分為四個(gè)部分：爐體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱溫單晶爐可分為四個(gè)部分：爐體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)以及氣體傳送系統(tǒng)?？叵到y(tǒng)以及氣體傳送系統(tǒng)。 爐體包括了爐腔、籽晶軸、石英坩堝、摻雜勺、籽晶罩、爐體包括了爐腔、籽晶軸、石英坩堝、摻雜勺、籽晶罩、觀察窗幾個(gè)部分。爐腔是為了保證爐內(nèi)溫度均勻分布以觀察窗幾個(gè)部分。爐腔是為了保證爐內(nèi)溫度均勻分布以 及很好的散熱；籽晶軸的作用是帶動(dòng)籽晶上下移動(dòng)和及很好的散熱；籽晶軸的作用是帶動(dòng)籽晶上下移動(dòng)和14旋轉(zhuǎn)；摻雜勺內(nèi)放有需要摻旋轉(zhuǎn)；摻雜勺內(nèi)放有需要摻入的雜質(zhì)；籽晶罩是為了保入的

11、雜質(zhì)；籽晶罩是為了保護(hù)籽晶不受污染。機(jī)械傳動(dòng)護(hù)籽晶不受污染。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要是控制籽晶和坩堝系統(tǒng)主要是控制籽晶和坩堝的運(yùn)動(dòng)。為了保證的運(yùn)動(dòng)。為了保證Si溶液不溶液不被氧化，對(duì)爐內(nèi)的真空度要被氧化，對(duì)爐內(nèi)的真空度要求很高，一般在求很高，一般在5Torr以上，以上，加入的惰性氣體純度需在加入的惰性氣體純度需在 99.9999%以上。以上。152生長(zhǎng)過(guò)程生長(zhǎng)過(guò)程（1）準(zhǔn)備工作）準(zhǔn)備工作 多晶硅的純度要很高，還要用氫氟酸對(duì)其進(jìn)行拋光達(dá)到多晶硅的純度要很高，還要用氫氟酸對(duì)其進(jìn)行拋光達(dá)到清洗的目的；籽晶上的缺陷會(huì)清洗的目的；籽晶上的缺陷會(huì)“遺傳遺傳”給新生長(zhǎng)的晶體，所給新生長(zhǎng)的晶體，所以在選擇籽晶時(shí)要注意

12、避開(kāi)缺陷；籽晶的晶向和所要生長(zhǎng)的以在選擇籽晶時(shí)要注意避開(kāi)缺陷；籽晶的晶向和所要生長(zhǎng)的晶體相同；籽晶要經(jīng)過(guò)清洗；根據(jù)待生長(zhǎng)晶體的導(dǎo)電類型選晶體相同；籽晶要經(jīng)過(guò)清洗；根據(jù)待生長(zhǎng)晶體的導(dǎo)電類型選擇要摻入的雜質(zhì)；清洗雜質(zhì)；所有經(jīng)過(guò)清洗的材料用高純度擇要摻入的雜質(zhì)；清洗雜質(zhì)；所有經(jīng)過(guò)清洗的材料用高純度的去離子水沖洗至中性，然后烘干，以備后用。的去離子水沖洗至中性，然后烘干，以備后用。16（2）裝爐）裝爐 將經(jīng)過(guò)粉碎的多晶硅裝入石英坩堝內(nèi)；把籽晶夾到籽晶將經(jīng)過(guò)粉碎的多晶硅裝入石英坩堝內(nèi)；把籽晶夾到籽晶軸的夾頭上，蓋好籽晶罩；將爐內(nèi)抽為真空并沖入惰性氣體；軸的夾頭上，蓋好籽晶罩；將爐內(nèi)抽為真空并沖入惰性氣體

13、；檢測(cè)爐體的漏氣率是否合格。檢測(cè)爐體的漏氣率是否合格。（3）加熱熔硅）加熱熔硅 真空度符合要求，充滿惰性氣體就開(kāi)始加熱。一般是用真空度符合要求，充滿惰性氣體就開(kāi)始加熱。一般是用高頻線圈或電流加熱器來(lái)加熱的，后者常用于大直徑硅棒的高頻線圈或電流加熱器來(lái)加熱的，后者常用于大直徑硅棒的拉制。在拉制。在1420的溫度下把多晶和摻雜物加熱到熔融狀的溫度下把多晶和摻雜物加熱到熔融狀 態(tài)。態(tài)。17（4）拉晶）拉晶 拉晶過(guò)程分為以下五個(gè)步驟。拉晶過(guò)程分為以下五個(gè)步驟。 引晶，也叫下種。先將溫度下降引晶，也叫下種。先將溫度下降到比到比1420稍低一些的溫度，將籽稍低一些的溫度，將籽晶下降至距液面幾毫米處，對(duì)籽晶

14、進(jìn)晶下降至距液面幾毫米處，對(duì)籽晶進(jìn)行行23min的預(yù)熱，使熔融硅與籽的預(yù)熱，使熔融硅與籽晶間溫度平衡。預(yù)熱后，使籽晶與熔晶間溫度平衡。預(yù)熱后，使籽晶與熔融硅液面接觸，引晶完成。融硅液面接觸，引晶完成。18 縮頸，引晶結(jié)束后，溫度上升，籽縮頸，引晶結(jié)束后，溫度上升，籽晶旋轉(zhuǎn)上拉出一段直徑為晶旋轉(zhuǎn)上拉出一段直徑為0.50.7cm的新單晶，這段單晶的直徑比籽晶細(xì)。的新單晶，這段單晶的直徑比籽晶細(xì)。縮頸的目的是為了消除籽晶原有的缺陷縮頸的目的是為了消除籽晶原有的缺陷或引晶時(shí)由于溫度變化引起的新生缺陷。或引晶時(shí)由于溫度變化引起的新生缺陷。縮頸時(shí)的拉速較快一些，但不宜過(guò)快?？s頸時(shí)的拉速較快一些，但不宜過(guò)快

15、。拉速過(guò)大或直徑變化太大都容易導(dǎo)致生拉速過(guò)大或直徑變化太大都容易導(dǎo)致生成多晶。成多晶。 19 放肩，縮頸后放慢速度、降低溫度，讓晶體長(zhǎng)大至所需放肩，縮頸后放慢速度、降低溫度，讓晶體長(zhǎng)大至所需直徑。直徑。 等徑生長(zhǎng)，在放肩完成前緩慢升溫，放肩結(jié)束，保持直等徑生長(zhǎng)，在放肩完成前緩慢升溫，放肩結(jié)束，保持直徑生長(zhǎng)單晶。生長(zhǎng)過(guò)徑生長(zhǎng)單晶。生長(zhǎng)過(guò)程中，拉速和溫度都程中，拉速和溫度都要盡可能的穩(wěn)定，以要盡可能的穩(wěn)定，以保證單晶的均勻生長(zhǎng)。保證單晶的均勻生長(zhǎng)。20 收尾，單晶生長(zhǎng)接近結(jié)束時(shí)，適當(dāng)升高溫度，提高拉速，收尾，單晶生長(zhǎng)接近結(jié)束時(shí)，適當(dāng)升高溫度，提高拉速，慢慢減小晶棒直徑，拉出一個(gè)錐形的尾部。其目的是

16、為了避慢慢減小晶棒直徑，拉出一個(gè)錐形的尾部。其目的是為了避免晶棒離開(kāi)熔融液時(shí)急速降溫而產(chǎn)生的缺陷向上延伸。免晶棒離開(kāi)熔融液時(shí)急速降溫而產(chǎn)生的缺陷向上延伸。21單晶硅性能測(cè)試單晶硅性能測(cè)試 生長(zhǎng)好的單晶硅需要經(jīng)過(guò)測(cè)試來(lái)衡量各項(xiàng)參數(shù)是否符合生長(zhǎng)好的單晶硅需要經(jīng)過(guò)測(cè)試來(lái)衡量各項(xiàng)參數(shù)是否符合要求。要求。1物理性能的測(cè)試物理性能的測(cè)試 外觀檢驗(yàn)外觀檢驗(yàn) 晶向檢驗(yàn)晶向檢驗(yàn) 測(cè)量直徑測(cè)量直徑2. 缺陷檢驗(yàn)缺陷檢驗(yàn)223電氣參數(shù)測(cè)試電氣參數(shù)測(cè)試 導(dǎo)電類型的測(cè)試導(dǎo)電類型的測(cè)試 非平衡載流子的測(cè)試非平衡載流子的測(cè)試 23 電阻率的測(cè)試電阻率的測(cè)試 24晶圓加工晶圓加工 晶棒還要經(jīng)過(guò)一系列加工，才能形成符合半導(dǎo)體制

17、造要晶棒還要經(jīng)過(guò)一系列加工，才能形成符合半導(dǎo)體制造要求的硅襯底，即晶圓。加工的基本流程為：外型整理、切片、求的硅襯底，即晶圓。加工的基本流程為：外型整理、切片、倒角、研磨以及拋光等。倒角、研磨以及拋光等。1.外型整理外型整理 （1）切割分段）切割分段 將籽晶部分、肩部、尾部以及目檢后不符合直徑要求的將籽晶部分、肩部、尾部以及目檢后不符合直徑要求的部分切除，需要切除的還有電阻率和結(jié)構(gòu)完整性不符合規(guī)格部分切除，需要切除的還有電阻率和結(jié)構(gòu)完整性不符合規(guī)格的部分。的部分。25（2）徑向研磨）徑向研磨 晶棒的直徑不可能很精確的符合直徑要求，一般都要稍晶棒的直徑不可能很精確的符合直徑要求，一般都要稍大一些

18、，所以需要對(duì)其進(jìn)行徑向研磨。大一些，所以需要對(duì)其進(jìn)行徑向研磨。 26（3）定位面研磨）定位面研磨 一旦晶體在切割塊上定好晶向，就沿著軸滾磨出一個(gè)參一旦晶體在切割塊上定好晶向，就沿著軸滾磨出一個(gè)參考面，其位置沿著一個(gè)重要的晶面，這是通過(guò)晶體定向檢查考面，其位置沿著一個(gè)重要的晶面，這是通過(guò)晶體定向檢查來(lái)確定的。來(lái)確定的。272.切片切片 切片決定了切片決定了wafer的的幾個(gè)特性：厚度、斜度、幾個(gè)特性：厚度、斜度、平行度、翹度。切片的流平行度、翹度。切片的流程為：程為：晶棒固定晶棒固定X射線定位射線定位Wafer拆卸拆卸清洗清洗X射線定位射線定位切片切片內(nèi)圓切割機(jī)內(nèi)圓切割機(jī)283.倒角倒角 倒角就

19、是磨去倒角就是磨去wafer周圍鋒利的棱角，其目的有以下周圍鋒利的棱角，其目的有以下三個(gè)：防止三個(gè)：防止wafer邊緣破裂、防止熱應(yīng)力造成的損傷、增邊緣破裂、防止熱應(yīng)力造成的損傷、增加外延層以及光刻膠在加外延層以及光刻膠在wafer邊緣的平坦度。邊緣的平坦度。 294.研磨研磨 研磨目的是：去除表面的刀痕；消除損傷層；提高平研磨目的是：去除表面的刀痕；消除損傷層；提高平整度，使整度，使wafer薄厚均勻；增加表面平坦度等。薄厚均勻；增加表面平坦度等。305.拋光拋光（1） 拋光，拋光的目標(biāo)是除去表面細(xì)微的損傷層，得到拋光，拋光的目標(biāo)是除去表面細(xì)微的損傷層，得到高平整度的光滑表面。拋光的方法有機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械高平整度的光滑表面。拋光的方法有機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光兩大類，機(jī)械拋光效率太低，而且耗材量大?；瘜W(xué)機(jī)拋光兩大類，機(jī)械拋光效率太低，而且耗材量大?；瘜W(xué)機(jī)械拋光的速度就大有提高，表面質(zhì)量也有所改善。械拋光的速度就大有提高，表面質(zhì)量也有所改善。 31拋光示意圖拋光示意圖32（2）缺陷及平坦度檢查）缺陷及平坦度檢查 拋光后的芯片需要對(duì)表面缺陷以及表面粗糙度進(jìn)行相應(yīng)拋光后的芯片需要對(duì)表面缺陷以及表面粗糙度進(jìn)行相應(yīng)檢查。檢查。 表面缺