半導(dǎo)體制造工藝-晶體的生長

1半導(dǎo)體器件與工藝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…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）；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--<111>；MOS--<100>；直徑、平整度、禁帶寬度、遷移率等。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；易于實現(xiàn)平面工藝技術(shù)；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。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：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/Vs7三、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）。

300oC8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)氣路供應(yīng)系統(tǒng)流量控制器排氣系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng)9拉晶過程熔硅將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化

；注意事項：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”，以除去表面揮發(fā)性雜質(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；

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。

11放肩縮頸工工藝完完成后后，略略降低低溫度度（15-40℃），，讓晶晶體逐逐漸長長大到到所需的的直徑徑為止止。這這稱為為“放肩”。12等徑生生長：：當晶晶體直直徑到到達所所需尺尺寸后后，提提高拉拉速，，使晶晶體直直徑不不再增增大，，稱為為收肩肩。收收肩后后保持持晶體體直徑徑不變變，就就是等等徑生生長。。此時時要嚴嚴格控控制溫溫度和和拉速速。13收晶：：晶體體生長長所需需長度度后，，拉速速不變變，升升高熔熔體溫溫度或或熔體體溫度度不變變，加加快拉拉速，，使晶晶體脫脫離熔熔體液液面。。14硅片摻摻雜目的：：使硅硅片具具有一一定電電阻率率（（比比如：：N/P型硅片片1-100·cm）分凝現(xiàn)現(xiàn)象：：由于于雜質(zhì)質(zhì)在固固體與與液體體中的的溶解解度不不一樣樣，所以，，雜質(zhì)質(zhì)在固固-液界面面兩邊邊材料料中分分布的的濃度度是不不同的，這這就是是所謂謂雜質(zhì)質(zhì)的分分凝現(xiàn)現(xiàn)象。分凝系系數(shù):,Cs和Cl分別是是固體體和液液體界界面附附近的的平衡衡摻雜雜濃度度一般情情況下下k0<1。15摻雜分分布假設(shè)熔熔融液液初始始質(zhì)量量為M0，雜質(zhì)質(zhì)摻雜雜濃度度為C0（質(zhì)量量濃度度），，生長過過程中中晶體體的質(zhì)質(zhì)量為為M，雜質(zhì)質(zhì)在晶晶體中中的濃濃度為為Cs，留在熔熔液中中雜質(zhì)質(zhì)的質(zhì)質(zhì)量為為S，那么么熔液液中雜雜質(zhì)的的濃度度Cl為：當晶體體增加加dM的重量量：1617有效分分凝系系數(shù)當結(jié)晶晶速度度大于于雜質(zhì)質(zhì)在熔熔體中中的擴擴散速速度時時，雜雜質(zhì)在在界面面附近近熔體體中堆堆積，，形成成濃度度梯度度按照分分凝系系數(shù)定定義：：由于Cl(0)未知，，然而而為了描描述界界面粘滯層中雜質(zhì)質(zhì)濃度度偏離離對固固相中中的雜雜質(zhì)濃濃度的的影響響，引入有效分分凝系系數(shù)ke:18當/D>>1，ke1，所所以為為了得得到均均勻的的摻雜雜分布布，可可以以通過過較高高的拉拉晶速速率和和較低低的旋旋轉(zhuǎn)速速率。。D:熔液中中摻雜雜的擴擴散系系數(shù)19直拉法法生長長單晶晶的特特點優(yōu)點：：所生生長單單晶的的直徑徑較大大成本本相對對較低低;通過熱熱場調(diào)調(diào)整及及晶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，堝堝轉(zhuǎn)等等工藝藝參數(shù)數(shù)的優(yōu)優(yōu)化，，可較較好控控制電阻率率徑向向均勻勻性缺點：：石英英坩堝堝內(nèi)壁壁被熔熔硅侵蝕及及石墨墨保溫溫加熱熱元件件的影影響，，易引入氧氧碳雜雜質(zhì)，，不易易生長長高電電阻率率單晶晶（含含氧量量通常常10-40ppm)20二、改進直直拉生生長法法—磁控直直拉技技術(shù)原理：：在在直拉拉法(CZ法)單晶生生長的的基礎(chǔ)礎(chǔ)上對對坩堝堝內(nèi)的的熔體體施加加磁場，由由于半半導(dǎo)體體熔體體是良良導(dǎo)體體，在在磁場場作用用下受受到與與其運運動方向向相反反作用用力，，于是是熔體體的熱熱對流流受到到抑制制。因因而除除磁體外外，主主體設(shè)設(shè)備如如單晶晶爐等等并無無大的的差別別。優(yōu)點：：減少少溫度度波動動；減減輕熔熔硅與坩堝堝作用用；使使擴散散層厚厚度增增大降低了了缺陷陷密度度，氧氧的含含量，，提高高了電電阻分分布的的均勻勻性。。21三、懸浮區(qū)區(qū)熔法法（float-zone，F(xiàn)Z法）方法：：依靠熔熔體表表面張張力，，使熔熔區(qū)懸懸浮于于多晶晶Si與下方方長出出的單晶晶之間間，通通過熔熔區(qū)的的移動動而進進行提提純和和生長長單晶晶。22懸浮區(qū)區(qū)熔法法（float-zone，F(xiàn)Z法）特點：：可重重復(fù)生生長、、提純純單晶晶，單單晶純純度較較CZ法高；；無需坩坩堝、、石墨墨托，，污染染少；；FZ單晶：：高純純、高高阻、、低氧氧、低低碳；；缺點:單晶直直徑不不及CZ法23摻雜分分布假設(shè)多多晶硅硅棒上上的雜雜質(zhì)摻摻雜濃濃度為為C0（質(zhì)量量濃度度），，d為硅的的比重重，S為熔融融帶中中雜質(zhì)質(zhì)的含含量，，那么么當熔熔融帶帶移動動dx距離時時，熔熔融帶帶中雜雜質(zhì)的的濃度度變化化dS為：24區(qū)熔提提純利用分分凝現(xiàn)現(xiàn)象將將物料料局部部熔化化形成成狹窄窄的熔熔區(qū)，，并令令其沿沿錠長長從一一端緩緩慢地地移動動到另另一端端，重重復(fù)多多次（（多次次區(qū)熔熔）使使雜質(zhì)質(zhì)被集集中在在尾部部或頭頭部，，進而而達到到使中中部材材料被被提純純。一次區(qū)熔提提純與直拉拉法后的雜雜質(zhì)濃度分分布的比較較（K=0.01）單就一次提提純的效果果而言，直直拉法的去去雜質(zhì)效果果好25多次區(qū)熔提提純26襯底制備襯底制備包包括：整形、晶體體定向、晶晶面標識、、晶面加工工27整型兩端去除徑向研磨定位面研磨28晶面定向與與晶面標識識由于晶體具具有各向異異性，不同同的晶向，，物理化學(xué)學(xué)性質(zhì)都不不一樣，必必須按一定定的晶向（（或解理面面）進行切切割，如雙雙極器件：：{111}面；MOS器件：{100}面。8inch以下硅片需需要沿晶錠錠軸向磨出出平邊來指指示晶向和和導(dǎo)電類型型。1．主參考面面（主定位位面，主標標志面）作為器件與與晶體取向向關(guān)系的參參考；作為機械設(shè)設(shè)備自動加加工定位的的參考；作為硅片裝裝架的接觸觸位置；2.次參考面（（次定位面面，次標志志面）識別晶向和和導(dǎo)電類型型298inch以下硅片8inch以上硅片30切片、磨片片、拋光1．切片將已整形、、定向的單單晶用切割割的方法加加工成符合合一定要求求的單晶薄薄片。切片片基本決定定了晶片的的晶向、厚厚度、平行行度、翹度度，切片損損耗占1/3。2.磨片目的：去除刀痕與與凹凸不平平；改善平整度度；使硅片厚度度一致；磨料：要求：其硬硬度大于硅硅片硬度。。種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等313.拋光目的：進一一步消除表表面缺陷，，獲得高度度平整、光光潔及無損層的“理理想”表面面。方法：機械械拋光、化化學(xué)拋光、、化學(xué)機械械拋光32晶體缺陷缺陷的含義義：晶體缺缺陷就是指指實際晶體體中與理想想的點陣結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生偏偏差的區(qū)域域。理想晶體：：格點嚴格格按照空間間點陣排列列。實際晶體：：存在著各各種各樣的的結(jié)構(gòu)的不不完整性。。幾何形態(tài)：：點缺陷、、線缺陷、、面缺陷、、體缺陷33點缺陷缺陷尺寸處處于原子大大小的數(shù)量量級上，即即三維方向向上缺陷的的尺寸都很很小。34線缺陷指在一維方方向上偏離離理想晶體體中的周期期性、規(guī)則則性排列所所產(chǎn)生的缺缺陷，即缺缺陷尺寸在在一維方向向較長，另另外二維方方向上很短短，分為刃型位錯和和螺位錯。刃型位錯:在某一水平平面以上多多出了垂直直方向的原原子面，猶猶如插入的的刀刃一樣樣，沿刀刃刃方向的位位錯為刃型型位錯。35螺位錯:將規(guī)則排列列的晶面剪剪開（但不不完全剪斷斷），然后后將剪開的的部分其中中一側(cè)上移移半層，另另一側(cè)下移移半層，然然后黏合起起來，形成成一個類似似于樓梯拐拐角處的的排列結(jié)構(gòu)構(gòu)，則此時時在“剪開開線”終結(jié)結(jié)處（這里里已形成一一條垂直紙紙面的位錯錯線）附近近的原子面面將發(fā)生畸畸變，這種種原子不規(guī)規(guī)則排列結(jié)結(jié)構(gòu)稱為一一個螺位錯錯36面缺陷二維方向上上偏離理想想晶體中的的周期性、、規(guī)則性排排列而產(chǎn)生生的缺陷，，即缺陷尺尺寸在二維維方向上延延伸，在第第三維方向向上很小。。如孿晶、晶粒間界以以及堆垛層層錯。孿晶：是指指兩個晶體體（或一個個晶體的兩兩部分）沿沿一個公共共晶面（即即特定取向向關(guān)系）構(gòu)構(gòu)成鏡面對對稱的位向向關(guān)系，這這兩個晶體體就稱為““孿晶”，，此公共晶晶面就稱孿孿晶面。晶粒間界則則是彼此沒沒有固定晶晶向關(guān)系的的晶體之間間的過渡區(qū)區(qū)。孿晶界晶粒間界37堆垛層錯是指是晶體體結(jié)構(gòu)層正正常的周期期性重復(fù)堆堆垛順序在在某一層間間出現(xiàn)了錯錯誤，從而而導(dǎo)致的沿沿該層間平平面（稱為為層錯面））兩側(cè)附近近原子的錯錯誤排布。。38體缺陷由于雜質(zhì)在在硅晶體中中存在有限限的固濃度度，當摻摻入的數(shù)量量超過晶體體可接受的的濃度時，，雜質(zhì)在在晶體中就就會沉積，，形成體缺缺陷。39本節(jié)課主要要內(nèi)容硅單晶的制制備：CZ直拉法、懸浮區(qū)熔法法摻雜分布：：有效分凝系系數(shù)襯底制備：：整形、晶體體定向、晶晶面標識、、晶面加工工晶體缺陷：：點缺陷、線線缺陷、面面缺陷、體體缺陷9、靜靜夜夜四四無無鄰鄰，，荒荒居居舊舊業(yè)業(yè)貧貧。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。04:39:2304:39:2304:3912/29/20224:39:23AM11、以以我我獨獨沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2204:39:2304:39Dec-2229-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。04:39:2404:39:2404:39Thursday,December29,202213、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。12月月-2212月月-2204:39:2404:39:24December29,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國見見青山。。。29十十二月20224:39:24上午午04:39:2412月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/294:39:2404:39:2429December202217、做前，能能夠環(huán)視四四周；做時時，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點的的射線向前前。。4:39:24上上午4:39上上午04:39:2412月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有結(jié)結(jié)果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。04:39:2404:39:2404:3912/29/20224:39:24AM11、成功功就是是日復(fù)復(fù)一日日那一一點點點小小小努力力的積積累。。。12月月-2204:39:2404:39Dec-2229-Dec-2212、世世間間成成事事，，不不求求其其絕絕對對圓圓滿滿，，留留一一份份不不足足，，可可得得無無限限完完美美。。。。04:39:2404:39:2404:39Thursday,December29,202213、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。12月-2212月-2204:39:2404:39:24December29,202214、意志堅強強的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。29十二二月20224:39:24上上午04:39:2412月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。十二二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、少年十五五二十時，，步行奪得得胡馬騎。。。2022/12/294:39:2404:39:2429December202217、空山新雨雨后，天氣氣晚來秋。。。4:39:24上上午4:39上上午04:39:2412月-229、楊柳柳散和和風(fēng)，，青山山澹吾吾慮。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、閱讀讀一切切好書書如同同和過過去最最杰出出的人人談話