第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.1半導(dǎo)體材料概述

3.1.1半導(dǎo)體材料發(fā)展

根據(jù)物質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)，將它們分為導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體三大類。

1947年鍺晶體管的誕生引起了電子工業(yè)的革命，打破了電子管一統(tǒng)天下的局面，從此人類從使用電子管的時(shí)代進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)代。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

進(jìn)入20世紀(jì)60年代，半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展發(fā)生了一次飛躍，這是由于以硅氧化和外延生長為前導(dǎo)的硅平面器件工藝的形成，使硅集成電路的研制獲得成功。此外，GaN及其多元化合物還是半導(dǎo)體照明的首選材料。半導(dǎo)體燈將有可能像50年前，晶體管取代電子管那樣替代白熾燈，使照明工程進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

發(fā)光二極管（LED）全彩顯示屏世界上第一只鍺晶體管及發(fā)明者第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.1.2半導(dǎo)體材料的分類

對半導(dǎo)體材料可從不同的角度進(jìn)行分類，例如根據(jù)其性能可分為高溫半導(dǎo)體、磁性半導(dǎo)體、熱電半導(dǎo)體；根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)可分為金剛石型、閃鋅礦型、纖鋅礦型、黃銅礦型半導(dǎo)體；根據(jù)其結(jié)晶程度可分為晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體，但比較通用且覆蓋面較全的則是按其化學(xué)組成的分類，依此可分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和固溶半導(dǎo)體三大類。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)1.元素半導(dǎo)體

已知有12種元素具有半導(dǎo)體性質(zhì)，目前使用的元素半導(dǎo)體主要是硅和鍺。

2.化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體材料的種類繁多，性能各異，因此用途也就多種多樣?；衔锇雽?dǎo)體按其構(gòu)成的元素?cái)?shù)量可分為二元、三元、四元等。按其構(gòu)成元素在元素周期表中的位置可分為Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅳ族等。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.固溶半導(dǎo)體由兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導(dǎo)體性質(zhì)，就稱為固溶半導(dǎo)體，簡稱固溶體或混晶。因?yàn)椴豢赡茏龀鼋^對純的物質(zhì)，材料經(jīng)提純后總要?dú)埩粢欢〝?shù)量的雜質(zhì)，而且半導(dǎo)體材料還要有意地?fù)饺胍欢ǖ碾s質(zhì)，在這些情況下，雜質(zhì)與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質(zhì)的含量較低，在半導(dǎo)體材料的分類中不屬于固溶半導(dǎo)體。

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.2硅材料的主要性質(zhì)硅具有銀白色或灰色金屬光澤，晶體硬而脆，硅的外觀如圖3-4所示。硅熔體密度比固體密度大，故熔化后會(huì)發(fā)生體積收縮，類似于冰與水的關(guān)系。硅的外觀第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.2.1硅材料的化學(xué)性質(zhì)在室溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，與空氣、水和酸均無反應(yīng)，但與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿作用，硅極易被HNO3–HF的混合酸所溶解，因此，在硅片加工及集成電路器件工藝中，HNO3–HF混合酸常常用作硅的腐蝕液。在高溫下，硅與鍺的化學(xué)活性大，可與氧、鹵素、鹵化氫、碳等反應(yīng)。硅與鹵素或鹵化氫作用可生成相應(yīng)的鹵化物。生成的SiCl4可作為硅外延生產(chǎn)的原料，生成的SiHCl3是高純硅化學(xué)提純的中間產(chǎn)物。

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硅在高溫下可與H2O、O2發(fā)生如下反應(yīng)，硅平面工藝中，常用此反應(yīng)制備SiO2掩蔽膜。

硅烷的活性很高，在空氣中自燃，固態(tài)硅烷與液氧混合，在-190℃低溫下也易發(fā)生爆炸，因其危險(xiǎn)性，使用受到限制。

硅烷由于4個(gè)鍵都是Si-H鍵，很不穩(wěn)定，易熱分解。用這一特性可制取高純硅。

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.2.2硅材料的晶體結(jié)構(gòu)

固體材料按其結(jié)構(gòu)可以分為晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體。晶體中的原子在空間上作周期性排列，具有長程有序性；非晶體中粒子在空間的分布是完全無序的或僅僅具有短程有序，不具有長程的周期性；準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)介于晶體和非晶體之間。

1.晶體的共性（1）長程有序（2）自限性（3）各向異性（4）對稱性（5）固定的熔點(diǎn)第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)單晶、多晶和非晶體原子排列第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)2.硅晶體的金剛石結(jié)構(gòu)硅原子序數(shù)分別為14，核外電子分布為：

Si—1S22S22P63S23P2

硅每個(gè)原子周圍都有4個(gè)最近的原子，可與鄰近的4個(gè)原子生成4個(gè)共價(jià)鍵，形成正四面體結(jié)構(gòu)，上述正四面體累積起來就得到金剛石結(jié)構(gòu)。正四面體及金剛石結(jié)構(gòu)示意圖第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.2.3硅材料的電學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力受摻雜、溫度和光照的影響十分顯著。（1）半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而迅速增加（2）雜質(zhì)對半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的影響非常大（3）光照對半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力也有很大的影響（4）除溫度、雜質(zhì)、光照外，電場、磁場及其他外界因素（如外應(yīng)力）的作用也會(huì)影響半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.2.4硅材料的熱學(xué)性質(zhì)硅是具有明顯的熱膨脹及熱傳導(dǎo)性質(zhì)的材料，當(dāng)硅在熔化時(shí)其體積會(huì)縮小，反之，當(dāng)硅從液態(tài)凝固時(shí)其體積會(huì)膨脹，正因如此，在采用直拉法（CZ法）技術(shù)生長晶體過程中，在收尾結(jié)束后，剩余的硅熔體冷卻凝固時(shí)會(huì)導(dǎo)致石英坩堝破裂現(xiàn)象。由于硅具有較大的表面張力和較小的密度（液態(tài)時(shí)為2.533g/cm3），據(jù)此特性可采用懸浮區(qū)熔技術(shù)生長晶體，此法既可避免石英坩堝對硅的玷污，又可進(jìn)行多次區(qū)熔提純及制備低氧高純的區(qū)熔硅單晶。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.2.5硅材料的機(jī)械性質(zhì)在室溫時(shí)，硅是一種無延展性的脆性材料。但在溫度高于700-800℃時(shí)，硅卻具有明顯的熱塑性，在應(yīng)力的作用下會(huì)呈現(xiàn)塑性變形。硅的抗拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗剪應(yīng)力，故在硅片的加工過程中會(huì)產(chǎn)生彎曲和翹曲，也極容易產(chǎn)生裂紋或破碎。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.3硅單晶的制備技術(shù)

3.3.1高純硅的制備在浸入式電極電弧爐中，用碳還原石英制取冶金級的硅。碳的來源有煤、焦碳等，其反應(yīng)為：SiO2+CSi+CO

冶金級硅的純度接近9899%，主要的雜質(zhì)有鋁（Al）和鐵（Fe）。制取高純多晶一般采用化學(xué)方法對冶金級硅提純，工業(yè)上用化學(xué)方法制取高純硅有三種方法：（1）四氯化硅氫還原法；（2）三氯氫硅氫還原法；（3）硅烷熱分解法。三氯氫硅氫還原法:Si+HClSiHCl3+H2

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然后，用提純過的三氯氫硅在氫氣氛中進(jìn)行還原反應(yīng)，于是發(fā)生化學(xué)氣相沉積，最后形成半導(dǎo)體級高純多晶硅。這一反應(yīng)是流態(tài)化床的逆過程?；瘜W(xué)方法制取高純硅工藝流程圖第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.3.2硅的提純技術(shù)區(qū)熔提純是1952年蒲凡（M.G.Pfann）提出的一種物理提純方法，它是制備超純半導(dǎo)體材料、高純金屬的重要方法，其中包括鍺和硅。人們很早就發(fā)現(xiàn)，將含有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)熔化后再結(jié)晶時(shí)，雜質(zhì)在結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中濃度是不同的，這種現(xiàn)象叫分凝現(xiàn)象（亦叫偏折現(xiàn)象）。區(qū)熔提純就是利用分凝現(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(dòng)到另一端，重復(fù)多次使雜質(zhì)盡量被集中在尾部或頭部，進(jìn)而達(dá)到使中部材料被提純的技術(shù)。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.3.3硅的晶體生長

1.直拉生長工藝目前用于制備硅單晶的主要生長工藝是直拉法，并經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)使之發(fā)展成為完善的方法。直拉法是在直拉單晶爐內(nèi)，向盛有熔硅坩堝中，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制熱場，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，單晶便在籽晶下按籽晶的方向長大。直拉法拉制單晶示意圖及單晶爐第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

直拉法單晶生長工藝流程如圖所示。在工藝流程中最為關(guān)鍵的是“單晶生長”或稱拉晶過程，它又分為：潤晶、縮頸、放肩、等徑生長、拉光等步驟。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

當(dāng)熔體溫度穩(wěn)定在稍高于熔點(diǎn)，將籽晶放在上面烘烤幾分鐘后將籽晶與熔體熔接，這一步叫潤晶或下種，潤晶過程可以減少籽晶與熔體間溫差，防止籽晶因熱應(yīng)力產(chǎn)生缺陷；為了消除位錯(cuò)要將籽晶（晶體）拉細(xì)一段叫縮頸，通過縮頸可將部分位錯(cuò)排出單晶；之后要把晶體放粗到要求的直徑叫放肩；有了正常粗細(xì)后就保持此直徑生長，稱之為等徑生長，為了保持單晶等徑生長、控制的參數(shù)主要是拉速和加熱功率。提高拉速、加熱功率則晶體變細(xì)；反之降低拉速和加熱功率則使晶體加粗。最后將熔體全部拉光，全過程如圖所示。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)直拉單晶生長過程示意圖第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)2.懸浮區(qū)熔生長工藝第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.片狀單晶生長工藝由于硅單晶材料成本太高，影響了硅太陽能電池的推廣和發(fā)展，雖然出現(xiàn)非晶態(tài)硅的太陽能電池，但生長片狀單晶有可能成為生產(chǎn)中降低成本，提高材料利用率的有效方法。片狀單晶制法主要有四種：（1）枝蔓法和蹼狀法；（2）斯杰哈諾夫法；（3）形狀可控薄膜晶體生長法（EFG）；（4）橫拉法。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.3.4晶體中雜質(zhì)與缺陷

1.雜質(zhì)對材料性能的影響

1）雜質(zhì)對材料導(dǎo)電類型的影響當(dāng)材料中共存施主和受主雜質(zhì)時(shí)，它們將相互發(fā)生補(bǔ)償、材料的導(dǎo)電類型取決于占優(yōu)勢的雜質(zhì)。例如，在鍺、硅材料中、當(dāng)Ⅲ族雜質(zhì)元素在數(shù)量上占優(yōu)勢時(shí)，材料呈現(xiàn)P型，反之當(dāng)V族元素占優(yōu)勢時(shí)，則呈現(xiàn)N型。如材料中N型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)的數(shù)量接近，它們相互補(bǔ)償，結(jié)果材料將呈現(xiàn)弱N型或弱P型。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)2）雜質(zhì)對材料電阻率ρ的影響半導(dǎo)體材料的電阻率一方面與載流子密度有關(guān)，另一方面又與載流子的遷移率有關(guān)。同樣的摻雜濃度，載流子的遷移率越大，材料的電阻率越低。如果半導(dǎo)體中存在多種雜質(zhì)，在通常情況下可以認(rèn)為基本上屬于雜質(zhì)飽和電離范圍，具電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系可近似表示為：

式中，NA、ND分別表示材料中受主和施主的濃度，e為每個(gè)電子、空穴所帶的電量，μp、μn分別表示空穴、電子的遷移率。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3）雜質(zhì)對非平衡載流子壽命的影響半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷，對非平衡載流子壽命有重要的影響、特別是重金屬雜質(zhì)，它們具有多重能級而且還是深能級，這些能級在禁帶中好像臺階一樣，對電子和空穴的復(fù)合起“中間站”的作用，成為復(fù)合中心。它捕獲導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴使兩者復(fù)合，這就大大縮短了非平衡載梳子的壽命。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)2.硅晶體中摻雜量1）只考慮雜質(zhì)分凝時(shí)的摻雜2）考慮坩堝污染及蒸發(fā)的摻雜（1）Cs的確定（2）求出原料和坩堝沾污在熔體中產(chǎn)生的雜質(zhì)濃度（3）若所要求硅單晶是N型，取ρ上相應(yīng)于單晶頭部電阻率，由ρ-N圖確定CS2，CS2對應(yīng)的熔體中雜質(zhì)濃度（4）應(yīng)加入雜質(zhì)使熔體中含有的雜質(zhì)濃度（5）考慮雜質(zhì)的蒸發(fā)作用，最初加入雜質(zhì)后，熔硅內(nèi)雜質(zhì)濃度應(yīng)（6）根據(jù)母合金中雜質(zhì)原子總數(shù)應(yīng)等于摻入雜質(zhì)后熔硅中所含雜質(zhì)數(shù)

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.硅晶體中雜質(zhì)均勻性在生長的單晶中，雜質(zhì)的分布是不均勻的。這種不均勻性會(huì)造成電阻率在縱向和徑向上不均勻，從而對器件參數(shù)的一致性產(chǎn)生不利影響。

1）硅單晶縱向電阻率一支直拉硅單晶，從頭到尾雜質(zhì)分布不同、電阻率也不同。影響單晶雜質(zhì)濃度分布情況有以下幾個(gè)方面：拉制硅單晶時(shí)熔體中雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散和蒸發(fā)，結(jié)晶時(shí)雜質(zhì)分凝，硅熔體還受到其他雜質(zhì)的污染。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)2）硅單晶徑向電阻率硅單晶生長過程中，熔體中雜質(zhì)的擴(kuò)散、對流、蒸發(fā)、分凝、污染，不但影響縱向電阻率的縱向分布，而且也影響電阻率的徑向分布，同時(shí)單晶硅生長界面狀態(tài)也會(huì)影響雜質(zhì)在硅單晶中的分布。不同的生長條件，硅單晶中徑向電阻率的均勻性不同。

3）硅單晶析出及雜質(zhì)條紋直拉硅單晶中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)析出，析出是在硅單晶中形成散粒（或顆粒）摻雜劑單質(zhì)現(xiàn)象。硅單晶的析出一般在摻雜量比較大的重?fù)诫s的單晶中出現(xiàn)，在硅中平衡分凝系數(shù)較小的銻、砷、磷重?fù)诫s單晶析出更明顯。

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)4）單晶硅中的氧和碳直拉硅單晶中的氧和碳是一類很重要的雜質(zhì)，氧和碳在直拉單晶中，可能形成微沉淀，可能在微沉淀基礎(chǔ)上形成微缺陷，嚴(yán)重影響單晶質(zhì)量，影響大規(guī)模集成電路性能和制造。直拉硅單晶工藝中，經(jīng)常采用下列措施降低單晶中的氧碳含量：（1）選用含氧、碳較低的多晶硅原料，多晶硅熔化時(shí)溫度不要太高，盡量降低多晶硅和坩堝的反應(yīng)，減少一氧化碳和一氧化硅的生成。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

（2）在真空下生長的硅單晶一般氧碳含量較低，在氬氣下拉晶時(shí)，氬氣中含氧、碳和水份通過氬氣帶出爐外，降低單晶爐內(nèi)一氧化碳和一氧化硅的分壓，減少它們?nèi)苋肴酃璧牧?；減壓法拉晶可使單晶爐保持低的壓強(qiáng)，又使?fàn)t內(nèi)氬氣交換迅速，降低硅單晶的氧碳含量。（3）坩堝和單晶直徑比例要適當(dāng)，硅單晶生長過程中，石英坩堝中的熔硅表面是低氧區(qū)，熔硅和坩堝接觸部分是高氧區(qū)，中部熔硅為過渡區(qū)，坩堝和單晶直徑比例適當(dāng)，一方面使一氧化碳和一氧化硅揮發(fā)快，溶入熔硅量減少；另一方面單晶遠(yuǎn)離坩堝壁附近的高氧區(qū)，單晶氧碳含量自然減少。

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)4.晶體中缺陷

1）晶體缺陷分類根據(jù)缺陷相對晶體尺寸或影響范圍大小，可分為以下幾類。（1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷特征是三個(gè)方向的尺寸很小，只有幾個(gè)原子間距，如各種溶質(zhì)原子引起的周圍畸變區(qū)；空位，間隙原子以及這幾類點(diǎn)缺陷的復(fù)合體?？瘴皇钱?dāng)一個(gè)原子從其格點(diǎn)位置移動(dòng)到晶體表面時(shí)，晶格點(diǎn)陣缺少原子所至；間隙原子是存在于晶體結(jié)構(gòu)的空隙中；Frenkel缺陷是當(dāng)一個(gè)原子離開其格點(diǎn)位置并產(chǎn)生了一個(gè)空位時(shí)，產(chǎn)生間隙原子-空隙對，即Frenkel缺陷。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)點(diǎn)缺陷示意圖第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

（2）線缺陷線缺陷特征是缺陷在兩個(gè)方向上尺寸很小（與點(diǎn)缺陷相似），第三個(gè)方向上的尺寸很大，可以貫穿整個(gè)晶體，屬這一類缺陷主要是位錯(cuò)。位錯(cuò)有三種基本類型：刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合位錯(cuò)。位錯(cuò)示意圖第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

（3）面缺陷面缺陷的特征是一個(gè)方向上尺寸很小，在其它兩個(gè)方向上的尺寸很大，存在于晶體的外表面及各種內(nèi)界面。一般晶界、孿晶界、亞晶界、相晶界以及層錯(cuò)等屬于這一類。層錯(cuò)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)常發(fā)生在晶體生長過程中。滑移就是一種層錯(cuò)，它沿著一個(gè)或更多的平面發(fā)生滑移。層錯(cuò)示意圖第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

（4）體缺陷體缺陷是三堆缺陷，在三個(gè)方向上尺寸都較大，例如晶體孔晶、漩渦條紋、雜質(zhì)條紋、包裹體、慢沙（由包裹體組成的層狀分子）。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)2）硅單晶位錯(cuò)（1）位錯(cuò)生成直拉硅單晶生長過程中，生產(chǎn)工藝的不良，可能使單晶產(chǎn)生位錯(cuò)。產(chǎn)生位錯(cuò)的環(huán)節(jié)和方式有下列幾種情況：①籽晶引入位錯(cuò)②單晶生長中位錯(cuò)③單晶冷卻過程位錯(cuò)過成（2）單晶無位錯(cuò)生長純凈的籽晶、熔硅表面與單晶爐體平衡是保證單晶無位錯(cuò)生長的基本條件。熔硅溫度變化，單晶的回熔或加快生長也可能形成位錯(cuò)，因此單晶的無位錯(cuò)生長中熔硅溫度穩(wěn)定是非常必要的。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.4集成電路硅襯底加工技術(shù)集成電路硅襯底較多采用硅單晶拋光片，硅單晶拋光片的制備工藝流程比較復(fù)雜，加工工序多而長，必須嚴(yán)格控制每道工序的加工工質(zhì)量，以能獲得滿足集成電路工藝技術(shù)要求、質(zhì)量合格的硅單晶拋光片。圖示是典型、傳統(tǒng)的大直徑硅拋光片加工工藝流程示意圖（不含各道工序硅片的清洗。典型大直徑硅拋光片加工工藝流程第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.4.1硅單晶拋光片的制備硅錠在拉單晶爐中生長完成后，整型處理是接下來的第一步工藝。整型處理包括在切片之前對單晶硅錠做的所有準(zhǔn)備步驟。第一步是把硅錠的兩端去掉。下一步是徑向研磨來產(chǎn)生精確的材料直徑。顯示了徑向研磨過程。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

對于硅片定位邊或定位槽，半導(dǎo)體業(yè)界傳統(tǒng)上在硅錠上做一個(gè)定位邊來標(biāo)明晶體結(jié)構(gòu)和硅片的晶向。主定位邊標(biāo)明了晶體結(jié)構(gòu)的晶向。還有一個(gè)次定邊標(biāo)明硅片晶向的導(dǎo)電類型。硅片標(biāo)識定位邊第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

一旦整型處理完成后，硅錠就準(zhǔn)備進(jìn)行切片。這是硅錠生長后的第一個(gè)主要步驟。200mm及以上的硅片來講，切片是用帶有金剛石切割邊緣的內(nèi)圓切割機(jī)來完成的。300mm的硅錠目前都是用來線鋸來切片的。線切割具有效率高、鋸痕損失小的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：片厚不均、切割過程中智能檢測控制很難實(shí)現(xiàn)、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等。

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)內(nèi)圓切割機(jī)線切割機(jī)第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

切片完成后，傳統(tǒng)上要進(jìn)行雙面的機(jī)械磨片以去除留下的損傷，達(dá)到硅片兩面高度的平行及平坦。磨片工序就是用各種磨料，對切割好的晶體進(jìn)行加工處理，目的是去除因切割時(shí)刀片震動(dòng)及機(jī)器本身精度造成的晶體基片表面的機(jī)械損傷層，提高晶體基片的平整度，使晶體基片達(dá)到適合拋光的標(biāo)準(zhǔn)。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

對硅片倒角可使硅片邊緣獲得平滑的半徑周線，這一步可以在磨片之前或之后進(jìn)行。倒角目的主要有三個(gè)：

1）防止晶圓邊緣碎裂

2）防止熱應(yīng)力的集中

3）增加外延層光刻膠層在晶圓邊緣的平坦度

倒角后的硅片邊緣第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

硅片整型目的去除硅片表面和邊緣損傷及沾污。硅片損傷的深度依賴于生產(chǎn)廠家的特定工藝，但一般有幾微米深。為了消除硅片表面的損傷，硅片供應(yīng)商采用硅片刻蝕或化學(xué)刻蝕工藝消除硅片表面損傷和沾污，如圖所示。除去硅片表面損傷的化學(xué)刻蝕第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

制備硅片的最后一步是化學(xué)機(jī)械化平坦化（CMP），目的是得到高平整度的光滑表面。CMP又叫拋光。對200mm及以前的硅片來說，CMP傳統(tǒng)上僅對上表面進(jìn)行拋光，背面仍保留化學(xué)刻蝕后的表面。它的目的是提供一個(gè)粗糙表面來方便器件傳送。對300mm硅片來說，用CMP進(jìn)行雙面拋光（DSP）是最后一步主要的制備步驟。硅片在拋光盤之間行星式的運(yùn)動(dòng)軌跡在改善表面粗糙度的同時(shí)也使硅片表面平坦且兩面平行。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)雙面硅片拋光拋光后硅片第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.4.2硅單晶拋光片的質(zhì)量檢測對硅片測量來說，硅片的均勻性是關(guān)鍵的。重要的硅片質(zhì)量要求如下所示：物理尺寸、平整度、微粒糙度、氧含量、晶體缺陷、顆粒、體電阻率。供應(yīng)商必須通過檢查硅錠和硅片質(zhì)量來控制硅片質(zhì)量，以達(dá)到質(zhì)量參數(shù)要求。如把有缺陷的硅片交給半導(dǎo)體芯片制造廠，會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.5硅的外延生長技術(shù)外延生長這種在具有一定結(jié)晶取向的原有晶體（一般稱為襯底）上延伸出并按一定晶向生長膜層的方法。

3.5.1外延生長概述根據(jù)外延層的性質(zhì)，生長方法和器件制作方式不同．可以把外延分成不同的種類。如果外延層與襯底是同種材料，則稱為同質(zhì)外延。如果襯底材料和外延層是不同種材料則稱為異質(zhì)外延。若器件制作在外延層上叫正外延，而器件制作在襯底上外延層只起支撐作用，叫做反外延。由外延生長方法來看，外延又分為直接外延和間接外延兩種。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

外延生長特點(diǎn)如下：（1）生長不同于襯底類型的外延材料，例：低高阻、NP型、摻雜濃度變化。（2）與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行外延生長，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件的制作創(chuàng)造了條件。（3）可以生長異質(zhì)、多層、多組分化合物且組分可變的超薄層。（4）可在低于材料熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行外延生長，生長速率可控，可以實(shí)現(xiàn)原子級尺寸厚度的外延生長。（5）生長難拉制單晶，例如：GaAs單晶質(zhì)量差，且純度低、缺陷多；GaN單晶不能拉制，都可以通過外延生長實(shí)現(xiàn)生長。

第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)3.5.2硅氣相外延生長技術(shù)外延生長可以從氣相（VPE）、液相（LPE）或固相（SPE）中獲得。在硅工藝中，氣相外延得到了最廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗鼘﹄s質(zhì)濃度有良好的控制以及能獲得晶體的完整性。

1.硅氣相外延生長原料及過程外延生長是一個(gè)化學(xué)氣相淀積的過程。以下是化學(xué)氣相淀積五個(gè)基本步驟：1）反應(yīng)物被運(yùn)輸?shù)揭r底上；2）反應(yīng)物被吸附在襯底表面上；3）在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以生成薄膜和反應(yīng)產(chǎn)物；4）反應(yīng)產(chǎn)物從表面放出；5）反應(yīng)產(chǎn)物從表面被運(yùn)走。在某些情況下，在步驟1之前先進(jìn)行一個(gè)氣相反應(yīng)以形成薄膜的前身（反應(yīng)物）。第3章硅半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)

有四種主要的硅的化學(xué)原料被用于外延淀積。它們是：四氯化硅（SiCl4）、三氯硅烷（SiHCl3）、二氯硅烷（SiH2Cl2）和硅烷（SiH4）。氫還原的SiCl4是最廣泛使用的源，因而也得到最多的研究。但對較薄的外延層和較低淀積溫度的要求使SiH2Cl2和SiH4的使用有所增加。每種原料用于不同的溫度和不同的應(yīng)用。表列出了原料、典型的淀積溫度