第一章 襯底制備

第一章襯底制備第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章襯底制備1.1襯底材料1.1.1襯底材料的類型1.元素半導(dǎo)體Si、Ge、C（金剛石）2.化合物半導(dǎo)體GaAs、SiGe、SiC、GaN、ZnO、HgCdTe3.絕緣體藍(lán)寶石第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月表1周期表中用作半導(dǎo)體的元素 Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族 第2周期 B C N 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga Ge As Se 第5周期 Cd In Sn Sb Te 第6周期 Hg Pb 第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月元素半導(dǎo)體Si：①占地殼重量20%-25%；②單晶直徑最大，目前16英吋（400mm）,每3年增加1英寸；③SiO2作用:掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)（多層布線）、絕緣柵、MOS電容的介質(zhì)材料；④多晶硅（Poly-Si）：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散源、互連線（比鋁布線靈活）；第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月元素半導(dǎo)體Ge：①漏電流大：禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.12eV)；②工作溫度低：75℃（Si:150℃）；③GeO2:易水解（SiO2穩(wěn)定）；④本征電阻率低：47Ω·cm（Si:2.3×105Ω·cm）；⑤成本高。優(yōu)點(diǎn)：電子和空穴遷移率均高于Si最新應(yīng)用研究：應(yīng)變Ge技術(shù)--Ge溝道MOSFET第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章襯底制備1.1.2對襯底材料的要求1.導(dǎo)電類型：N型與P型都易制備；2.電阻率：10-3–108Ω·cm，且均勻性好（縱向、橫向、微區(qū)）、可靠性高（穩(wěn)定、真實(shí)）；3.壽命（少數(shù)載流子）：晶體管—長壽命；開關(guān)器件—短壽命；4.晶格完整性：無位錯(cuò)、低位錯(cuò)（<1000個(gè)/cm2）；第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章襯底制備1.1.2對襯底材料的要求5．純度：電子級硅（EGS,electronic-grade-silicon）--1/109雜質(zhì)；6．晶向：雙極器件--<111>；MOS--<100>；GaAs--<100>；7．直徑：8．平整度：9．主、次定位面：10.禁帶寬度、遷移率、晶格匹配等。第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章襯底制備1.1.3起始材料--石英巖（高純度硅砂--SiO2）①SiO2+SiC+C→Si(s)+SiO(g)+CO(g),冶金級硅：98%；②Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)（沸點(diǎn)為32℃），利用分餾法去除雜質(zhì)；③SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，電子級硅（片狀多晶硅）。

第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章襯底制備1.2單晶的制備

1.2.1直拉法（CZ法）1.拉晶儀構(gòu)成：①爐體②拉晶裝置③環(huán)境控制④電子控制及電源系統(tǒng)

第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月柴可拉斯基拉晶儀第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.拉晶儀①爐體石英坩堝：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(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；②拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；③環(huán)境控制真空系統(tǒng)：氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；排氣系統(tǒng)：④電子控制及電源系統(tǒng)第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.拉晶過程例，2.5及3英寸硅單晶制備①

熔硅調(diào)節(jié)坩堝位置；注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長；②

引晶（下種）籽晶預(yù)熱：位置---熔硅上方；目的---避免對熱場的擾動(dòng)太大；與熔硅接觸：溫度太高---籽晶熔斷；溫度太低---過快結(jié)晶；合適溫度--籽晶與熔硅可長時(shí)間接觸，既不會(huì)進(jìn)一步融化，也不會(huì)生長；第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.拉晶過程③收頸

目的：抑制位錯(cuò)從籽晶向晶體延伸；直徑：2-3mm；長度：>20mm；拉速：3.5mm/min

④放肩溫度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.拉晶過程⑤收肩當(dāng)肩部直徑比所需直徑小3-5mm時(shí)，提高拉速：拉速：2.5mm/min；⑥等徑生長拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在溫度場保持相對固定；⑦收尾熔硅料為1.5kg時(shí)，停止坩堝跟蹤。第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2懸浮區(qū)熔法（float-zoneFZ法）1.2單晶的制備第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2單晶的制備1.2.2懸浮區(qū)熔法特點(diǎn)：

①可重復(fù)生長、提純單晶；②無需坩堝、石墨托，污染少，純度較CZ法高；③

FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點(diǎn)：

單晶直徑不及CZ法。第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2單晶的制備1.2.3水平區(qū)熔法（布里吉曼法）--GaAs單晶第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3襯底制備襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識(shí)、晶面加工。第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶體定向晶體具有各向異性器件一般制作在不同米勒指數(shù)面的晶片上，如雙極器件：{111}面；MOS器件：{100}面。晶體定向的方法

1.光圖像定向法（參考李乃平）

①腐蝕：要定向的晶面經(jīng)研磨、腐蝕，晶面上出現(xiàn)許多由低指數(shù)小平面圍成、與晶面具有一定對應(yīng)關(guān)系的小腐蝕坑；②光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對稱性，正入射平行光反映出不同的圖像，從而確定晶面。第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶體定向

2.X射線衍射法方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法；原理：①入射角θ應(yīng)滿足：nλ=2dsinθ；②晶面米勒指數(shù)h、k、l應(yīng)滿足：h2+k2+l2=4n-1（n為奇數(shù)）；h2+k2+l2=4n（n為偶數(shù)）。第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶面標(biāo)識(shí)原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開；硅單晶的解理面：{111}

；1.主參考面（主定位面，主標(biāo)志面）①起識(shí)別劃片方向作用；②作為硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；③作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；2.次參考面（次定位面，次標(biāo)志面）識(shí)別晶向和導(dǎo)電類型

第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶面標(biāo)識(shí)第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶面標(biāo)識(shí)第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶片加工切片、磨片、拋光1.切片將已整形、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。切片基本決定了晶片的晶向、平行度、彎曲度，切片損耗占1/3。第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶片加工第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶片加工2.磨片目的：①

使各片厚度一致；②

使各硅片各處厚度均勻；③

改善平整度。

磨料：①

要求：其硬度大于硅片硬度。②

種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶片加工3.拋光目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的“理想”表面。方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP,chemical-mechanicalpolishing）①機(jī)械拋光:與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)（0.1-0.5μm），MgO、SiO2、ZrO；優(yōu)點(diǎn)：表面平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶片加工②化學(xué)拋光（化學(xué)腐蝕）a.酸性腐蝕典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(體積比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO↑+8H2O注意腐蝕溫度：t=30-50℃,表面平滑；t<25℃,表面不平滑。第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶片加工b.堿性腐蝕：KOH、NaOH特點(diǎn)：1）適于大直徑（>75mm）;2）不需攪拌；3）表面無損傷。缺點(diǎn)：平整度差第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶片加工③化學(xué)機(jī)械拋光（CMP)特點(diǎn)：兼有機(jī)械與化學(xué)拋光兩者的優(yōu)點(diǎn)。典型拋光液：S