半導(dǎo)體材料課件

1一、晶體結(jié)構(gòu)二、晶面與晶向三、晶體中的缺陷和雜質(zhì)四、單晶矽的製備五、晶圓加工

半導(dǎo)體材料2

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)則的、週期性的重複排列的，一種結(jié)構(gòu)貫穿整體，這樣的晶體稱為單晶，如石英單晶，矽單晶，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)際的晶體絕大部分是多晶，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。由於多晶中各晶粒排列的相對(duì)取向各不相同，其宏觀性質(zhì)往往表現(xiàn)為各向同性，外形也不具有規(guī)則性。3半導(dǎo)體材料矽、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)度的面心立方元胞套構(gòu)而成的。4晶面與晶向晶體具有各向異性的特徵，在研究晶體的物理特徵時(shí)，通常必須標(biāo)明是位於什麼方位的面上或沿晶體的什麼方向，為此引入晶面與晶向的概念。為了便於確定和區(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)定晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。1.晶向指數(shù)：以晶胞的某一陣點(diǎn)O為原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)O設(shè)定坐標(biāo)軸X、Y、Z，以晶胞點(diǎn)陣向量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位；過(guò)原點(diǎn)O作一平行於待定晶向的直線，在該直線上5選取距原點(diǎn)O最近的一個(gè)陣點(diǎn)，確定此點(diǎn)的3個(gè)座標(biāo)值；將這3個(gè)座標(biāo)值化為最小整數(shù)u，v，w，加以方括號(hào)。[uvw]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。

62.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)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，並加上圓括號(hào)，即表示該晶面的指數(shù)，記為(hkl)。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，而是代表所有相互平行的晶面。8晶體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、面缺陷和體缺陷。

1．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，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)格週期性而形成的畸變區(qū)域。2．線缺陷晶體內(nèi)部偏離週期性點(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)。93．面缺陷和體缺陷對(duì)於晶體來(lái)講，還存在面缺陷（層錯(cuò)）和體缺陷（包裹體）等。由於堆積次序發(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，形成體缺陷。10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)向矽中摻入磷，磷原子佔(zhàn)據(jù)了矽原子的位置，其結(jié)果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多餘的價(jià)電子。這種雜質(zhì)，我們稱它為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。112．受主雜質(zhì)向矽中摻如硼，硼原子佔(zhàn)據(jù)了矽原子的位置，其結(jié)果是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)多餘的空位。這種雜質(zhì)，我們稱它為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)。12多晶矽的製備

現(xiàn)今，300mm的wafer技術(shù)已經(jīng)成熟，隨著直徑的增大，其製造難度也相應(yīng)提高。高溫氯化低純?nèi)葰湮峒兏呒內(nèi)葰湮邷靥歼€原粗矽石英石高溫氫還原高純矽13生長(zhǎng)單晶矽目前製備單晶矽的主要方法有柴氏拉晶法（即CZ法）和懸浮區(qū)熔法，85%以上的單晶矽是採(cǎi)用CZ法生長(zhǎng)出來(lái)的。1.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)、加熱溫控系統(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、觀察窗幾個(gè)部分。爐腔是為了保證爐內(nèi)溫度均勻分佈以及很好的散熱；籽晶軸的作用是帶動(dòng)籽晶上下移動(dòng)和14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的運(yùn)動(dòng)。為了保證Si溶液不被氧化，對(duì)爐內(nèi)的真空度要求很高，一般在5Torr以上，加入的惰性氣體純度需在99.9999%以上。152．生長(zhǎng)過(guò)程（1）準(zhǔn)備工作多晶矽的純度要很高，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)“遺傳”給新生長(zhǎng)的晶體，所以在選擇籽晶時(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，然後烘乾，以備後用。16（2）裝爐將經(jīng)過(guò)粉碎的多晶矽裝入石英坩堝內(nèi)；把籽晶夾到籽晶軸的夾頭上，蓋好籽晶罩；將爐內(nèi)抽為真空並沖入惰性氣體；檢測(cè)爐體的漏氣率是否合格。（3）加熱熔矽真空度符合要求，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，後者常用於大直徑矽棒的拉制。在1420℃的溫度下把多晶和摻雜物加熱到熔融狀態(tài)。17（4）拉晶拉晶過(guò)程分為以下五個(gè)步驟。引晶，也叫下種。先將溫度下降到比1420℃稍低一些的溫度，將籽晶下降至距液面幾毫米處，對(duì)籽晶進(jìn)行2～3min的預(yù)熱，使熔融矽與籽晶間溫度平衡。預(yù)熱後，使籽晶與熔融矽液面接觸，引晶完成。18縮頸，引晶結(jié)束後，溫度上升，籽晶旋轉(zhuǎn)上拉出一段直徑為0.5～0.7cm的新單晶，這段單晶的直徑比籽晶細(xì)?？s頸的目的是為了消除籽晶原有的缺陷或引晶時(shí)由於溫度變化引起的新生缺陷?？s頸時(shí)的拉速較快一些，但不宜過(guò)快。拉速過(guò)大或直徑變化太大都容易導(dǎo)致生成多晶。19放肩，縮頸後放慢速度、降低溫度，讓晶體長(zhǎng)大至所需直徑。等徑生長(zhǎng)，在放肩完成前緩慢升溫，放肩結(jié)束，保持直徑生長(zhǎng)單晶。生長(zhǎng)過(guò)程中，拉速和溫度都要盡可能的穩(wěn)定，以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，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。21單晶矽性能測(cè)試

生長(zhǎng)好的單晶矽需要經(jīng)過(guò)測(cè)試來(lái)衡量各項(xiàng)參數(shù)是否符合要求。1．物理性能的測(cè)試外觀檢驗(yàn)晶向檢驗(yàn)測(cè)量直徑2.缺陷檢驗(yàn)223．電氣參數(shù)測(cè)試導(dǎo)電類型的測(cè)試非平衡載流子的測(cè)試

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電阻率的測(cè)試

24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)體製造要求的矽襯底，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。1.外型整理（1）切割分段將籽晶部分、肩部、尾部以及目檢後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)格的部分。25（2）徑向研磨晶棒的直徑不可能很精確的符合直徑要求，一般都要稍大一些，所以需要對(duì)其進(jìn)行徑向研磨。26（3）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。272.切片切片決定了wafer的幾個(gè)特性：厚度、斜度、平行度、翹度。切片的流程為：晶棒固定X射線定位Wafer拆卸清洗X射線定位切片內(nèi)圓切割機(jī)283.倒角倒角就是磨去wafer周圍鋒利的棱角，其目的有以下三個(gè)：防止wafer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wafer邊緣的平坦度。

294.研磨研磨目的是：去除表面的刀痕；消除損傷層；提高平整度，使wafer薄厚均勻；增加表面平坦度等。305.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)械拋光的速度就大有提高，表面品質(zhì)也有所改善。31拋光示意圖32（2）缺陷及平坦度檢查拋光後的晶片需要對(duì)表面缺陷以及表面粗糙度進(jìn)行相應(yīng)檢查。表面缺陷檢查，用解析度精確到0.05μm“魔鏡”來(lái)觀察wafer表面凹凸情況，檢出有缺陷的產(chǎn)品。表面粗糙度檢查，Wafer表面粗糙度用原子顯微鏡測(cè)量，說(shuō)明表面粗糙度的參數(shù)有以下幾個(gè)：TTV，wafer厚度的最大值與最小值之差，TTV=a-b；33TIR，wafer表面最高處與參考面之間的距離和最低處與參考面之間的距離之和，TIR=a+b；FPD，wafer表面一點(diǎn)距參考面的最大距離，如果a>