1、半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長1半導體器件與工藝半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長2一一、襯底材料的類型襯底材料的類型元素半導體 Si、Ge.2. 化合物半導體 GaAs、SiC 、GaN半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長3二、對襯底材料的要求二、對襯底材料的要求 導電類型：N型與P型都易制備； 電阻率：0.01-105cm，均勻性好（縱向、橫向、微區）、可靠性高（穩定、真實）； 壽命（少數載流子）：晶體管長壽命； 開關器件短壽命； 晶格完整性：低位錯（1000個/cm2）； 純度高：電子級硅（EGS） -1/109雜質； 晶向：Si:雙極器件-；

2、MOS-； 直徑、平整度、禁帶寬度、遷移率等。半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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、介質隔離、絕緣柵等介質材料； 易于實現平面工藝技術；半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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穩定）； 本征電阻率低：47 cm（Si: 2.3x105 cm）； 成本高。半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體

3、生長晶體生長6Si 的基本特性: FCC 金剛石結構，晶格常數a=5.431 間接帶隙半導體， 禁帶寬度 Eg=1.12eV 相對介電常數， r=11.9 熔點： 1417oC 原子密度： 5x1022 cm-3 本征載流子濃度：ni=1.45x1010 cm-3 本征電阻率 =2.3x105 cm 電子遷移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴遷移率h=450 cm2/Vs半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長7三、起始材料-石英巖（高純度硅砂-SiO2） SiO2+SiCSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金級硅：冶金級硅：98%；Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(

4、g)+H2，三氯硅烷室溫下呈液態沸點為，三氯硅烷室溫下呈液態沸點為32，利用分餾法去除雜質；利用分餾法去除雜質；SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g)，得到電子級硅（片狀多晶硅）。，得到電子級硅（片狀多晶硅）。 300oC半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長8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；旋轉裝置：順時針轉；加熱裝置：RF線圈；拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉提拉裝置：逆時針；環境控制系統氣路供應系統流量控制器排氣系統1.電子控制反饋系統半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長9

5、拉晶過程熔硅將坩堝內多晶料全部熔化 ；注意事項：熔硅時間不易長；引晶將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發性雜質同時可減少熱沖擊。當溫度穩定時，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晶； 半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長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原有位錯的延伸。頸一般要長于20mm。 半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長11放肩縮頸工藝完成后，略降低溫度（15-40） ，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。半導體制備工藝

6、原理第一章第一章 晶體生長晶體生長125. 等徑生長：當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時要嚴格控制溫度和拉速。半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長13收晶：晶體生長所需長度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長14硅片摻雜目的：使硅片具有一定電阻率 （比如： N/P型硅片 1-100 cm）分凝現象：由于雜質在固體與液體中的溶解度不一樣， 所以，雜質在固-液界面兩邊材料中分布的濃度是不同 的，這就是所謂雜質的分凝現象。分凝系數:

7、 , Cs 和 Cl分別是固體和液體界面附近的平衡摻雜濃度 一般情況下k01，ke 1， 所以為了得到均勻的摻雜分布， 可以通過較高的拉晶速率和較低的旋轉速率。D: 熔液中摻雜的擴散系數 00000vCCdxdCDCCsx,CCxslxll時，時，邊界條件： slslD/vxCCCCe0半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長19直拉法生長單晶的特點直拉法生長單晶的特點優點：所生長單晶的直徑較大成本相對較低; 通過熱場調整及晶轉，堝轉等工藝參數的優化，可較好控制 電阻率徑向均勻性缺點：石英坩堝內壁被熔硅硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，易 引入氧碳雜質，不易生長高電阻率單晶（含氧量通常1

8、0- 40ppm)半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長20二二、改進直拉生長法改進直拉生長法磁控直拉技術磁控直拉技術原理： 在直拉法(CZ法)單晶生長的基礎上對坩堝內的熔體施加磁 場，由于半導體熔體是良導體，在磁場作用下受到與其運 動方向相反作用力，于是熔體的熱對流受到抑制。因而除 磁體外，主體設備如單晶爐等并無大的差別。優點：減少溫度波動；減輕熔硅硅與坩堝作用；使擴散層厚度增大 降低了缺陷密度，氧的含量，提高了電阻分布的均勻性。 半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長21三、懸浮區熔法（float-zone，FZ法）方法：方法： 依靠熔體表面張力，使熔區懸浮于多晶Si與

9、下方長出 的單晶之間，通過熔區的移動而進行提純和生長單晶。半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長22懸浮區熔法（float-zone，FZ法）特點：可重復生長、提純單晶，單晶純度較CZ法高； 無需坩堝、石墨托，污染少； FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點: 單晶直徑不及CZ法 半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長23摻雜分布dxLSkAdxCdSed 0 LxkeseekCC/0)1 (1 xsALCeddL/SkACdsdx000假設多晶硅棒上的雜質摻雜濃度為C0（質量濃度），d為硅的比重，S為熔融帶中雜質的含量，那么當熔融帶移動dx距離時，熔融帶中雜質的濃度變化d

10、S為：LASkCdes半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長24區熔提純利用分凝現象將物料局部熔化形成狹窄的熔區，并令其沿錠長從一端緩慢地移動到另一端，重復多次（多次區熔）使雜質被集中在尾部或頭部，進而達到使中部材料被提純。一次區熔提純與直拉法后的雜質濃度分布的比較（K=0.01）單就一次提純的效果而言，直拉法的去雜質效果好 半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長25多次區熔提純半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長26襯底制備 襯底制備包括： 整形、晶體定向、晶面標識、晶面加工半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長27整型兩端去除徑向研磨定位面研磨半導

11、體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長28晶面定向與晶面標識由于晶體具有各向異性，不同的晶向，物理化學性質都不一樣，必須按一定的晶向（或解理面）進行切割，如雙極器件：111面； MOS器件：100面。8 inch 以下硅片需要沿晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導電類型。1主參考面（主定位面，主標志面） 作為器件與晶體取向關系的參考； 作為機械設備自動加工定位的參考； 作為硅片裝架的接觸位置；2. 次參考面（次定位面，次標志面） 識別晶向和導電類型 半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長298 inch 以下硅片8 inch 以上硅片半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長3

12、0切片、磨片、拋光切片、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、厚度、平行度、翹度，切片損耗占1/3。2.磨片目的： 去除刀痕與凹凸不平； 改善平整度； 使硅片厚度一致；磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。 種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長313.拋光目的：進一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無 損層的“理想”表面。方法：機械拋光、化學拋光、化學機械拋光半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長32晶體缺陷晶體缺陷缺陷的含義：晶體缺陷就是指實際晶體中與理

13、想的點缺陷的含義：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點陣結構發生偏差的區域。陣結構發生偏差的區域。理想晶體：格點嚴格按照空間點陣排列。理想晶體：格點嚴格按照空間點陣排列。實際晶體：存在著各種各樣的結構的不完整性。實際晶體：存在著各種各樣的結構的不完整性。幾何形態：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷幾何形態：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長33點缺陷點缺陷缺陷尺寸處于原子大小的數量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。缺陷尺寸處于原子大小的數量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長34線缺陷線缺陷指在一維方向上偏

14、離理想晶體中的周期性、規則性排列所產生的缺陷，即缺指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規則性排列所產生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，分為刃型位錯和螺位錯。陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，分為刃型位錯和螺位錯。刃型位錯刃型位錯:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯為刃型位錯。沿刀刃方向的位錯為刃型位錯。半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長35螺位錯螺位錯:將規則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中一將規則排列的晶面剪開（但不完全剪斷）

15、，然后將剪開的部分其中一側上移半層，另一側下移半層，然后黏合起來，形成一個類似于樓梯側上移半層，另一側下移半層，然后黏合起來，形成一個類似于樓梯 拐角處拐角處的排列結構，則此時在的排列結構，則此時在“剪開線剪開線”終結處（這里已形成一條垂直紙面的位錯終結處（這里已形成一條垂直紙面的位錯線）附近的原子面將發生畸變，這種原子不規則排列結構稱為一個螺位錯線）附近的原子面將發生畸變，這種原子不規則排列結構稱為一個螺位錯 半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長36面缺陷面缺陷二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規則性排列而產生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規則性排列而產生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶、晶粒間界以及堆垛層錯。晶粒間界以及堆垛層錯。孿晶：是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面（即特定取向關系）構成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為“孿晶”，此公共晶面就稱孿晶面。晶粒間界則是彼此沒有固定晶向關系的晶體之間的過渡區。 孿晶界晶粒間界半導體制備工藝原理第一章第一章 晶體生長晶體生長37堆垛層錯是指是晶體結構層正常的周期性重復堆垛順序在某一層間出現了錯誤，從而導致的沿該