段輝高-2-半導體中的材料、硅片制作流程ppt課件

1、第二章半導體資料特性1提綱22.1 原子構造2.2 化學鍵2.3 資料分類2.4 硅2.5 可選擇的半導體資料2.6 新型半導體電子與光電資料2.1 原子構造 原子由三種不同的粒子構成：中性中子和帶正電的質子組成原子核，以及圍繞原子核旋轉的帶負電核的電子，質子數與電子數相等呈現中性。圖2.1 碳原子的根本模型3電子能級：原子級的能量單位是電子伏特，它代表一個電子從低電勢處挪動到高出1V的的電勢處所獲得的動能。價電子層：原子最外部的電子層就是價電子層，對原子的化學和物理性質具有顯著的影響，只需一個價電子的原子很容易失去這個電子，有7個價電子的原子容易得到一個電子，具有親和力。圖2.2 鈉和氯原子

2、的電子殼層42.2 化學鍵2.2.1 離子鍵 當價電子層電子從一種原子轉移到另一種原子上時，就會構成離子鍵，不穩(wěn)定的原子容易構成離子鍵。圖2.3 NaCl的離子鍵52.2.2 共價鍵 不同元素的原子共有價電子構成的粒子鍵，原子經過共有電子來使價層完全填充變得穩(wěn)定。束縛電子同時受兩個原子的約束，假設沒有足夠的能量，不易脫離軌道。圖2.4 HCl的共價鍵62.3 資料分類-能帶實際7導體 導體在原子的最外層通常有一些束縛松散的價電子，容易失去，金屬典型地具有這種價電子層構造。 在普通的半導體制造中，鋁是最普遍的導體資料，可以用來充任器件之間的互連線，而鎢可作為 金屬層之間的互連資料。 銅是優(yōu)質金屬

3、導體的一個例子，逐漸被引入到硅片制造中取代鋁充任微芯片上不同器件之間的互連資料。8絕緣體 絕緣體的價電子層不具有束縛松散的電子可用于導電，它有很高的禁帶寬度來分隔開價帶電子和導帶電子。 半導體制造中的絕緣體包括二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4和聚酰亞胺一種塑料資料。半導體半導體資料具有較小的禁帶寬度,其值介于絕緣體2eV和導體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導帶。圓片制造中最重要的半導體資料是硅。9周期表中半導體相關元素周期2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te102.4 硅 硅是一種元素半導體資料，由于它有4個價電子，與其

4、他元素一同位于周期表中的A族。硅中價層電子的數目使它正好位于優(yōu)質導體1個價電子和絕緣體8個價電子的中間。11硅的晶體構造1092812地殼中各元素的含量132.4.1 硅作為電子資料的優(yōu)點原料充分；硅晶體外表易于生長穩(wěn)定的氧化層，這對于維護硅外表器件或電路的構造、性質很重要；分量輕，密度只需2.33g/cm3；熱學特性好，線熱膨脹系數小，2.510-6/ ，熱導率高，1.50W/cm；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；化學性質穩(wěn)定，常溫下只需強堿、氟氣反響；機械性能良好。142.4.2 純硅 純硅是指沒有雜質或者其他物質污染的本征硅。純硅的原子經過共價鍵共享電子結合在一同。+4+4+4+4

5、 共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)那么陳列，構成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自在電子，因此本征半導體中的自在電子很少，所以本征半導體的導電才干很弱。152.4.3 摻雜硅 在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。 其緣由是摻雜半導體的某種載流子濃度大大添加。載流子：電子，空穴。N型硅在本征硅中摻入五價雜質元素例如磷、 氮，主要載流子為電子。P型硅在本征硅中摻入三價雜質元素例如硼、 鎵、銦，主要載流子為空穴。 16 N型硅多余電子磷原子硅原子SiPSiSi17 P型硅空穴硼原子SiSiSiB硅原子182.

6、5 可選擇的半導體資料2.5.1 元素半導體Ge、Si最初大量運用的半導體資料是鍺。1947年第一只晶體管用的就是鍺。但是鍺的禁帶寬度為0 67 V 熱穩(wěn)定性差最高任務溫度只需85。硅具有很多優(yōu)點，地球上儲量豐富，易于提純，熱穩(wěn)定性好，在外表可生長質量很高的二氧化硅層，任務溫度可達160。硅幾乎成了半導體的代名詞，全球硅集成電路年產值在2400億美圓左右。192.5.2 化合物半導體GaAs、InP砷化鎵等資料的電子遷移率差不多是硅資料的6倍。它們的峰值電子速度也是硅飽和速度的2倍多。禁帶寬度和臨界擊穿場強也比硅高，因此是制造高頻電子器件的理想資料。目前砷化鎵是化合物半導體的主流資料，全球砷化

7、鎵高頻電子器件和電路的年產值24億美圓。磷化銦器件的電子遷移率高達10000 cm2/Vs，比砷化鎵還高，所以其高頻性能更好，任務頻率更高，且有更低的噪聲和更高的增益。目前在100 GHz左右的3mm波段多數都用磷化銦器件。202.5.3寬帶隙半導體SiC、GaN碳化硅原子束縛才干非常強，禁帶寬度很寬，機械硬度也很高，在20世紀80年代人們逐漸掌握了碳化硅晶體的生長技術后，90年代用于藍光發(fā)光資料，同時以碳化硅資料為根底的電力電子器件和微波功率器件也相繼問世。實驗闡明，氮化鎵具有更好的發(fā)光性能，因此藍光發(fā)光領域內碳化硅已被氮化鎵替代，目前氮化鎵是藍光和白光發(fā)光器件的主流資料。同時，人們還發(fā)如今

8、微波功率放大領域，氮化鎵的輸出微波功率比砷化鎵和硅高出一個數量級以上。212.5.4 半導體資料的新探求隨著資料技術的不斷開展和成熟，新資料層出不窮。人們可以用三種或四種元素人工合成混晶半導體薄層單晶資料，調理這些元素的比例就可以得到所想要的不同禁帶寬度和不同晶格常數，稱此為能帶工程。金剛石具有最大的禁帶寬度、最高的擊穿場強和最大的熱導率，被稱為最終的半導體。此外，極窄帶隙半導體資料，如InAs0.36 eV等，也被人們廣泛研討。石墨烯與碳納米管等半導體資料。22幾種常見半導體資料的主要特性參數23更多半導體有機半導體非晶半導體24第三章硅片晶圓制造流程2526晶圓制備的四個步驟A：礦石到高純

9、氣體的轉變石英砂冶煉制粗硅 B：氣體到多晶的轉變C：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉變拉單晶、晶體生長 D：晶棒到晶圓的制備 芯片制造的第一階段：資料預備芯片制造的第二階段：晶體生長和晶圓制備2627晶圓制備1獲取多晶冶煉SiO2 + C Si + CO得到的是冶金級硅，主要雜質：Fe、Al、C、B、P、Cu要進一步提純。酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提純是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。2728晶圓制備1獲取多晶精餾提純將酸洗過的硅轉化為SiHCl3或 SiCl4，Si + 3HCl g SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 SiCl4 益處：常溫下SiHC

10、l3 與SiCl4都是氣態(tài)， SiHCl3的沸點僅為31精餾獲得高純的SiHCl3或SiCl42829晶圓制備1獲取多晶復原 多用H2來復原SiHCl3或SiCl4得到半導體純度的多晶硅：SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 緣由：氫氣易于凈化，且在Si中溶解度極低2930晶圓制備2單晶生長定義:把多晶塊轉變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。按制備時有無運用坩堝分為兩類：有坩堝的：直拉法、磁控直 拉法液體掩蓋直拉法；無坩堝的：懸浮區(qū)熔法 。3031晶圓制備2晶體生長直拉法Czochralski法CZ法方法在坩堝中

11、放入多晶硅，加熱使之熔融，用一個夾頭夾住一塊適當晶向的籽晶，將它懸浮在坩堝上，拉制時，一端插入熔體直到熔化，然后再緩慢向上提拉，這時在液-固界面經過逐漸冷凝就構成了單晶。來源1918年由Czochralski從熔融金屬中拉制細燈絲，50年代開發(fā)出與此類似的直拉法生長單晶硅，這是生長單晶硅的主流技術。3132直拉法-Czochralski法CZ法晶圓制備2晶體生長32332晶體生長直拉法CZ法三部分組成：爐體部分，有坩堝、水冷安裝和拉桿等機械傳動安裝 ；加熱控溫系統，有光學高溫計、加熱器、隔熱安裝等；真空部分，有機械泵、分散泵、測真空計等。 晶圓制備2晶體生長3334直拉法CZ法單晶爐晶圓制備2

12、晶體生長3435直拉法-Czochralski法CZ法CZ法工藝流程預備腐蝕清洗多晶籽晶預備裝爐真空操作 開爐升溫水冷通氣 生長引晶縮晶放肩等徑生長收尾 停爐降溫停氣停頓抽真空開爐晶圓制備2晶體生長3536直拉法CZ法CZ法工藝流程生長部分的步驟引晶 將籽晶與熔體很好的接觸。 縮晶 在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細部分 直徑只需2-3mm，獲得完好單晶。 放肩 將晶體直徑放大至需求的尺寸。等徑生長 拉桿與坩堝反向勻速轉動拉制出等徑單晶。直徑大 小由拉升速度、轉速，以及溫度控制。 收尾 終了單晶生長。晶圓制備2晶體生長3637晶圓制備2晶體生長直拉法CZ法Si棒頭部放大3738晶圓制備2晶

13、體生長液體掩蓋直拉法LEC法液體掩蓋直拉法用來生長砷化鎵晶體。本質上它和規(guī)范的直拉法CZ一樣，為砷化鎵做了一定改良。液體掩蓋直拉法運用一層氧化硼B(yǎng)2O3漂浮在熔融物上面來抑制砷的揮發(fā)。3839晶圓制備2晶體生長區(qū)熔法直拉法的一個缺陷：坩堝中的氧進入晶體。對于有些器件，高程度的氧是不能接受的。懸浮區(qū)熔法是一種無坩堝的晶體生長方法，多晶與單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產生一懸浮的溶區(qū)，多晶硅延續(xù)經過熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與單晶接觸的界面處生長單晶。熔區(qū)的存在是由于融體外表張力的緣故，懸浮區(qū)熔法沒有坩堝的污染，因此能生長出無氧的，純度更高的單晶硅棒。3940晶圓制備2晶體生長區(qū)熔法4041晶圓制備2晶體生

14、長直拉法和區(qū)熔法的比較4142晶圓制備2晶體生長硅棒舉例北京有色金屬總院12英寸，等徑長400mm，晶體重81Kg。4243晶圓制備2晶體生長摻雜直拉法摻雜是直接在坩堝內參與含雜質元素的物質。 摻雜元素的選擇 摻雜方式雜質分布 4344晶圓制備2晶體生長摻雜雜質類型的選擇A：摻雜元素的選擇硼、磷P-型摻雜、N型摻雜4445晶圓制備2晶體生長摻雜液相摻雜直接摻元素母合金摻雜 氣相摻雜 中子輻照NTD摻雜中子嬗變摻雜技術。B：摻雜方式4546晶圓制備2晶體生長摻雜將雜質元素先制成硅的合金如硅銻合金，硅硼合金，再按所需的計量摻入合金。這種方法適于制備普通濃度的摻雜。B2：母合金摻雜B1：直接摻雜在晶體生長時，將一定量的雜質原子參與熔融液中，以獲得所需的摻雜濃度4647晶圓制備2晶體生長摻雜硅有三種同位素：28Si 92.2% , 29Si 4.7% ,30Si 3.0%，其中30Si有中子嬗變景象： 30Si 31Si+ 31Si 31P+31P是穩(wěn)定的施主雜質，對單晶棒進展中子輻照，就能獲得均勻的n型硅。B2：中子輻照NTD摻雜4748晶圓制備3硅片制備晶體預備直徑滾磨、晶體定向、導電類型檢查和電阻率檢查切片研磨化學機械拋光CMP背處置雙面拋光邊緣倒角拋光檢驗氧化或外延工藝打包封裝硅片制備工藝流程從晶棒到空白硅片：4849晶圓制備3硅片制備直徑滾磨晶體定向是由x射