半導(dǎo)體制造工藝之晶體的生長(zhǎng)概述

1半導(dǎo)體器件與工藝2一、襯底材料的類(lèi)型元素半導(dǎo)體Si、Ge….2.化合物半導(dǎo)體

GaAs、SiC、GaN…3二、對(duì)襯底材料的要求

導(dǎo)電類(lèi)型：N型與P型都易制備；電阻率：0.01-105·cm，均勻性好（縱向、橫向、微區(qū)）、可靠性高（穩(wěn)定、真實(shí)）；壽命（少數(shù)載流子）：晶體管—長(zhǎng)壽命；開(kāi)關(guān)器件—短壽命；晶格完整性：低位錯(cuò)（<1000個(gè)/cm2）；純度高：電子級(jí)硅（EGS）--1/109雜質(zhì)；晶向：Si:雙極器件--<111>；MOS--<100>；直徑、平整度、禁帶寬度、遷移率等。4Si：含量豐富，占地殼重量25%；單晶Si生長(zhǎng)工藝簡(jiǎn)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(zhì)隔離、絕緣柵等介質(zhì)材料；易于實(shí)現(xiàn)平面工藝技術(shù)；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(wěn)定）；本征電阻率低：47·cm（Si:2.3x105·cm）；成本高。6Si的基本特性:

FCC金剛石結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=5.431?

間接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度Eg=1.12eV

相對(duì)介電常數(shù)，r=11.9

熔點(diǎn)：1417oC

原子密度：5x1022cm-3

本征載流子濃度：ni=1.45x1010cm-3

本征電阻率=2.3x105·cm

電子遷移率e=1500cm2/Vs,空穴遷移率h=450cm2/Vs7三、起始材料--石英巖（高純度硅砂--SiO2）SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g),冶金級(jí)硅：98%；Si(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)；SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，得到電子級(jí)硅（片狀多晶硅）。

300oC8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(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；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；環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供應(yīng)系統(tǒng)流量控制器排氣系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng)9拉晶過(guò)程熔硅將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化

；注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)；引晶將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱(chēng)“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊。當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，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(jié)晶；

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(xì)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(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長(zhǎng)于20mm。

11放肩縮頸工工藝完完成后后，略略降低低溫度度（15-40℃），，讓晶晶體逐逐漸長(zhǎng)長(zhǎng)大到到所需的的直徑徑為止止。這這稱(chēng)為為“放肩”。12等徑生生長(zhǎng)：：當(dāng)晶晶體直直徑到到達(dá)所所需尺尺寸后后，提提高拉拉速，，使晶晶體直直徑不不再增增大，，稱(chēng)為為收肩肩。收收肩后后保持持晶體體直徑徑不變變，就就是等等徑生生長(zhǎng)。。此時(shí)時(shí)要嚴(yán)嚴(yán)格控控制溫溫度和和拉速速。13收晶：：晶體體生長(zhǎng)長(zhǎng)所需需長(zhǎng)度度后，，拉速速不變變，升升高熔熔體溫溫度或或熔體體溫度度不變變，加加快拉拉速，，使晶晶體脫脫離熔熔體液液面。。14硅片摻摻雜目的：：使硅硅片具具有一一定電電阻率率（（比比如：：N/P型硅片片1-100·cm）分凝現(xiàn)現(xiàn)象：：由于于雜質(zhì)質(zhì)在固固體與與液體體中的的溶解解度不不一樣樣，所以，，雜質(zhì)質(zhì)在固固-液界面面兩邊邊材料料中分分布的的濃度度是不不同的，這這就是是所謂謂雜質(zhì)質(zhì)的分分凝現(xiàn)現(xiàn)象。分凝系系數(shù):,Cs和Cl分別是是固體體和液液體界界面附附近的的平衡衡摻雜雜濃度度一般情情況下下k0<1。15摻雜分分布假設(shè)熔熔融液液初始始質(zhì)量量為M0，雜質(zhì)質(zhì)摻雜雜濃度度為C0（質(zhì)量量濃度度），，生長(zhǎng)過(guò)過(guò)程中中晶體體的質(zhì)質(zhì)量為為M，雜質(zhì)質(zhì)在晶晶體中中的濃濃度為為Cs，留在熔熔液中中雜質(zhì)質(zhì)的質(zhì)質(zhì)量為為S，那么么熔液液中雜雜質(zhì)的的濃度度Cl為：當(dāng)晶體體增加加dM的重量量：1617有效分分凝系系數(shù)當(dāng)結(jié)晶晶速度度大于于雜質(zhì)質(zhì)在熔熔體中中的擴(kuò)擴(kuò)散速速度時(shí)時(shí)，雜雜質(zhì)在在界面面附近近熔體體中堆堆積，，形成成濃度度梯度度按照分分凝系系數(shù)定定義：：由于Cl(0)未知，，然而而為了描描述界界面粘滯層中雜質(zhì)質(zhì)濃度度偏離離對(duì)固固相中中的雜雜質(zhì)濃濃度的的影響響，引入有效分分凝系系數(shù)ke:18當(dāng)/D>>1，ke1，所所以為為了得得到均均勻的的摻雜雜分布布，可可以以通過(guò)過(guò)較高高的拉拉晶速速率和和較低低的旋旋轉(zhuǎn)速速率。。D:熔液中中摻雜雜的擴(kuò)擴(kuò)散系系數(shù)19直拉法法生長(zhǎng)長(zhǎng)單晶晶的特特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：：所生生長(zhǎng)單單晶的的直徑徑較大大成本本相對(duì)對(duì)較低低;通過(guò)熱熱場(chǎng)調(diào)調(diào)整及及晶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，堝堝轉(zhuǎn)等等工藝藝參數(shù)數(shù)的優(yōu)優(yōu)化，，可較較好控控制電阻率率徑向向均勻勻性缺點(diǎn)：：石英英坩堝堝內(nèi)壁壁被熔熔硅侵蝕及及石墨墨保溫溫加熱熱元件件的影影響，，易引入氧氧碳雜雜質(zhì)，，不易易生長(zhǎng)長(zhǎng)高電電阻率率單晶晶（含含氧量量通常常10-40ppm)20二、改進(jìn)直直拉生生長(zhǎng)法法—磁控直直拉技技術(shù)原理：：在在直拉拉法(CZ法)單晶生生長(zhǎng)的的基礎(chǔ)礎(chǔ)上對(duì)對(duì)坩堝堝內(nèi)的的熔體體施加加磁場(chǎng)，由由于半半導(dǎo)體體熔體體是良良導(dǎo)體體，在在磁場(chǎng)場(chǎng)作用用下受受到與與其運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向向相反反作用用力，，于是是熔體體的熱熱對(duì)流流受到到抑制制。因因而除除磁體外外，主主體設(shè)設(shè)備如如單晶晶爐等等并無(wú)無(wú)大的的差別別。優(yōu)點(diǎn)：：減少少溫度度波動(dòng)動(dòng)；減減輕熔熔硅與坩堝堝作用用；使使擴(kuò)散散層厚厚度增增大降低了了缺陷陷密度度，氧氧的含含量，，提高高了電電阻分分布的的均勻勻性。。21三、懸浮區(qū)區(qū)熔法法（float-zone，F(xiàn)Z法）方法：：依靠熔熔體表表面張張力，，使熔熔區(qū)懸懸浮于于多晶晶Si與下方方長(zhǎng)出出的單晶晶之間間，通通過(guò)熔熔區(qū)的的移動(dòng)動(dòng)而進(jìn)進(jìn)行提提純和和生長(zhǎng)長(zhǎng)單晶晶。22懸浮區(qū)區(qū)熔法法（float-zone，F(xiàn)Z法）特點(diǎn)：：可重重復(fù)生生長(zhǎng)、、提純純單晶晶，單單晶純純度較較CZ法高；；無(wú)需坩坩堝、、石墨墨托，，污染染少；；FZ單晶：：高純純、高高阻、、低氧氧、低低碳；；缺點(diǎn):單晶直直徑不不及CZ法23摻雜分分布假設(shè)多多晶硅硅棒上上的雜雜質(zhì)摻摻雜濃濃度為為C0（質(zhì)量量濃度度），，d為硅的的比重重，S為熔融融帶中中雜質(zhì)質(zhì)的含含量，，那么么當(dāng)熔熔融帶帶移動(dòng)動(dòng)dx距離時(shí)時(shí)，熔熔融帶帶中雜雜質(zhì)的的濃度度變化化dS為：24區(qū)熔提提純利用分分凝現(xiàn)現(xiàn)象將將物料料局部部熔化化形成成狹窄窄的熔熔區(qū)，，并令令其沿沿錠長(zhǎng)長(zhǎng)從一一端緩緩慢地地移動(dòng)動(dòng)到另另一端端，重重復(fù)多多次（（多次次區(qū)熔熔）使使雜質(zhì)質(zhì)被集集中在在尾部部或頭頭部，，進(jìn)而而達(dá)到到使中中部材材料被被提純純。一次區(qū)區(qū)熔提提純與與直拉拉法后后的雜雜質(zhì)濃濃度分分布的的比較較（K=0.01）單就一一次提提純的的效果果而言言，直直拉法法的去去雜質(zhì)質(zhì)效果果好25多次區(qū)區(qū)熔提提純26襯底制制備襯底制制備包包括：：整形、、晶體體定向向、晶晶面標(biāo)標(biāo)識(shí)、、晶面面加工工27整型兩端去除徑向研磨定位面研磨28晶面定定向與與晶面面標(biāo)識(shí)識(shí)由于晶晶體具具有各各向異異性，，不同同的晶晶向，，物理理化學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)都不不一樣樣，必必須按按一定定的晶晶向（（或解解理面面）進(jìn)進(jìn)行切切割，，如雙雙極器器件：：{111}面；MOS器件：：{100}面。8inch以下硅硅片需需要沿沿晶錠錠軸向向磨出出平邊邊來(lái)指指示晶晶向和和導(dǎo)電電類(lèi)型型。1．主參參考面面（主主定位位面，，主標(biāo)標(biāo)志面面）作為器器件與與晶體體取向向關(guān)系系的參參考；；作為機(jī)機(jī)械設(shè)設(shè)備自自動(dòng)加加工定定位的的參考考；作為硅硅片裝裝架的的接觸觸位置置；2.次參考考面（（次定定位面面，次次標(biāo)志志面））識(shí)別晶晶向和和導(dǎo)電電類(lèi)型型298inch以下硅硅片8inch以上硅硅片30切片、、磨片片、拋拋光1．切片片將已整整形、、定向向的單單晶用用切割割的方方法加加工成成符合合一定定要求求的單單晶薄薄片。。切片片基本本決定定了晶晶片的的晶向向、厚厚度、、平行行度、、翹度度，切切片損損耗占占1/3。2.磨片目的：：去除刀刀痕與與凹凸凸不平平；改善平平整度度；使硅片片厚度度一致致；磨料：：要求：：其硬硬度大大于硅硅片硬硬度。。種類(lèi)：：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等313.拋光目的：：進(jìn)一一步消消除表表面缺缺陷，，獲得得高度度平整整、光光潔及及無(wú)損層的的“理理想””表面面。方法：：機(jī)械械拋光光、化化學(xué)拋拋光、、化學(xué)學(xué)機(jī)械械拋光光32晶體缺缺陷缺陷的的含義義：晶晶體缺缺陷就就是指指實(shí)際際晶體體中與與理想想的點(diǎn)點(diǎn)陣結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)發(fā)生偏偏差的的區(qū)域域。理想晶晶體：：格點(diǎn)點(diǎn)嚴(yán)格格按照照空間間點(diǎn)陣陣排列列。實(shí)際晶晶體：：存在在著各各種各各樣的的結(jié)構(gòu)構(gòu)的不不完整整性。。幾何形形態(tài)：：點(diǎn)缺缺陷、、線缺缺陷、、面缺缺陷、、體缺缺陷33點(diǎn)缺陷陷缺陷尺尺寸處處于原原子大大小的的數(shù)量量級(jí)上上，即即三維維方向向上缺缺陷的的尺寸寸都很很小。。34線缺陷陷指在一一維方方向上上偏離離理想想晶體體中的的周期期性、、規(guī)則則性排排列所所產(chǎn)生生的缺缺陷，，即缺缺陷尺尺寸在在一維維方向向較長(zhǎng)長(zhǎng)，另另外二二維方方向上上很短短，分分為刃型位位錯(cuò)和和螺位位錯(cuò)。刃型位位錯(cuò):在某一一水平平面以以上多多出了了垂直直方向向的原原子面面，猶猶如插插入的的刀刃刃一樣樣，沿沿刀刃刃方向向的位位錯(cuò)為為刃型型位錯(cuò)錯(cuò)。35螺位錯(cuò)錯(cuò):將規(guī)則則排列列的晶晶面剪剪開(kāi)（（但不不完全全剪斷斷），，然后后將剪剪開(kāi)的的部分分其中中一側(cè)側(cè)上移移半層層，另另一側(cè)側(cè)下移移半層層，然然后黏黏合起起來(lái)，，形成成一個(gè)個(gè)類(lèi)似似于樓樓梯拐拐角角處的的排列列結(jié)構(gòu)構(gòu)，則則此時(shí)時(shí)在““剪開(kāi)開(kāi)線””終結(jié)結(jié)處（（這里里已形形成一一條垂垂直紙紙面的的位錯(cuò)錯(cuò)線））附近近的原原子面面將發(fā)發(fā)生畸畸變，，這種種原子子不規(guī)規(guī)則排排列結(jié)結(jié)構(gòu)稱(chēng)稱(chēng)為一一個(gè)螺螺位錯(cuò)錯(cuò)36面缺陷陷二維方方向上上偏離離理想想晶體體中的的周期期性、、規(guī)則則性排排列而而產(chǎn)生生的缺缺陷，，即缺缺陷尺尺寸在在二維維方向向上延延伸，，在第第三維維方向向上很很小。。如孿孿晶、晶粒間間界以以及堆堆垛層層錯(cuò)。。孿晶：：是指指兩個(gè)個(gè)晶體體（或或一個(gè)個(gè)晶體體的兩兩部分分）沿沿一個(gè)個(gè)公共共晶面面（即即特定定取向向關(guān)系系）構(gòu)構(gòu)成鏡鏡面對(duì)對(duì)稱(chēng)的的位向向關(guān)系系，這這兩個(gè)個(gè)晶體體就稱(chēng)稱(chēng)為““孿晶晶”，，此公公共晶晶面就就稱(chēng)孿孿晶面面。晶粒間間界則則是彼彼此沒(méi)沒(méi)有固固定晶晶向關(guān)關(guān)系的的晶體體之間間的過(guò)過(guò)渡區(qū)區(qū)。孿晶界晶粒間間界37堆垛層層錯(cuò)是指是是晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)層正正常的的周期期性重重復(fù)堆堆垛順順序在在某一一層間間出現(xiàn)現(xiàn)了錯(cuò)錯(cuò)誤，，從而而導(dǎo)致致的沿沿該層層間平平面（（稱(chēng)為為層錯(cuò)錯(cuò)面））兩側(cè)側(cè)附近近原子子的錯(cuò)錯(cuò)誤排排布。。38體缺陷陷由于雜雜質(zhì)在在硅晶晶體中中存在在有限限的固固濃度度，當(dāng)當(dāng)摻摻入的的數(shù)量量超過(guò)過(guò)晶體體可接接受的的濃度度時(shí)，，雜雜質(zhì)在在晶體體中就就會(huì)沉沉積，，形成成體缺缺陷。。39本節(jié)課課主要要內(nèi)容容硅單晶晶的制制備：：CZ直拉法法、懸浮區(qū)區(qū)熔法法摻雜分分布：：有效分分凝系系數(shù)襯底制制備：：整形、、晶體體定向向、晶晶面標(biāo)標(biāo)識(shí)、、晶面面加工工晶體缺缺陷：：點(diǎn)缺陷陷、線線缺陷陷、面面缺陷陷、體體缺陷陷9、靜夜四四無(wú)鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹(shù)樹(shù)，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。04:39:2604:39:2604:3912/29/20224:39:26AM11、以我獨(dú)沈沈久，愧君君相見(jiàn)頻。。。12月-2204:39:2604:39Dec-2229-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。04:39:2604:39:2604:39Thursday,December29,202213、乍乍見(jiàn)見(jiàn)翻翻疑疑夢(mèng)夢(mèng)，，相相悲悲各各問(wèn)問(wèn)年年。。。。12月月-2212月月-2204:39:2604:39:26December29,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國(guó)國(guó)見(jiàn)青青山。。。29十十二二月20224:39:26上上午04:39:2612月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月224:39上午午12月-2204:39December29,202216、行動(dòng)出成成果，工作作出財(cái)富。。。2022/12/294:39:2604:39:2629December202217、做做前前，，能能夠夠環(huán)環(huán)視視四四周周；；做做時(shí)時(shí)，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿著著以以腳腳為為起起點(diǎn)點(diǎn)的的射射線線向向前前。。。。4:39:26上上午午4:39上上午午04:39:2612月月-229、沒(méi)有失失敗，只只有暫時(shí)時(shí)停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有結(jié)果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒(méi)有。。。04:39:2604:39:2604:3912/29/20224:39:26AM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努努力的積積累。。。12月-2204:39:2604:39Dec-2229-Dec-2212、世世間間成成事事，，不不求求其其絕絕對(duì)對(duì)圓圓滿滿，，留留一一份份不不足足，，可可得得無(wú)無(wú)限限完完美美。。。。04:39:2604:39:2604:39Thursday,December29,202213、不知知香積積寺，，數(shù)里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2204:39:2604:39:26December29,202214、意志志堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥塊一一樣任任意揉揉捏。。29十十二二月20224:39:26上上午04:39:2612月月-2215、楚塞三湘湘接，荊門(mén)門(mén)九派通。。。。十二月224:39上上午12月-2204:39December29,202216、少少年年十十五五二二十十時(shí)時(shí)，，步步行行奪奪得得胡胡馬馬騎騎。。。。2022/12/294:39:2604:39:2629December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來(lái)來(lái)秋。。。4:39:26上上午4:39上上午午04:39:2612月月-229、楊柳散散和風(fēng)，，青山澹澹吾慮。。。12月-2212月-22Thursd