第一章--襯底制備課件

1、第一章第一章 襯底制備襯底制備 1.1 襯底材料襯底材料1.1.1 襯底材料的類型襯底材料的類型n1. 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 Si、Ge、C（金剛石）（金剛石）n2. 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 GaAs、SiGe 、SiC 、GaN、 ZnO 、HgCdTen3. 絕緣體絕緣體 藍(lán)寶石藍(lán)寶石表表1 周期表中用作半導(dǎo)體的元素周期表中用作半導(dǎo)體的元素n 族族 族族 族族 族族 族族n第第2周期周期BC Nn第第3周期周期AlSi P Sn第第4周期周期ZnGaGe As Sen第第5周期周期CdInSn Sb Ten第第6周期周期HgPb 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體Si：n占地殼重量占地殼重量20%-2

2、5%；n單晶直徑最大，目前單晶直徑最大，目前16英英吋吋（400mm）,每每 3年增加年增加1英寸；英寸；nSiO2作用作用:掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕 緣介質(zhì)（多層布線）、絕緣柵、緣介質(zhì)（多層布線）、絕緣柵、 MOS電容的介質(zhì)材料；電容的介質(zhì)材料；n多晶硅（多晶硅（Poly-Si）：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散）：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散 源、互連線（比鋁布線靈活）；源、互連線（比鋁布線靈活）；元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體Ge：漏電流大：禁帶寬度窄，僅漏電流大：禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.12eV)；工作溫度低：工作溫度低：75（Si:150）；）；GeO2:易水解（易水解（Si

3、O2穩(wěn)定）；穩(wěn)定）；本征電阻率低：本征電阻率低：47cm（Si: 2.3105cm）；）；成本高。成本高。n優(yōu)點(diǎn)：電子和空穴遷移率均高于優(yōu)點(diǎn)：電子和空穴遷移率均高于Sin最新應(yīng)用研究：應(yīng)變最新應(yīng)用研究：應(yīng)變Ge技術(shù)技術(shù)-Ge溝道溝道MOSFET第一章第一章 襯底制備襯底制備1.1.2 對襯底材料的要求對襯底材料的要求 1.導(dǎo)電類型：導(dǎo)電類型：N型與型與P型都易制備；型都易制備； 2.電阻率：電阻率：10-3108cm，且均勻性好（縱向、橫，且均勻性好（縱向、橫 向、微區(qū)）、可靠性高（穩(wěn)定、真實(shí)）；向、微區(qū)）、可靠性高（穩(wěn)定、真實(shí)）； 3.壽命（少數(shù)載流子）：晶體管壽命（少數(shù)載流子）：晶體管長壽

4、命；長壽命； 開關(guān)器件開關(guān)器件短壽命；短壽命； 4.晶格完整性：無位錯(cuò)、低位錯(cuò)（晶格完整性：無位錯(cuò)、低位錯(cuò)（1000個(gè)個(gè)/cm2）；）；第一章第一章 襯底制備襯底制備1.1.2 對襯底材料的要求對襯底材料的要求 5純度：電子級硅（純度：電子級硅（EGS,electronic-grade- silicon） -1/109雜質(zhì)；雜質(zhì)； 6晶向：雙極器件晶向：雙極器件-；MOS-； GaAs-； 7直徑：直徑： 8平整度：平整度： 9主、次定位面：主、次定位面： 10. 禁帶寬度、遷移率、晶格匹配等。禁帶寬度、遷移率、晶格匹配等。第一章第一章 襯底制備襯底制備1.1.3 起始材料起始材料-石英巖（高

5、純度硅砂石英巖（高純度硅砂-SiO2） SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金級硅：冶金級硅：98%； Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2， 三氯硅烷室溫下呈液態(tài)（沸點(diǎn)為三氯硅烷室溫下呈液態(tài)（沸點(diǎn)為32），利用分），利用分 餾法去除雜質(zhì)；餾法去除雜質(zhì)； SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g)， 電子級硅電子級硅 （片狀多晶硅）。（片狀多晶硅）。 第一章第一章 襯底制備襯底制備1.2 1.2 單晶的制備單晶的制備 1.2.1 直拉法（直拉法（CZ法）法）1.拉晶儀拉晶儀構(gòu)成：構(gòu)成： 爐體爐體 拉晶裝置拉晶裝置 環(huán)境控制環(huán)境控制 電子控制

6、及電源系統(tǒng)電子控制及電源系統(tǒng) 柴可拉斯基拉晶儀柴可拉斯基拉晶儀1.1.拉晶儀拉晶儀爐體爐體n石英坩堝：盛熔融硅液；石英坩堝：盛熔融硅液；n石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；n旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；n加熱裝置：加熱裝置：RF線圈；線圈； 拉晶裝置拉晶裝置n籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；n旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；環(huán)境控制環(huán)境控制n真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)：n氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；n排氣系統(tǒng)：排氣系統(tǒng)：電子控制及電源系統(tǒng)電子控制及電源系統(tǒng)2.2.拉晶過程拉晶過程例，例，2.52.

7、5及及3 3英寸硅單晶制備英寸硅單晶制備 熔硅熔硅n調(diào)節(jié)坩堝位置；注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長；調(diào)節(jié)坩堝位置；注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長； 引晶（下種）引晶（下種）n籽晶預(yù)熱：位置籽晶預(yù)熱：位置-熔硅上方；熔硅上方； 目的目的-避免對熱場的擾動太大；避免對熱場的擾動太大；n與熔硅接觸：溫度太高與熔硅接觸：溫度太高-籽晶熔斷；籽晶熔斷； 溫度太低溫度太低-過快結(jié)晶；過快結(jié)晶； 合適溫度合適溫度-籽晶與熔硅可長時(shí)間接籽晶與熔硅可長時(shí)間接 觸，既不會進(jìn)一步融化，也不會生長；觸，既不會進(jìn)一步融化，也不會生長； 2.2.拉晶過程拉晶過程收頸收頸n 目的：抑制位錯(cuò)從籽晶目的：抑制位錯(cuò)從籽晶 向晶體延伸；向晶體延

8、伸；n 直徑：直徑：2-3mm；n 長度：長度：20mm；n 拉速：拉速：3.5mm/min 放肩放肩n 溫度：降溫度：降15-40；n 拉速：拉速：0.4mm/min； 2.2.拉晶過程拉晶過程 收肩收肩n當(dāng)肩部直徑比所需直徑小當(dāng)肩部直徑比所需直徑小3-5mm時(shí)，提高拉速：時(shí)，提高拉速： n拉速：拉速： 2.5mm/min； 等徑生長等徑生長n拉速：拉速：1.3-1.5mm/min；n熔硅液面在溫度場保持相對固定；熔硅液面在溫度場保持相對固定； 收尾收尾n 熔硅料為熔硅料為1.5kg時(shí)，停止坩堝跟蹤。時(shí)，停止坩堝跟蹤。 1.2.2 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法（float-zone FZ法）法）1.

9、2 單晶的制備單晶的制備1.2 單晶的制備單晶的制備1.2.2 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法n特點(diǎn)：特點(diǎn)： 可重復(fù)生長、提純單晶；可重復(fù)生長、提純單晶； 無需坩堝、石墨托，污染少，純度較無需坩堝、石墨托，污染少，純度較CZ法高；法高； FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；單晶：高純、高阻、低氧、低碳；n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 單晶直徑不及單晶直徑不及CZ法。法。1.2 單晶的制備單晶的制備1.2.3 水平區(qū)熔法水平區(qū)熔法（布里吉曼法）（布里吉曼法） -GaAs單晶單晶1.3 襯底制備襯底制備n襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識、晶面襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識、晶面加工。加工。1.3.1 晶體定向晶

10、體定向 n晶體具有各向異性晶體具有各向異性 器件一般制作在不同米勒指數(shù)面的晶片上，如器件一般制作在不同米勒指數(shù)面的晶片上，如 雙極器件：雙極器件：111面；面； MOS器件：器件：100面。面。n晶體定向的方法晶體定向的方法 1.光圖像定向法（參考李乃平）光圖像定向法（參考李乃平） 腐蝕：要定向的晶面經(jīng)研磨、腐蝕，晶面上出現(xiàn)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；的小腐蝕坑； 光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對稱性，正入射光照：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

11、定晶面平行光反映出不同的圖像，從而確定晶面。 1.3.1 晶體定向晶體定向 2. X射線衍射法射線衍射法n方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動晶體法；方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動晶體法；n原理：原理： 入射角入射角應(yīng)滿足：應(yīng)滿足：n=2dsin； 晶面米勒指數(shù)晶面米勒指數(shù)h、k、l應(yīng)滿足：應(yīng)滿足： h2+k2+l2=4n-1（n為奇數(shù)）；為奇數(shù)）； h2+k2+l2=4n（n為偶數(shù)）。為偶數(shù)）。1.3.2 晶面標(biāo)識晶面標(biāo)識n原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開；原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開； 硅單晶的解理面：硅單晶的解理面：111 ； 1.主參考面（主定位面，主標(biāo)志面）主參考面（主定位面，主標(biāo)志面）n起識別劃片方向作

12、用；起識別劃片方向作用；n作為硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；作為硅片（晶錠）機(jī)械加工定位的參考面；n作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；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）次參考面（次定位面，次標(biāo)志面） 識別晶向和導(dǎo)電類型識別晶向和導(dǎo)電類型 1.3.2 晶面標(biāo)識晶面標(biāo)識1.3.2 晶面標(biāo)識晶面標(biāo)識1.3.3 晶片加工晶片加工n切片、磨片、拋光切片、磨片、拋光1. 切片切片n將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符將已整形、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。合一定要求的單晶薄片。n切片基本決定了晶片的晶向、平行度、彎曲度，切片基本決

13、定了晶片的晶向、平行度、彎曲度，切片損耗占切片損耗占1/3。1.3.3 晶片加工晶片加工1.3.3 晶片加工晶片加工2. 磨片磨片n目的：目的： 使各片厚度一致；使各片厚度一致； 使各硅片各處厚度均勻；使各硅片各處厚度均勻； 改善平整度。改善平整度。 n磨料：磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。 種類：種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等等 1.3.3 晶片加工晶片加工3. 拋光拋光n目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的光潔及無損層的“理想理想”表面。表面。n方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、方法：機(jī)械拋

14、光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光化學(xué)機(jī)械拋光（CMP,chemical-mechanical polishing） 機(jī)械拋光機(jī)械拋光:與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)（0.1-0.5m），），MgO、SiO2、ZrO；n優(yōu)點(diǎn)：表面平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。優(yōu)點(diǎn)：表面平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。1.3.3 晶片加工晶片加工化學(xué)拋光（化學(xué)腐蝕）化學(xué)拋光（化學(xué)腐蝕） a.酸性腐蝕酸性腐蝕 典型配方：典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(體積比體積比) 3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O 注意腐蝕溫度：注意腐蝕溫度：t=30-50,表面平滑；表面平滑； t75mm）; 2）不需攪拌；）不需攪拌； 3）表面無損傷。）表面無損傷。n缺點(diǎn)：平整度差缺點(diǎn)：平整度差 1.3.3 晶片加工晶片加工化學(xué)機(jī)械拋光（化學(xué)機(jī)械拋光（CMP)n特點(diǎn)：兼有機(jī)械與化