第二章晶體生長

1、微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長微電子技術(shù)工藝原理 天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系Xie_第26教學(xué)樓D區(qū)431室 謝謝 生生微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧CMOS工藝：工藝：光刻、氧化、擴散、刻蝕等光刻、氧化、擴散、刻蝕等硅技術(shù)的歷史變革革和硅技術(shù)的歷史變革革和未來發(fā)展趨勢：未來發(fā)展趨勢：晶體管的誕生晶體管的誕生集成電路的發(fā)明集成電路的發(fā)明平面工藝的發(fā)明平面工藝的發(fā)明CMOS技術(shù)的發(fā)明技術(shù)的發(fā)明摩爾定律（摩爾定律（Moores law）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例縮小原則等比例縮小原則ITRS：技術(shù)代：

2、技術(shù)代/節(jié)點節(jié)點微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長教學(xué)大綱教學(xué)大綱第一章第一章 概述概述第二章第二章 晶體生長晶體生長第三章第三章 硅氧化硅氧化第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 刻蝕刻蝕第六章第六章 擴散擴散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 工藝集成工藝集成補補 充充 工藝仿真工藝仿真微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長Contents Basic techniques to grow Si and GaAs single-crystal ingots Wafer-shaping steps from ingots to po

3、lished wafers Wafer characterization in terms of its electrical and mechanical properties微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長一一、硅單晶的熔體生長硅單晶的熔體生長1、初始原料、初始原料(1) SiO2 (s) +SiC (s) Si (s)+SiO (g)+CO (g), 冶金級冶金級硅硅:98%；(2) Si (s)+3HCl (g) SiHCl3 (g)+H2 (s)(3) 分餾、除雜：三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點為分餾、除雜：三氯硅烷室溫下呈液

4、態(tài)沸點為32，利用分餾法去除雜質(zhì)；利用分餾法去除雜質(zhì)；(4) SiHCl3 (g)+ H2 (s) Si (s)+ 3HCl (g)，EGS Si 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長多晶硅生料多晶硅生料微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長2、Czochralshi直拉法直拉法CZ 拉晶機主要構(gòu)架拉晶機主要構(gòu)架:1.熔爐熔爐石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝, 加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；2.拉晶裝置拉晶裝置籽晶夾具：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；3.環(huán)境控制系統(tǒng)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)4.電子控制反饋系統(tǒng)電子

5、控制反饋系統(tǒng)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長Kayex KX260 CZ puller Kayex KX260 Silicon Crystal Growing furnace is optimized for growing silicon ingots up to 400 mm in diameter using advanced control systems technology and complete thermal management system.OverviewPerformance( http:/ )微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長拉晶過程拉

6、晶過程（1）熔硅）熔硅 將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化；（注意事項：熔硅時間不易長）（注意事項：熔硅時間不易長）（2）引晶）引晶 將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時可減少熱沖擊。當(dāng)溫度穩(wěn)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(jié)晶； （3）收頸）收頸 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(nèi)原有位錯的延伸。頸一般要長于20mm。 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長（4）放肩）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“

7、放肩”。（5）等徑生長）等徑生長 當(dāng)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。（6）收晶）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。微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長拉晶過程示意圖拉晶過程示意圖微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長CZ-grown Silicon ingots微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長3、雜質(zhì)分布、雜質(zhì)分布平衡分凝系數(shù)平衡分凝系數(shù)0slCkC微電子

8、技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長 若晶體生長時，熔體中的初始重量M0，初始摻雜濃度C0 (w%),當(dāng)生長出重量為M的晶體時，熔體剩余重量為S, 若晶體增加量為dM，晶體中的雜質(zhì)濃度為Cs (w%)，則熔體中的雜質(zhì)減少量sdSC dM熔體的雜質(zhì)濃度Cl (w%)0lSCMM0slCkC00dSdMkSMM 積分00000SMC MdSdMkSMM010001ksMCk CM微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長 在晶體生長過程中，若在晶體生長過程中，若晶體中的初始雜質(zhì)濃度為晶體中的初始雜質(zhì)濃度為k0C0，則，則 （1）若）若k01，晶體中的，晶體中的雜質(zhì)濃度持續(xù)降低；雜質(zhì)濃度

9、持續(xù)降低； （3）若）若k01，晶體中的，晶體中的雜質(zhì)濃度均勻分布。雜質(zhì)濃度均勻分布。晶體的歸一化雜質(zhì)濃度與固化分數(shù)間的函數(shù)關(guān)系晶體的歸一化雜質(zhì)濃度與固化分數(shù)間的函數(shù)關(guān)系微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長有效分凝系數(shù)有效分凝系數(shù)selCkC 當(dāng)結(jié)晶速度大于雜質(zhì)在熔體中的擴散速度時，雜質(zhì)在界面附近熔體中堆積，形成濃度梯度 按照平衡分凝系數(shù)定義：0(0)slCkC 由于Cl(0)未知，為了描述界面附近雜質(zhì)濃度偏離對固相中的雜質(zhì)濃度的影響，引入有效分凝系數(shù)ke有效分凝系數(shù)有效分凝系數(shù)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長 考慮熔

10、體表面存在一個厚度為的薄滯留層(只有拉出晶體才產(chǎn)生流動),滯留層外雜質(zhì)濃度為Cl。滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度可用穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程描述22( )( )0d C xdC xDvdxdx(/)12( )evx DC xAA邊界條件：邊界條件：1、2、雜質(zhì)總量守恒，即界面處雜質(zhì)總流量為零。0( )(0)xlC xC0( )(0)0lsxdC xDCC vdx( )xlC xC微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長/(0)vDlslsCCeCC0/00(1)sevDlCkkCkk e實現(xiàn)均勻摻雜的方法實現(xiàn)均勻摻雜的方法:1、采用高拉晶速率、低旋轉(zhuǎn)速度生長單晶：當(dāng)生長參數(shù) 的值較大時，ke的值比k0大，甚

11、至能夠接近1。2、持續(xù)加入多晶硅生料，保持初始摻雜濃度不變。/vD微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長直拉法直拉法(CZ法法)生長單晶的特點生長單晶的特點優(yōu)點：所生長單晶的直徑較大成本相對較低; 通過熱場調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化， 可較好控制電阻率徑向均勻性缺點：石英坩堝內(nèi)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(zhì)，不易生長高電阻率單晶 （含氧量通常10-40ppm)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長改進直拉生長法改進直拉生長法磁控直拉技術(shù)磁控直拉技術(shù)原理： 在直拉法(CZ法)單晶生長的基礎(chǔ)上對坩堝內(nèi)的熔體施加磁 場，由于半導(dǎo)體熔體是良導(dǎo)體，在磁

12、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(shè)備如單晶爐等并無大的差別。優(yōu)點：1、減少溫度波動； 2、減輕熔硅硅與坩堝作用； 3、使粘滯層厚度增大； 4、降低了缺陷密度和氧含量； 5、提高電阻分布的均勻性。 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長二二、懸浮區(qū)熔法（懸浮區(qū)熔法（FZ法）法）方法：方法： 依靠熔體的表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長出 的單晶之間，通過熔區(qū)的移動而進行提純和生長單晶。1、可重復(fù)生長、提純單晶，單晶純度較CZ 法高；2、無需坩堝、石墨托，污染少；3、FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：單晶直徑

13、不及CZ法微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長摻雜分布摻雜分布0edk SdSCAdxdxL 若多晶硅棒初始摻雜濃度為C0（w%），沿晶棒x處熔區(qū)長度為L，晶體截面為A，硅比重為d，S為熔融內(nèi)的雜質(zhì)量。當(dāng)熔區(qū)移動dx距離時，熔區(qū)頂端新增的雜質(zhì)量為C0 dAdx，晶體中的雜質(zhì)量為ke(Sdx/L)，則熔區(qū)中雜質(zhì)的變化量/01 (1)ek x LseCCk e000 xSdeSdSdxCAk S L整理、積分整理、積分微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長Float-zone processCzochralski process微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長

14、Czochralski processFloat-zone process微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長大面積高壓晶閘管：高阻、高均勻性晶片Step 1: 選用平均摻雜濃度遠低于所需摻雜量的區(qū)熔硅片；Step 2: 用熱中子輻照處理303131141415SinSiP 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長1、初始材料三三、GaAs晶體生長技術(shù)晶體生長技術(shù)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長2、晶體生長技術(shù)u 液封直拉法(Czochralski法) 熔融B2O3液封，高壓 (1atm)，石墨坩堝u Bridgman法（雙溫區(qū)閉管法）微電子技術(shù)工藝原理第二

15、章第二章 晶體生長晶體生長四、材料特征四、材料特征1、晶片整形、晶片整形u 去除仔晶和錠尾去除仔晶和錠尾u 外形研磨，確定晶錠直徑外形研磨，確定晶錠直徑u 研磨標識面或槽，去頂晶錠的晶向和導(dǎo)電類型研磨標識面或槽，去頂晶錠的晶向和導(dǎo)電類型u 切片切片u 晶片研磨晶片研磨u 晶片拋光晶片拋光u 清洗清洗u 裝入片盒裝入片盒微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長徑向研磨定位面研磨微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長晶面定向與晶面標識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(xué)性質(zhì)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

16、：100面。8” 以下硅片需要沿晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導(dǎo)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(guān)系的參考； 作為機械設(shè)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(dǎo)電類型 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長8 ” (200mm) 以下以下Wafer8 ” (200mm)以上以上Wafer微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長(1) 切片切片 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。切片決定了晶片的晶向、厚度、錐度、彎曲度4個參數(shù)，切片損耗占1/3。(2) 磨片磨片（

17、 Al2O3 和甘油混合物） 去除刀痕與凹凸不平；改善平整度；使硅片厚度一致(2m)；(3) 拋光拋光（機械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機械拋光） 消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的“理想”表面。切片、磨片、拋光切片、磨片、拋光微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長2、晶體表征、晶體表征缺陷的含義缺陷的含義：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體理想晶體：格點嚴格按照空間點陣排列。：格點嚴格按照空間點陣排列

18、。實際晶體實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷晶體缺陷晶體缺陷微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長點缺陷點缺陷缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)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(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長線缺陷（位錯）線缺陷（位錯） 在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二

19、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。微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長 螺位錯螺位錯:將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中將規(guī)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側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個類似于樓梯一側(cè)上移半層，另一側(cè)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(jié)構(gòu)，則此時在的排列結(jié)構(gòu)，則此時在“剪開線剪開線”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯線）終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個螺位錯附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個螺位錯 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長晶體生長面缺陷面缺陷二維方向上偏離理想晶體中的周期性、